Активная лазерная среда - Active laser medium

Активная лазерная среда (называемая также усиливающая средой или активная средой ) является источником оптического усиления в пределах лазера . Усиление является результатом стимулированного излучения фотонов посредством электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заполненного источником накачки .

Примеры активных лазерных сред включают:

Определенные кристаллы , обычно легированные ионами редкоземельных элементов (например, неодима , иттербия или эрбия ) или ионами переходных металлов ( титана или хрома ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат ( Y ₃Al ₅O ₁₂ ), ортованадат иттрия (YVO ₄ ) или сапфир (Al ₂ O ₃ ); и не часто бромид кадмия цезия ( Cs Cd Br ₃ )
Стекла , например силикатные или фосфатные, легированные лазерно-активными ионами;
Газы , например смеси гелия и неона (HeNe), азота , аргона , монооксида углерода , диоксида углерода или паров металлов;
Полупроводники , например арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия индия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).
Жидкости в виде растворов красителей, которые используются в лазерах на красителях .

Чтобы запустить лазер, активная усиливающая среда должна иметь нетепловое распределение энергии, известное как инверсия населенностей . Подготовка этого состояния требует внешнего источника энергии и называется лазерной накачкой . Накачка может осуществляться электрическими токами (например, полупроводниками или газами через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым газоразрядными лампами или другими лазерами ( полупроводниковые лазеры ). Более экзотические усиливающие среды могут накачиваться химическими реакциями , ядерным делением или пучками электронов высокой энергии .

Пример модели усиливающей среды

Рисунок 1. Упрощенная схема уровней усиления.

Простейшая модель оптического усиления в реальных системах включает всего две, энергетически хорошо разделенные группы подуровней. Внутри каждой подуровневой группы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия . (рис.1) . Стимулированные выбросы между верхней и нижней группами, необходимые для усиления, требуют, чтобы верхние уровни были более заселены, чем соответствующие нижние. Этого легче достичь, если нестимулированные скорости перехода между двумя группами медленные, т. Е. Верхние уровни метастабильны . Инверсии населенностей легче производить, когда заняты только самые нижние подуровни, что требует либо низких температур, либо хорошо энергетически расщепленных групп.

В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Если внешняя энергия, необходимая для усиления сигнала, является оптической, она обязательно должна иметь такую же или более высокую частоту накачки .

Поперечные сечения

Простая среда может быть охарактеризована с эффективными сечениями от поглощения и излучения на частотах и . ${\ displaystyle ~ \ omega _ {\ rm {p}} ~}$ ${\ displaystyle ~ \ omega _ {\ rm {s}}}$

Произошла концентрация активных центров в твердотельных лазерах. ${\ displaystyle ~ N ~}$
Должна быть концентрация активных центров в основном состоянии. ${\ displaystyle ~ N_ {1} ~}$
Должна быть концентрация возбужденных центров. ${\ displaystyle ~ N_ {2} ~}$
Есть . ${\ displaystyle ~ N_ {1} + N_ {2} = N}$

Относительные концентрации можно определить как и . ${\ displaystyle ~ n_ {1} = N_ {1} / N ~}$ ${\ displaystyle ~ n_ {2} = N_ {2} / N}$

Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить через и ${\ displaystyle ~ W _ {\ rm {u}} = {\ frac {I _ {\ rm {p}} \ sigma _ {\ rm {ap}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} } + {\ frac {I _ {\ rm {s}} \ sigma _ {\ rm {as}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}}} ~}$

Скорость переходов обратно в основное состояние может быть выражена как , где и - эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки. ${\ displaystyle ~ W _ {\ rm {d}} = {\ frac {I _ {\ rm {p}} \ sigma _ {\ rm {ep}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} } + {\ frac {I _ {\ rm {s}} \ sigma _ {\ rm {es}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}}} + {\ frac {1} {\ tau }} ~}$ ${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {as}} ~}$ ${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {ap}} ~}$

${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {es}} ~}$ и такие же для стимулированного излучения; ${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {ep}} ~}$

${\ displaystyle ~ {\ frac {1} {\ tau}} ~}$ - скорость самопроизвольного распада верхнего уровня.

