ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ТермодинамиДвухпримесной лазер из "Лазерное охлаждение твердых тел " Обычный твердотельный лазер работает с выделением теплоты. Процессы накачки и стимулированное излучение приводят к производству тепла в активной среде лазера. Это, в свою очередь, приводит к повышению температуры и усилению внутренних напряжений в среде, из-за чего ухудшаются характеристики излучения и уменьшается средняя мощность генерации. Начиная с 60-х годов предпринимаются усилия по увеличению мощности генерируемого излучения. Для достижения этого были изобретены остроумные схемы охлаждения и схемы ограничения теплового искажения лазерного излучения. В настоящее время существуют качественные твердотельные лазеры со средней мощностью излучения порядка нескольких сотен ватт [151-153]. Дальнейшее увеличение средней мощности может быть достигнуто только за счёт значительного усложнения конструкции лазера или же потери качества когерентного излучения. Ограничение сверху на генерируемую мощность также возникает из-за теплового разрушения активной среды лазера и имеет значение около 1 кВт. В табл. 4.1 приведены некоторые из параметров для разных типов лазеров. [c.139] Однако, можно попытаться использовать антистоксовый механизм охлаждения внутри самой лазерной среды для того, чтобы управлять балансом производимого тепла. Это можно сделать подбирая специальным образом параметры накачки и лазерной генерации. В результате получится радиационно сбалансированный лазер без избытка тепла, поскольку в среднем оно будет компенсироваться сдвигом частоты генерации. [c.139] Второе наше допуш ение состоит в том, что оба этих уровня расш,еп-лены на несколько подуровней, переходы между которыми являются неоптическими, а энергетический порядок суммарного расщепления соответствует яТ. Таким образом, атом, находясь в любом из этих состояний, может обмениваться энергией с кристаллической матрицей посредством оптических фононов. Поскольку расстояния между подуровнями гораздо менее яТ, время обмена составляет пикосекунды. Если в лазерном материале радиационное время жизни возбуждённого состояния имеет порядок миллисекунд, то атомы, находящиеся в основном и возбуждённом состояниях, будут успевать приходить в термодинамически равновесие и заселять подуровни в соответствии со статистикой Больцмана. Именно это обстоятельство, которое мы будем называть термализация верхнего и нижнего уровней, приводит к изменению частоты флуоресценции и делает возможным обеспечить радиационный баланс. [c.141] В стационарном случае значение производной в уравнении (4.6) нужно положить равным нулю. [c.143] Из определений (4.3), (4.4) следует, что соотношение (4.7) требует, чтобы 1Ур Рь, что является естественным. [c.143] Отсюда непосредственно следует, что эффективнее будет такой режим, когда частоты излучения накачки и лазера выбираются так, чтобы они не были слишком близкими. [c.146] Полученный для плоской волны результат остаётся справедливым и для каждого луча, распространяющегося внутри ограниченного коллимированного пучка. До тех пор, пока 1ь х,г) / тт, каждый луч, находящийся в данном поданном пучке, может быть соотнесён с контуром накачки, который приведёт в итоге к усилению в радиационносбалансированном режиме генерации. [c.146] Как следствие, интенсивность накачки Ip z) уже не может являться произвольной величиной для 2 0. [c.147] Из уравнения (4.27) находим, что / (0) — 5,05 кВт/см . Это значение мало отличается от Ibmin, о чём можно только мечтать при проведении реального эксперимента. [c.149] Усиление и рост интенсивности лазерного излучения, по мере его распространения внутри образца, можно численно рассчитать из уравнения (4.29), продвигаясь по параллелепипеду вдоль оси Z с шагом 5z = 1 мм. Результаты этого расчёта приведены на рис. 4.4. [c.149] Рассчитанная из уравнения (4.27) интенсивность излучения накачки /р, которая необходима, чтобы поддерживать радиационно-сбалансированный режим усиления, приведена на том же рисунке сплошной тонкой линией. Если бы волокно было полубесконечной длины, то /р асимптотически бы стремилось к значению /ртт при 2 00. [c.149] Таким образом, зная изменение энергии и энтропии, для конкретных модельных систем можно рассчитать потоковые температуры и тем самым найти КПД таких радиационно-сбалансированных лазеров. Выпишем выражения для потоков энергии и энтропии (в единицу времени и проходящих через единичную площадь) излучения накачки, флуоресценции лазерного излучения. [c.150] для простоты, все входящие в эту систему уравнений переменные нормированы и имеют следующий смысл Е — амплитуда электрического поля, р — амплитуда поляризации активной среды, п — инверсия, П — параметр накачки. Скорость релаксации разности населённостей обозначена 7 , скорость релаксации поляризации — 7 . Параметр д характеризует добротность резонатора и связан с временем жизни фотона в резонаторе Тс соотношением д = 1/(2Гс). [c.154] Оптические спектры ионов редкоземельных элементов обусловлены электронными переходами в пределах незаполненных внутренних оболочек (например, (1 или /), которые экранированы от внешних воздействий электронами наружных (обычно риз) оболочек. Поэтому окружение редкоземельного иона относительно слабо сказывается на этих спектрах и спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. [c.154] Вернуться к основной статье