Активная лазерная среда - Active laser medium

В активная лазерная среда (также называемый получить средний или же лазерная среда) - источник оптического прирост в пределах лазер. Выигрыш в результате стимулированное излучение электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заселенного источник насоса.

Примеры активных лазерных сред включают:

• Определенный кристаллы, обычно легированный редкоземельный ионы (например. неодим, иттербий, или же эрбий ) или же переходный металл ионы (титан или же хром ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат (Y₃Al₅О₁₂), ортованадат иттрия (YVO₄), или же сапфир (Al₂О₃);^[1] и не часто Бромид кадмия цезия (CSCDBr₃)
• Очки, например силикатные или фосфатные стекла, легированные лазерно-активными ионами;^[2]
• Газы, например смеси гелий и неон (HeNe), азот, аргон, монооксид углерода, углекислый газ, или пары металлов;^[3]
• Полупроводники, например арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия индия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).^[4]
• Жидкости в виде растворов красителей, используемых в лазеры на красителях.^[5][6]

Чтобы запустить лазер, активная усиливающая среда должна иметь нетепловое распределение энергии, известное как инверсия населения. Подготовка этого состояния требует внешнего источника энергии и известна как лазерная накачка. Накачка может осуществляться с помощью электрических токов (например, полупроводников или газов через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым газоразрядные лампы или другими лазерами (полупроводниковые лазеры ). Более экзотические среды усиления можно накачать химические реакции, ядерное деление,^{[нужна цитата ]} или с высокой энергией электронные лучи.^[7]

Пример модели усиливающей среды

Рисунок 1. Упрощенная схема уровней усиления.

Универсальной модели, подходящей для всех типов лазеров, не существует.^[8] Самая простая модель включает две системы подуровней: верхнюю и нижнюю. Внутри каждой подуровневой системы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия, что приводит к Статистика Максвелла – Больцмана возбуждений между подуровнями в каждой системе (рисунок 1). Предполагается, что верхний уровень метастабильный. 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; то при частоте накачки ${displaystyle ~ omega _ {м {p}}}$, преобладает поглощение.

В случае усиление оптических сигналов частота генерации называется частота сигнала. Однако этот же термин используется даже в лазерной генераторы, когда усиленное излучение используется для передачи энергии, а не информации. Представленная ниже модель подходит для большинства моделей с оптической накачкой. твердотельные лазеры.

Поперечные сечения

Простую среду можно охарактеризовать эффективные сечения из поглощение и выброс на частотах ${displaystyle ~ omega _ {m {p}} ~}$ и ${displaystyle ~ omega _ {м {s}}}$.

• Иметь ${displaystyle ~ N ~}$ - концентрация активных центров в твердотельных лазерах.
• Иметь ${displaystyle ~ N_ {1} ~}$ быть концентрацией активных центров в основном состоянии.
• Иметь ${displaystyle ~ N_ {2} ~}$ быть концентрацией возбужденных центров.
• Иметь ${displaystyle ~ N_ {1} + N_ {2} = N}$.

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

Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить как ${displaystyle ~ W_ {m {u}} = {frac {I_ {m {p}} sigma _ {m {ap}}} {hbar omega _ {m {p}}}} + {frac {I_ {m { s}} sigma _ {m {as}}} {hbar omega _ {m {s}}}} ~}$ и

Скорость перехода обратно в основное состояние можно выразить как ${displaystyle ~ W_ {m {d}} = {frac {I_ {m {p}} sigma _ {m {ep}}} {hbar omega _ {m {p}}}} + {frac {I_ {m { s}} sigma _ {m {es}}} {hbar omega _ {m {s}}}} + {frac {1} {au}} ~}$,куда ${displaystyle ~ sigma _ {m {as}} ~}$ и ${displaystyle ~ sigma _ {m {ap}} ~}$ находятся эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки.

${displaystyle ~ sigma _ {m {es}} ~}$ и ${displaystyle ~ sigma _ {m {ep}} ~}$ такие же для вынужденного излучения;

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

Тогда кинетическое уравнение для относительных населенностей можно записать следующим образом:

${displaystyle ~ {frac {{m {d}} n_ {2}} {{m {d}} t}} = W_ {m {u}} n_ {1} -W_ {m {d}} n_ {2 }}$,

${displaystyle ~ {frac {{m {d}} n_ {1}} {{m {d}} t}} = - W_ {m {u}} n_ {1} + W_ {m {d}} n_ { 2} ~}$Однако эти уравнения сохраняют ${displaystyle ~ n_ {1} + n_ {2} = 1 ~}$.

Поглощение ${displaystyle ~ A ~}$ при частоте накачки и усилении ${displaystyle ~ G ~}$ на частоте сигнала можно записать так:

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

Устойчивое решение

Во многих случаях усиливающая среда работает в непрерывном или непрерывном режиме. квазинепрерывный режим, вызывающий время производные населения должно быть незначительным.

Стационарное решение можно записать:

${displaystyle ~ n_ {2} = {frac {W_ {m {u}}} {W_ {m {u}} + W_ {m {d}}}} ~}$, ${displaystyle ~ n_ {1} = {frac {W_ {m {d}}} {W_ {m {u}} + W_ {m {d}}}}.}$

Интенсивности динамического насыщения можно определить:

${displaystyle ~ I_ {m {po}} = {frac {hbar omega _ {m {p}}} {(sigma _ {m {ap}} + sigma _ {m {ep}}) au}} ~}$,${displaystyle ~ I_ {m {so}} = {frac {hbar omega _ {m {s}}} {(sigma _ {m {as}} + sigma _ {m {es}}) au}} ~}$.

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

Прирост при сильной помпе:${displaystyle ~ G_ {0} = {frac {ND} {sigma _ {m {ap}} + sigma _ {m {ep}}}} ~}$,куда ${displaystyle ~ D = sigma _ {m {pa}} sigma _ {m {se}} - sigma _ {m {pe}} sigma _ {m {sa}} ~}$определитель поперечного сечения.

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

При заданной интенсивности ${displaystyle ~ I_ {m {p}} ~}$, ${displaystyle ~ I_ {m {s}} ~}$ накачки и сигнала, усиление и поглощение можно выразить следующим образом:

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

куда ${displaystyle ~ p = I_ {m {p}} / I_ {m {po}} ~}$, ${displaystyle ~ s = I_ {m {s}} / I_ {m {so}} ~}$, ${displaystyle ~ U = {frac {(sigma _ {m {as}} + sigma _ {m {es}}) sigma _ {m {ap}}} {D}} ~}$, ${displaystyle ~ V = {frac {(sigma _ {m {ap}} + sigma _ {m {ep}}) sigma _ {m {as}}} {D}} ~}$ .

Идентичности

Следующие личности^[9] происходить:${displaystyle U-V = 1 ~}$, ${displaystyle ~ A / A_ {0} + G / G_ {0} = 1 ~. }$

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

КПД среды усиления

Эффективность получить средний можно определить как${displaystyle ~ E = {frac {I_ {m {s}} G} {I_ {m {p}} A}} ~}$.

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

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

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

Смотрите также

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

Ссылки и примечания

• [1] A.saharn Лазерная акция
• [2] Физическая энциклопедия онлайн [на русском языке]

внешняя ссылка

• Получите медиа Энциклопедия лазерной физики и техники