Пороговая инверсия населенностей

Лазерный резонатор состоит из двух зеркал с коэффициентами отражения / 2 = 1 и / 1 = 0,5. Длина активной среды I = 7,5 см, а сечение перехода а = 3,5-lQ- см . Вычислите пороговую инверсию населенностей. [c.24]

Полагая в уравнении (5.246) = 0, пороговую инверсию населенностей можно записать в виде [c.250]

YAG см. рис. 3.5, б), получаем Т1р = 4,2 %, что вполне соответствует рассматриваемому типу системы накачки (см. также табл. 3.1 в гл. 3). Если известны полные потери, то можно также рассчитать пороговую инверсию населенностей. Из соотношения (5.26) находим [c.268]

Когда затвор открывается (при >0), усиление лазера значительно превосходит потери резонатора и число фотонов q(t) резко увеличивается от начального значения qi, устанавливаемого спонтанным излучением (<7, 1). В результате увеличения q t) инверсия населенностей будет уменьшаться от ее начального значения Ni. Когда N t) упадет до величины пороговой инверсии населенностей Np, то [c.285]

Для полной пороговой инверсии населенности в активной среде получим [c.58]

Если пренебречь дифракционными потерями, то А " с хорошей точностью можно записать в виде [см. выражение (7.10.14а)] к"=(1— r r2 )/(2d), так что пороговая инверсия населенностей с помощью соотношения (7.19.126) запишется следующим образом [c.549]

Метод модуляции добротности [22] позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт). Основная идея метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса. Поскольку при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности. [c.284]

Модуляция усиления, как и модуляция добротности, является методом, позволяющим генерировать лазерные импульсы короткой длительности (обычно от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд) и высокой пиковой мощности. Однако в отличие от модуляции добротности, при которой потери резко переключаются до низкого уровня, при модуляции усиления резко переключается усиление до высокого уровня. Модуляция усиления осуществляется с помощью столь короткого импульса накачки, что инверсия населенностей, а следовательно, и усиление начинают заметно превышать пороговые значения [c.303]

Критическая мощность потерь представляет собой ту добавку к введенной ранее критической мощности, которая доводит инверсию населенностей и коэффициент усиления активной среды до пороговых значений Л пор, [c.58]

Для того чтобы получить наглядные и простые выражения для пороговой энергии накачки и затем энергии излучения лазера (за импульс), примем форму импульса накачки прямоугольной. Для наиболее часто используемых колоколообразных импульсов накачки всегда можно найти эквивалентный по энергетическим характеристикам аппроксимирующий прямоугольный импульс. Кроме того, нередко и на практике применяют прямоугольные импульсы накачки. С учетом этого для описания изменения концентрации инверсии населенности рабочих уровней лазера и соответственно коэффициента усиления активной среды Кл для всего импульса накачки можно использовать выражения, полученные для случая непрерывной накачки [c.61]

Когда усиление за один проход превышает пороговую величину, насыщение среды может настолько сильно изменить распределение поля в резонаторе, что оно будет существенно отличаться от того, что мы имеем при генерации одной моды Ф . К аналогичному эффекту может привести и значительное пространственное изменение инверсии населенностей в объеме моды. В этом случае для вычисления поля в резонаторе полезно применить приближение медленноменяющейся амплитуды, рассмотренное в разд. 7.10.1. [c.552]

При этом, поскольку N0 > о, и > О, т.е порог генерации, разумеется, достигается только при инверсии населенностей рабочего перехода. Условие (1.1.27) фактически является пороговым условием для скорости (стационарной) накачки н р. Используя (1.1.7), (1.1.16), (1.1.19), получаем из (1.1.27) следующее условие возникновения генерации [c.17]

Итак, мы видим, что (в стационарном состоянии) коэффициент усиления активной среды растет с увеличением скорости накачки (за счет роста Jf) до тех пор, пока коэффициент усиления не станет равным потерям в расчете на единицу длины, после чего наступает насыщение, и коэффициент усиления перестает расти с увеличением скорости накачки. Это понятно, если принять во внимание то обстоятельство, что инверсия населенностей при этом снижается до своего порогового значения. [c.182]

Обычно при работе лазера в импульсном режиме с того момента, как излучение лампы накачки доведет инверсию до порогового значения, начинается генерация. Поэтому величина инверсии ограничивается конкуренцией двух процессов, интенсивностью накачки и генерацией. Можно было бы получить значительно большую разность населенностей, если бы генерация не возникла до тех пор, пока не будет достигнута максимальная перенаселенность, Это условие может быть выполнено при уменьшении добротности резонатора в течение действия импульса накачки до таких значений, когда пороговые условия возникновения колебаний не будут выполняться. Тогда в процессе накачки число возбужденных атомов возрастет до некоторого значения N, значительно превышающего пороговое значение. Если затем, по окончании действия накачки, произвести мгновенное уменьшение потерь резонатора, то это приведет к возникновению колебаний при зна- [c.29]

