Активная лазерная среда

Лазерные стержни (слева направо): Рубин , Александрит, Er:YAG , Nd:YAG.

Активная лазерная среда (также называемая усиливающей средой или лазерной средой ) является источником оптического усиления внутри лазера . Усиление является результатом стимулированного 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 редкоземельных металлов ионами (например, неодима , иттербия или эрбия ) или переходных металлов ионов ( титан или хром ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат ( Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ), ортованадат иттрия (YVO ₄ ) или сапфир (Al ₂ O ₃ ); и не часто бромид цезия-кадмия ( Cs Cd Br ₃ ) ( твердотельные лазеры )
• Стекла , например силикатные или фосфатные, легированные лазерно-активными ионами;
• Газы , например смеси гелия и неона (HeNe), азота , аргона , криптона , монооксида углерода , диоксида углерода или паров металлов; ( газовые лазеры )
• Полупроводники , например арсенид галлия (GaAs), арсенид индия-галлия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).
• Жидкости в виде растворов красителей, используемые в лазерах на красителях .

Чтобы запустить лазер, активная усиливающая среда должна быть переведена в состояние, в котором происходит инверсия населенностей . Создание этого состояния требует внешнего источника энергии и известно как лазерная накачка . Накачка может осуществляться электрическими токами (например, полупроводниками или газами посредством высоковольтных разрядов ) или светом, генерируемым газоразрядными лампами или другими лазерами ( полупроводниковые лазеры ). Более экзотические активные среды можно накачивать с помощью химических реакций , ядерного деления , высокой энергии или с помощью пучков электронов .

Пример модели усиливающей среды

Упрощенная схема уровней в усиливающей среде

Простейшая модель оптического усиления в реальных системах включает всего две энергетически хорошо разделенные группы подуровней. Внутри каждой группы подуровней быстрые переходы обеспечивают теплового равновесия быстрое достижение . Стимулированные выбросы между верхними и нижними группами, необходимые для прироста, требуют, чтобы верхние уровни были более заселены, чем соответствующие нижние. Эта ситуация называется инверсией населенности. Этого легче достичь, если скорость нестимулированного перехода между двумя группами медленная, т. е. верхние уровни метастабильны . Инверсии населенностей легче производить, когда заняты только самые нижние подуровни, что требует либо низких температур, либо хорошо энергетически разделенных групп.

В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Если внешняя энергия, необходимая для усиления сигнала, является оптической, она обязательно будет иметь ту же или более высокую частоту накачки .

Сечения

охарактеризовать эффективными сечениями поглощения и Простую среду можно излучения на частотах $~\omega _{\rm {p}}~$ и $~\omega _{\rm {s}}$.

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

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

Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить так: $~W_{\rm {u}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ap}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {as}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}~$.

А скорость обратных переходов в основное состояние можно выразить так: $~W_{\rm {d}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ep}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {es}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}+{\frac {1}{\tau }}~$,где $~\sigma _{\rm {as}}~$ и $~\sigma _{\rm {ap}}~$ – эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки, $~\sigma _{\rm {es}}~$ и $~\sigma _{\rm {ep}}~$ одинаковы для вынужденного излучения, а $~{\frac {1}{\tau }}~$ – скорость спонтанного распада верхнего уровня.

Тогда кинетическое уравнение для относительных популяций можно записать следующим образом:

$~{\frac {{\rm {d}}n_{2}}{{\rm {d}}t}}=W_{\rm {u}}n_{1}-W_{\rm {d}}n_{2}$,

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

Поглощение $~A~$ на частоте накачки и коэффициенте усиления $~G~$ на частоте сигнала можно записать следующее:

$~A=N_{1}\sigma _{\rm {pa}}-N_{2}\sigma _{\rm {pe}}~$ и $~G=N_{2}\sigma _{\rm {se}}-N_{1}\sigma _{\rm {sa}}~$.

Стационарное решение

Во многих случаях усиливающая среда работает в непрерывном или квазинепрерывном режиме, в результате чего производные по времени от населенностей становятся незначительными.

Стационарное решение можно записать:

$~n_{2}={\frac {W_{\rm {u}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}~$, $~n_{1}={\frac {W_{\rm {d}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}.$

Динамическую интенсивность насыщения можно определить:

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

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

Прирост при сильном пампе: $~G_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}}}}~$,где $~D=\sigma _{\rm {pa}}\sigma _{\rm {se}}-\sigma _{\rm {pe}}\sigma _{\rm {sa}}~$является определителем сечения.

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

При заданных интенсивностях $~I_{\rm {p}}~$, $~I_{\rm {s}}~$ накачки и сигнала, усиление и поглощениеможно выразить следующим образом:

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

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

Личности

Следующие личности иметь место: $U-V=1~$, $~A/A_{0}+G/G_{0}=1~.\$

Состояние усиливающей среды можно охарактеризовать одним параметром, например, заселенностью верхнего уровня, усилением или поглощением.

Эффективность усиливающей среды

Эффективность усиливающей среды можно определить как $~E={\frac {I_{\rm {s}}G}{I_{\rm {p}}A}}~$.

В рамках той же модели эффективность можно выразить следующим образом: $~E={\frac {\omega _{\rm {s}}}{\omega _{\rm {p}}}}{\frac {1-V/p}{1+U/s}}~$.

Для эффективной работы обе интенсивности — накачки и сигнала — должны превышать интенсивность насыщения: $~{\frac {p}{V}}\gg 1~$, и $~{\frac {s}{U}}\gg 1~$.

Приведенные выше оценки справедливы для среды, равномерно заполненной накачкой и сигнальным светом. Пространственное выгорание дырок может несколько снизить эффективность, поскольку некоторые области прокачиваются хорошо, но накачка не эффективно выводится сигналом в узлах интерференции встречных волн.

См. также

• Инверсия населения
• Лазерное строительство
• Лазерная наука
• Список лазерных статей
• Список типов лазеров

Внешние ссылки

• Gain Media Энциклопедия лазерной физики и технологий