Усиление (лазер)

В лазерной физике усиление или усиление — это процесс, при котором среда передает часть своей энергии излучаемому электромагнитному излучению , что приводит к увеличению оптической мощности. Это основной принцип всех лазеров . Количественно усиление является мерой способности лазерной среды увеличивать оптическую мощность. Однако в целом лазер потребляет энергию.

Определение

Прирост можно определить как производную логарифма мощности $~P~$ при прохождении через среду. Коэффициент, на который входной луч усиливается средой, называется коэффициентом усиления и обозначается G.

$G={\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\ln(P)={\frac {{\rm {d}}P/{\rm {d}}z}{P}}$

где $~z~$ – координата в направлении распространения. Это уравнение не учитывает влияние поперечного профиля балки.

В квазимонохроматическом параксиальном приближении коэффициент усиления можно учесть с помощью следующего уравнения

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

где $~\nu ~$ - изменение показателя преломления (которое должно быть небольшим),

$~E~$ сложное поле, связанное с физическим электрическим полем $~E_{\rm {phys}}~$ с отношением $~E_{\rm {phys}}={\rm {Re}}\left({\vec {e}}E\exp(ikz-i\omega t)\right)~$, где $~{\vec {e}}~$ – вектор поляризации, $~k~$ волновое число, $~\omega ~$ частота, $~\Delta _{\rm {\perp }}=\left({\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}\right)~$ является трансверсальным лапласианом; $~{\rm {Re~}}$ означает действительную часть.

Выигрыш в квазидвухуровневой системе

В простой квазидвухуровневой системе выигрыш может быть выражен в численности населения $~N_{1}~$ и $~N_{2}~$ низших и возбужденных состояний:

$~G=\sigma _{\rm {e}}N_{2}-\sigma _{\rm {a}}N_{1}~$

где $~\sigma _{\rm {e}}~$ и $~\sigma _{\rm {a}}~$ – эффективные сечения излучения и поглощения. В случае неперекачиваемой среды коэффициент усиления отрицательный.

Коэффициент усиления в обоих направлениях означает коэффициент усиления, умноженный на длину распространения лазерного излучения за один проход туда и обратно. В случае изменения коэффициента усиления по длине коэффициент усиления туда и обратно может быть выражен интегралом $g=\int G{\rm {d}}z$. Это определение предполагает либо профиль лазерного луча с плоской вершиной внутри лазера, либо некоторый эффективный коэффициент усиления, усредненный по сечению пучка.

Коэффициент усиления $~K~$ можно определить как соотношение выходная мощность $~P_{\rm {out}}$ к входная мощность $~P_{\rm {in}}$:

$~K=P_{\rm {out}}/P_{\rm {in}}$.

Это связано с выгодой; $~K=\exp \left(\int G{\rm {d}}z\right)~$.

Коэффициент усиления и коэффициент усиления не следует путать с коэффициентом увеличения . Увеличение характеризует масштаб увеличения изображения; такое расширение может быть реализован с использованием пассивных элементов , без усиливающей среды .

Альтернативная терминология и обозначения

Не существует устоявшейся терминологии относительно усиления и поглощения. Каждый волен использовать свои обозначения, и невозможно охватить все системы обозначений в этой статье.

В радиофизике усиление может означать логарифм коэффициента усиления.

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

используется термин «приращение» вместо «прирост» и «декремент» вместо «коэффициент поглощения» В некоторых публикациях во избежание двусмысленности . используя аналогию между параксиальным распространением квазимонохроматических волн и эволюцией во времени динамической системы.

См. также

• Коэффициент усиления в обоих направлениях — коэффициент усиления , умноженный на длину распространения лазерного излучения за один проход туда и обратно.
• Дисковый лазер
• Эффективные сечения
• Отношение Маккамбера