Тогда кинетическое уравнение для относительных населенностей можно записать следующим образом:

${\ displaystyle ~ {\ frac {{\ rm {d}} n_ {2}} {{\ rm {d}} t}} = W _ {\ rm {u}} n_ {1} -W _ {\ rm { d}} n_ {2}}$ ,

${\ displaystyle ~ {\ frac {{\ rm {d}} n_ {1}} {{\ rm {d}} t}} = - W _ {\ rm {u}} n_ {1} + W _ {\ rm {d}} n_ {2} ~}$ Однако эти уравнения сохраняются . ${\ displaystyle ~ n_ {1} + n_ {2} = 1 ~}$

Поглощение на частоте накачки и усиление на частоте сигнала можно записать следующим образом: ${\ displaystyle ~ A ~}$ ${\ displaystyle ~ G ~}$

${\ displaystyle ~ A = N_ {1} \ sigma _ {\ rm {pa}} - N_ {2} \ sigma _ {\ rm {pe}} ~}$ , . ${\ Displaystyle ~ G = N_ {2} \ sigma _ {\ rm {se}} - N_ {1} \ sigma _ {\ rm {sa}} ~}$

Устойчивое решение

Во многих случаях усиливающая среда работает в непрерывном или квазинепрерывном режиме, в результате чего временными производными населенностей можно пренебречь.

Стационарное решение можно записать:

${\ displaystyle ~ n_ {2} = {\ frac {W _ {\ rm {u}}} {W _ {\ rm {u}} + W _ {\ rm {d}}}} ~}$ , ${\ displaystyle ~ n_ {1} = {\ frac {W _ {\ rm {d}}} {W _ {\ rm {u}} + W _ {\ rm {d}}}}.}$

Интенсивности динамического насыщения можно определить:

${\ displaystyle ~ I _ {\ rm {po}} = {\ frac {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} {(\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm { ep}}) \ tau}} ~}$ , . ${\ displaystyle ~ I _ {\ rm {so}} = {\ frac {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}} {(\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm { es}}) \ tau}} ~}$

Поглощение при сильном сигнале: . ${\ displaystyle ~ A_ {0} = {\ frac {ND} {\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm {es}}}} ~}$

Коэффициент усиления при сильной накачке:, где - определитель поперечного сечения. ${\ displaystyle ~ G_ {0} = {\ frac {ND} {\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm {ep}}}} ~}$ ${\ displaystyle ~ D = \ sigma _ {\ rm {pa}} \ sigma _ {\ rm {se}} - \ sigma _ {\ rm {pe}} \ sigma _ {\ rm {sa}} ~}$

Прибыль никогда не превышает значения , а поглощение никогда не превышает значения . ${\ displaystyle ~ G_ {0} ~}$ ${\ displaystyle ~ A_ {0} U ~}$

При заданных интенсивности , насоса и сигнала, усиление и поглощение может быть выражено следующим образом : ${\ displaystyle ~ I _ {\ rm {p}} ~}$ ${\ displaystyle ~ I _ {\ rm {s}} ~}$

${\ displaystyle ~ A = A_ {0} {\ frac {U + s} {1 + p + s}} ~}$ , , ${\ displaystyle ~ G = G_ {0} {\ frac {pV} {1 + p + s}} ~}$

где , , , . ${\ displaystyle ~ p = I _ {\ rm {p}} / I _ {\ rm {po}} ~}$ ${\ displaystyle ~ s = I _ {\ rm {s}} / I _ {\ rm {so}} ~}$ ${\ displaystyle ~ U = {\ frac {(\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm {es}}) \ sigma _ {\ rm {ap}}} {D}} ~}$ ${\ displaystyle ~ V = {\ frac {(\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm {ep}}) \ sigma _ {\ rm {as}}} {D}} ~}$

Идентичности

Следующие тождества имеют место: , ${\ Displaystyle UV = 1 ~}$ ${\ displaystyle ~ A / A_ {0} + G / G_ {0} = 1 ~. \}$

Состояние активной среды можно охарактеризовать одним параметром, например, населенностью верхнего уровня, усилением или поглощением.

