Активная лазерная среда

Активная лазерная среда (называемая также усиливающая средой или активная средой ) является источником оптического усиления в пределах лазера . Усиление является результатом вынужденного излучения фотонов посредством электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заселенного 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 ₃ Al ₅ O ₁₂ ), ортованадат иттрия (YVO ₄ ) или сапфир (Al ₂ O ₃ ); ^[1] и не часто бромид кадмия цезия ( Cs CdBr ₃ )
• Стекла , например силикатные или фосфатные, легированные лазерно-активными ионами; ^[2]
• Газы , например смеси гелия и неона (HeNe), азота , аргона , монооксида углерода , диоксида углерода или паров металлов; ^[3]
• Полупроводники , например арсенид галлия (GaAs), арсенид индия-галлия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN). ^[4]
• Жидкости в виде растворов красителей, которые используются в лазерах на красителях . ^{[5] [6]}

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, в полупроводниках или газах через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым газоразрядными лампами или другими лазерами ( полупроводниковые лазеры ). Более экзотические средства массового усиления может быть накачка химических реакций , ядерное делением , ^[7] или с высокой энергией электронных пучков . ^[8]

Пример модели усиленной среды [ править ]

Универсальной модели, подходящей для всех типов лазеров, не существует. ^[9] Простейшая модель включает две системы подуровней: верхнюю и нижнюю. Внутри каждой подуровневой системы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия, что приводит к статистике Максвелла – Больцмана возбуждений между подуровнями в каждой системе (рис.1) . Предполагается, что верхний уровень является метастабильным . Кроме того, предполагается, что коэффициент усиления и показатель преломления не зависят от конкретного способа возбуждения.

Для хорошей работы усиливающей среды расстояние между подуровнями должно быть больше рабочей температуры; тогда на частоте накачки преобладает поглощение.${\ displaystyle ~ \ omega _ {\ rm {p}}}$

В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Однако тот же термин используется даже в лазерных генераторах , когда усиленное излучение используется для передачи энергии, а не информации. Представленная ниже модель, кажется, хорошо работает для большинства твердотельных лазеров с оптической накачкой .

Поперечные сечения [ править ]

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 [ править ]

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}}~}$

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

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}}~}$

Личности [ править ]

Следующие тождества ^[10] имеют место: ,${\displaystyle U-V=1~}$${\displaystyle ~A/A_{0}+G/G_{0}=1~.\ }$

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

Эффективность среды усиления [ править ]

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.

См. Также [ править ]

• Инверсия населения
• Лазерная конструкция
• Лазерная наука
• Список лазерных статей
• Список типов лазеров

Ссылки и примечания [ править ]

• [1] A.saharn Действие лазера.
• [2] Физическая энциклопедия онлайн [на русском языке]

Внешние ссылки [ править ]

• Получить медиа Энциклопедия лазерной физики и технологий