Усиление (лазер) - Gain (laser)

В лазерная физика, прирост или усиление это процесс, при котором среда передает часть своей энергии испускаемому электромагнитное излучение, что приводит к увеличению оптической мощности. Это основной принцип всех лазеры.Количественно, прирост это мера способности лазерная среда для увеличения оптической силы.

Определение

Коэффициент усиления можно определить как производную от логарифма мощности ${displaystyle ~ P ~}$когда он проходит через среду. Коэффициент усиления входного луча средой называется усилением и обозначается буквой G.

${displaystyle G = {frac {m {d}} {{m {d}} z}} ln (P) = {frac {{m {d}} P / {m {d}} z} {P}} }$

где ${displaystyle ~ z ~}$ - координата в направлении распространения. Это уравнение не учитывает влияние поперечного профиля пучка.

в квазимонохроматический параксиальное приближение, коэффициент усиления можно учесть с помощью следующего уравнения

${displaystyle 2ik {frac {partial E} {partial z}} = Delta _ {perp} E + 2u E + iGE}$,

где ${displaystyle ~ u ~}$ - изменение показателя преломления (которое предполагается небольшим),

${displaystyle ~ E ~}$ сложное поле, связанное с физическим электрическим полем${displaystyle ~ E_ {m {Phys}} ~}$ с отношением ${displaystyle ~ E_ {m {Phys}} = {m {Re}} влево ({vec {e}} Eexp (ikz-iomega t) ight) ~}$, где${displaystyle ~ {vec {e}} ~}$ - вектор поляризации,${displaystyle ~ k ~}$ это волновое число,${displaystyle ~ omega ~}$ частота,${displaystyle ~ Delta _ {m {perp}} = left ({frac {partial ^ {2}} {partial x ^ {2}}} + {frac {partial ^ {2}} {partial y ^ {2}}) } ight) ~}$трансверсальный лапласиан;${displaystyle ~ {m {Re ~}}}$ означает настоящую часть.

Прирост в квазидвухуровневой системе

В простой квазидвухуровневой системе выигрыш можно выразить через населенности${displaystyle ~ N_ {1} ~}$ и ${displaystyle ~ N_ {2} ~}$ нижних и возбужденных состояний:

${displaystyle ~ G = sigma _ {m {e}} N_ {2} -sigma _ {m {a}} N_ {1} ~}$

где ${displaystyle ~ sigma _ {m {e}} ~}$ и${displaystyle ~ sigma _ {m {a}} ~}$- эффективные сечения излучения и поглощения. В случае ненакачиваемой среды коэффициент усиления отрицательный.

Прирост в оба конца означает усиление, умноженное на длину распространения лазерного излучения за один проход в оба конца. В случае, когда коэффициент усиления изменяется по длине, коэффициент усиления в оба конца может быть выражен с помощью интеграла${displaystyle g = int G {m {d}} z}$Это определение предполагает либо плоский профиль лазерного луча внутри лазера, либо некоторое эффективное усиление, усредненное по поперечному сечению луча.

Коэффициент усиления ${displaystyle ~ K ~}$ можно определить как отношение выходной мощности ${displaystyle ~ P_ {m {out}}}$ к входной мощности ${displaystyle ~ P_ {m {in}}}$:

${displaystyle ~ K = P_ {m {out}} / P_ {m {in}}}$.

Это связано с прибылью;${displaystyle ~ K = exp left (int G {m {d}} zight) ~}$.

Усиление и коэффициент усиления не следует путать с коэффициент увеличения. Увеличение характеризует масштаб увеличения изображения; такое расширение может быть реализовано с помощью пассивные элементы, без получить средний. ^[1]

Альтернативная терминология и обозначения

Не существует установленной терминологии, касающейся усиления и поглощения. Каждый может использовать собственные обозначения, и невозможно охватить все системы обозначений в этой статье.

В радиофизика, усиление может означать логарифм коэффициента усиления.

Во многих статьях по лазерной физике, в которых не используется коэффициент усиления ${displaystyle ~ K ~}$ определено выше, усиление называется Коэффициент усиления, по аналогии с Коэффициент поглощения, который на самом деле вообще не является коэффициентом; нужно умножить его на длину распространения (толщину), изменить знак, сделать обратную экспоненту и только потом получить коэффициент ослабления образца.

В некоторых публикациях используется термин приращение вместо выгоды и декремент вместо того коэффициент поглощения чтобы избежать двусмысленность,^[2]используя аналогию между параксиальным распространением квазимонохроматических волн и эволюцией динамической системы во времени.

Смотрите также

• Прирост в оба конца, усиление, умноженное на длину распространения лазерного излучения за один обход
• Дисковый лазер
• Эффективные сечения
• Отношение Маккамбера

Рекомендации