Aktivní laserové médium - Active laser medium

The aktivní laserové médium (také zvaný získat střední nebo laserové médium) je zdrojem optiky získat v rámci laser. Zisk vyplývá z stimulovaná emise elektronických nebo molekulárních přechodů do stavu s nízkou energií ze stavu s vyšší energií, který byl dříve naplněn a zdroj čerpadla.

Mezi příklady aktivních laserových médií patří:

• Určitý krystaly, obvykle dopovaný vzácná země ionty (např. neodym, yterbium nebo erbium ) nebo přechodový kov ionty (titan nebo chrom ); nejčastěji yttrium hliníkový granát (Y₃Al₅Ó₁₂), ytrium orthovanadát (YVO₄), nebo safír (Al₂Ó₃);^[1] a ne často Bromid cesný a kademnatý (ČsCDBr₃)
• Brýle, např. silikátová nebo fosfátová skla, dopovaná laserově aktivními ionty;^[2]
• Plyny, např. směsi hélium a neon (HeNe), dusík, argon, kysličník uhelnatý, oxid uhličitý nebo kovové páry;^[3]
• Polovodiče, např. galium arsenid (GaAs), arsenid india galia (InGaAs) nebo nitrid gália (GaN).^[4]
• Kapaliny ve formě roztoků barviv používaných v lasery na barvení.^[5][6]

Aby bylo možné vystřelit laser, musí být médium aktivního zisku v distribuci netermální energie známé jako a populační inverze. Příprava tohoto stavu vyžaduje externí zdroj energie a je známá jako laserové čerpání. Čerpání lze dosáhnout elektrickými proudy (např. Polovodiči nebo plyny přes výboje vysokého napětí ) nebo se světlem generovaným výbojky nebo jinými lasery (polovodičové lasery ). Lze čerpat exotičtější média pro zisk chemické reakce, jaderné štěpení,^{[Citace je zapotřebí ]} nebo s vysokou energií elektronové paprsky.^[7]

Příklad modelu ziskového média

Obr. 1. Zjednodušené schéma úrovní ziskového média

Univerzální model platný pro všechny typy laserů neexistuje.^[8] Nejjednodušší model zahrnuje dva systémy podúrovní: horní a dolní. V každém systému nižší úrovně zajišťují rychlé přechody rychlé dosažení tepelné rovnováhy, což vede k Statistiky Maxwell – Boltzmann buzení mezi podúrovněmi v každém systému (Obr. 1). Předpokládá se, že horní úroveň je metastabilní. Rovněž se předpokládá zisk a index lomu nezávisle na konkrétním způsobu buzení.

Pro dobrý výkon zesilovacího média by separace mezi podúrovněmi měla být větší než pracovní teplota; potom při frekvenci čerpadla ${displaystyle ~ omega _ {m {p}}}$, dominuje absorpce.

V případě zesílení optických signálů je volána frekvence laseru frekvence signálu. Stejný termín se však používá i v laseru oscilátory, když se používá zesílené záření k přenosu energie spíše než k informacím. Zdá se, že níže uvedený model funguje dobře pro většinu opticky čerpaných polovodičové lasery.

Průřezy

Jednoduché médium lze charakterizovat pomocí efektivní průřezy z vstřebávání a emise na frekvencích ${displaystyle ~ omega _ {m {p}} ~}$ a ${displaystyle ~ omega _ {m {s}}}$.

• Mít ${displaystyle ~ N ~}$ být koncentrace aktivních center v laseru v pevné fázi.
• Mít ${displaystyle ~ N_ {1} ~}$ být koncentrace aktivních center v základním stavu.
• Mít ${displaystyle ~ N_ {2} ~}$ být koncentrace vzrušených center.
• Mít ${displaystyle ~ N_ {1} + N_ {2} = N}$.

Relativní koncentrace lze definovat jako ${displaystyle ~ n_ {1} = N_ {1} / N ~}$ a ${displaystyle ~ n_ {2} = N_ {2} / N}$.

