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: верхний и нижний. Внутри каждой подуровневой системы быстрые переходы гарантируют 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.
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 .
- Произошла концентрация активных центров в твердотельных лазерах.
- Должна быть концентрация активных центров в основном состоянии.
- Должна быть концентрация возбужденных центров.
- Есть .
Относительные концентрации можно определить как и .
Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить через и
Скорость переходов обратно в основное состояние может быть выражена как , где и - эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки.
и такие же для стимулированного излучения;
- скорость самопроизвольного распада верхнего уровня.
Тогда кинетическое уравнение для относительных населенностей можно записать следующим образом:
,
Однако эти уравнения сохраняются .
Поглощение на частоте накачки и усиление на частоте сигнала можно записать следующим образом:
, .
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:
,
Интенсивности динамического насыщения можно определить:
, .
Поглощение при сильном сигнале: .
Коэффициент усиления при сильной накачке:, где - определитель поперечного сечения.
Прибыль никогда не превышает значения , а поглощение никогда не превышает значения .
При заданных интенсивности , насоса и сигнала, усиление и поглощение может быть выражено следующим образом :
, ,
где , , , .
Личности [ править ]
Следующие тождества [10] имеют место: ,
Состояние активной среды можно охарактеризовать одним параметром, например, населенностью верхнего уровня, усилением или поглощением.
Эффективность среды усиления [ править ]
Эффективность усиливающей среды можно определить как .
В одной и той же модели, эффективность может быть выражена следующим образом : .
Для эффективной работы обе интенсивности, накачки и сигнала должны превышать их интенсивности насыщения; , и .
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 ]
- ^ 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
- ^ AESiegman (1986). Лазеры . Книги университетских наук. ISBN 0-935702-11-3.
- ^ 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 [ править ]
- Получить медиа Энциклопедия лазерной физики и технологий