КПД среды усиления

Эффективность усиливающей среды можно определить как . ${\ displaystyle ~ E = {\ frac {I _ {\ rm {s}} G} {I _ {\ rm {p}} A}} ~}$

В одной и той же модели, эффективность может быть выражена следующим образом : . ${\ displaystyle ~ E = {\ frac {\ omega _ {\ rm {s}}} {\ omega _ {\ rm {p}}}} {\ frac {1-V / p} {1 + U / s }} ~}$

Для эффективной работы обе интенсивности, накачки и сигнала должны превышать их интенсивности насыщения; , и . ${\ displaystyle ~ {\ frac {p} {V}} \ gg 1 ~}$ ${\ displaystyle ~ {\ frac {s} {U}} \ gg 1 ~}$

Приведенные выше оценки справедливы для среды, равномерно заполненной накачкой и сигнальной лампой. Выгорание пространственной дыры может немного снизить эффективность, потому что некоторые области хорошо откачиваются, но накачка не эффективно отводится сигналом в узлах интерференции встречных волн.

Смотрите также

Ссылки и примечания

^ Hecht, Джефф. Лазерное руководство: второе издание. McGraw-Hill, 1992. (Глава 22).
↑ Hecht, Глава 22
↑ Hecht, главы 7-15
↑ Hecht, Главы 18-21
^ FJ Дуарте и ЛМ Хиллман (ред.), Лазер на красителе принципы (Academic, НьюЙорк, 1990).
↑ FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers , 2nd Edition (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
^ McArthur, DA; Толлефсруд, ПБ (15 февраля 1975 г.). «Наблюдение лазерного воздействия в газе CO, возбуждаемом только осколками деления» . Письма по прикладной физике . 26 (4): 187–190. DOI : 10.1063 / 1.88110 .
^ Энциклопедия лазерной физики и техники
^ Д.Кузнецов; JFBisson; К. Такаичи; К.Уэда (2005). «Одномодовый твердотельный лазер с коротким широким нестабильным резонатором». JOSA Б . 22 (8): 1605–1619. Bibcode : 2005JOSAB..22.1605K . DOI : 10.1364 / JOSAB.22.001605 .

[1] А.Захарн Действие лазера.
[2] Физическая энциклопедия онлайн [на русском языке]

внешние ссылки

Получить медиа Энциклопедия лазерной физики и технологий

[1] Hecht, Джефф. Лазерное руководство: второе издание. McGraw-Hill, 1992. (Глава 22).

[2] Hecht, Глава 22

[3] Hecht, главы 7-15

[4] Hecht, Главы 18-21

[5] FJ Дуарте и ЛМ Хиллман (ред.), Лазер на красителе принципы (Academic, НьюЙорк, 1990).

[6] FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers , 2nd Edition (Springer-Verlag, Berlin, 1990).

[7] McArthur, DA; Толлефсруд, ПБ (15 февраля 1975 г.). «Наблюдение лазерного воздействия в газе CO, возбуждаемом только осколками деления» . Письма по прикладной физике . 26 (4): 187–190. DOI : 10.1063 / 1.88110 .

[rp-8] Энциклопедия лазерной физики и техники

[uns-9] Д.Кузнецов; JFBisson; К. Такаичи; К.Уэда (2005). «Одномодовый твердотельный лазер с коротким широким нестабильным резонатором». JOSA Б . 22 (8): 1605–1619. Bibcode : 2005JOSAB..22.1605K . DOI : 10.1364 / JOSAB.22.001605 .

Languages

In other projects