Rychlost přechodů aktivního centra ze základního stavu do excitovaného lze vyjádřit pomocí ${displaystyle ~ W_ {m {u}} = {frac {I_ {m {p}} sigma _ {m {ap}}} {hbar omega _ {m {p}}}} + {frac {I_ {m { s}} sigma _ {m {as}}} {hbar omega _ {m {s}}}} ~}$ a

Rychlost přechodu zpět do základního stavu lze vyjádřit pomocí ${displaystyle ~ W_ {m {d}} = {frac {I_ {m {p}} sigma _ {m {ep}}} {hbar omega _ {m {p}}}} + {frac {I_ {m { s}} sigma _ {m {es}}} {hbar omega _ {m {s}}}} + {frac {1} {au}} ~}$,kde ${displaystyle ~ sigma _ {m {as}} ~}$ a ${displaystyle ~ sigma _ {m {ap}} ~}$ jsou efektivní průřezy absorpce na frekvencích signálu a pumpy.

${displaystyle ~ sigma _ {m {es}} ~}$ a ${displaystyle ~ sigma _ {m {ep}} ~}$ jsou stejné pro stimulované emise;

${displaystyle ~ {frac {1} {au}} ~}$ je míra spontánního rozpadu horní úrovně.

Potom lze kinetickou rovnici pro relativní populace napsat takto:

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

${displaystyle ~ {frac {{m {d}} n_ {1}} {{m {d}} t}} = - W_ {m {u}} n_ {1} + W_ {m {d}} n_ { 2} ~}$Tyto rovnice však platí ${displaystyle ~ n_ {1} + n_ {2} = 1 ~}$.

Absorpce ${displaystyle ~ A ~}$ při frekvenci čerpadla a zesílení ${displaystyle ~ G ~}$ na frekvenci signálu lze zapsat takto:

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

Stabilní řešení

V mnoha případech ziskové médium pracuje v kontinuální vlně nebo kvazi spojitý režim, způsobující čas deriváty populace zanedbatelné.

Řešení v ustáleném stavu lze napsat:

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

Intenzitu dynamické saturace lze definovat:

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

Absorpce při silném signálu:${displaystyle ~ A_ {0} = {frac {ND} {sigma _ {m {as}} + sigma _ {m {es}}}}}}$.

Zisk při silném čerpadle:${displaystyle ~ G_ {0} = {frac {ND} {sigma _ {m {ap}} + sigma _ {m {ep}}}}}}$,kde ${displaystyle ~ D = sigma _ {m {pa}} sigma _ {m {se}} - sigma _ {m {pe}} sigma _ {m {sa}} ~}$je určující pro průřez.

Zisk nikdy nepřekročí hodnotu ${displaystyle ~ G_ {0} ~}$a absorpce nikdy nepřekročí hodnotu ${displaystyle ~ A_ {0} U ~}$.

Při dané intenzitě ${displaystyle ~ I_ {m {p}} ~}$, ${displaystyle ~ I_ {m {s}} ~}$ čerpadla a signálu lze zisk a absorpci vyjádřit takto:

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

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

Totožnosti

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

Stav média zisku lze charakterizovat jediným parametrem, jako je populace horní úrovně, zisk nebo absorpce.

Účinnost ziskového média

Účinnost a získat střední lze definovat jako${displaystyle ~ E = {frac {I_ {m {s}} G} {I_ {m {p}} A}} ~}$.

V rámci stejného modelu lze účinnost vyjádřit takto:${displaystyle ~ E = {frac {omega _ {m {s}}} {omega _ {m {p}}}} {frac {1-V / p} {1 + U / s}} ~}$.

Pro efektivní provoz by obě intenzity, čerpadlo a signál měly překročit jejich intenzitu nasycení;${displaystyle ~ {frac {p} {V}} gg 1 ~}$, a ${displaystyle ~ {frac {s} {U}} gg 1 ~}$.

Výše uvedené odhady platí pro médium rovnoměrně naplněné pumpou a signálním světlem. Spalování prostorové díry může mírně snížit účinnost, protože některé oblasti jsou dobře čerpány, ale čerpadlo není efektivně odtaženo signálem v uzlech interference proti-šířících se vln.

Viz také

• Populační inverze
• Laserová konstrukce
• Laserová věda
• Seznam laserových článků
• Seznam typů laserů

Odkazy a poznámky

• [1] Akce A.saharn Lasing
• [2] Fyzikální encyklopedie online [v ruštině]

externí odkazy

• Získejte média Encyclopedia of Laser Physics and Technology