Инверсная населенность и генерация на ионизованных атомах в газовом разряде получена на переходах, принадлежащих 29 элементам. Так как для работы лазеров данного типа требуется значительная ионизация, пороговые плотности тока через разряд значительно выше, чем для лазеров на нейтральных атомах. Процесс создания инверсии обычно протекает в две ступени сначала электронным ударом вызывается ионизация, а затем уже происходит возбуждение ионов в верхнее лазерное состояние. Механизмы возбуждения на второй ступени во многом подобны механизмам, описанным в разд. 33.1. [c.698]

При малых Р14 инверсия не наблюдается. Она возникает только при рцу превышающей определенную пороговую величину (Р14), при которой 3= 2. Населенность состояния [c.66]

В случае непрерывного режима работы, когда мощность накачки превышает пороговую, инверсия населенностей No и число фотонов <7о определяются из уравнений (5.24), если в них положить N = q = 0. Точно так же, как и в случае четырехуровневого лазера, мы снова видим, что Nq = N , тогда как для до из (5.40) и (5.31) получаем следующее выражение [c.250]

Из сравнения (2.26а) с (2.3) видно, что пороговая инверсия населенности а ктивной среды три малом пОдре излучения точно совпадает со стационарной инверсной на се л ни остью среды, когда поле излучения и мощность накачки лазера могут быть большими. Это объясняется эффективным взаимодействием поля излучения с инвертирован нюй активной средой. Действительно, хотя и мощность накач1ки при развитой стационарной генерации может быть заметно выше пороговой, однако принципиально возможная большая инверсная населенность ак- [c.58]

Поскольку частота v фиксирована резонансными условиями (7.10.146) и (7.10.14в), выражение (7.19.12а) определяет расстройку частоты ге-неращ1И по отношению к частоте резонатора v . В частности, при A/V=О частота генерации v совпадает с v . С увеличением инверсии населенностей < частота v стремится уйти от резонансной частоты и принимает значения между v и l. Это явление известно как затягивание частоты. Выражение (7.19.126) устанавливает соответствие между потерями в резонаторе, представляемыми величиной А ", и инверсией населенностей . Величина A t , удовлетворяющая этому условию, называется пороговой инверсией населенностей. Если <ДЛГ> записать в виде < AN> = / ANf,,, где —так называемый параметр возбуждения, а отнести к случаю, когда Vi =p , то условия z < 1 и > 1 относятся соответственно к предпороговому или надпороговому режимам генерации. [c.549]

Создание инверсной населенности и получение оптического усиления — первый из двух существенных шагов, необходимых для работы лазера. Второй шаг — создание положительной обратной связи, чтобы превратить оптический усилитель в генератор. Это можно сделать с помощью двух зеркал, которые отражают усиленный свет в усиливающую среду. Так ие зеркала образуют оптический резонатор. Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, что приводит к особенностям в спектре излучения, генерируемого двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству усиления на проход и потерь. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери. Это условие соответствует пороговой инверсии населенности п — 1)пор- Некоторая часть генерируемого света рассеивается в активной среде в процессе распространения. Этот процесс можно описать с помощью коэффициента рассеяния Орас. аналогичного коэффициенту поглощения 021- Тогда изменение оптической мощности пучка с расстоянием [c.268]

Из приведенного выше рассмотрения эффекта УСИ становится очевидным, что порог для УСИ, строго говоря, не существует. Однако поскольку мощность Р УСИ быстро увеличивается с инверсией населенностей приблизительно как [ехр(огоЛ 20]/(о оЛ 20 см. (2.150) , то, когда пороговые условия, определяемые выражениями (2.153) и (2.153а), превзойдены, УСИ становится преобладающим механизмом релаксации для активной среды. Поэтому отсутствие истинного порога — это особенность, которая отличает УСИ от суперлюминесцснции. Другой отличительной особенностью является то, что если для суперлюминесценции длина активной среды должна быть меньше критической кооперативной длины 1с, то для УСИ такого ограничения не существует. Еще одна характерная особенность УСИ состоит в том, что телесный угол в этом случае устанавливается из геометрических соображений и, как правило, он много больше, чем для суперлюминесценции, для которой этот угол определяется дифракцией. Наконец, заметим, что преимуществом УСИ является то, что его можно использовать для получения достаточно хорошо направленного излучения в некоторых лазерах (генераторах) с высоким усилением (например, в азотных, или эксимерных лазерах), и в то же время УСИ может вызывать нежелательный эффект в лазерных усилителях с высоким усилением (например, в эксимерных лазерах, лазерах на красителях или на неодимовом стекле), поскольку оно снимает имеющуюся инверсию населенностей. [c.85]

Рассмотрим сначала пороговое условие генерации лазера. Предположим, что в момент времени = 0 в резонаторе вследствие спонтанного испускания присутствует некоторое небольшое число фотонов Qi. При этом из уравнения (5.186) следует, что для того, чтобы величина q была положительной, должно выполняться условие VaBN > 1 /тс. Следовательно, генерация возникает в том случае, когда инверсия населенностей N достигнет некоторого критического значения N , определяемого выражением [c.246]

Если же Wp > W p, то как следует из (5.29), до линейно возрастает с ростом Wp, в то время как инверсия населенностей No остается постоянной и равной критической. Иными словами, когда скорость накачки выше критической, в резонаторе лазера увеличивается число фотонов (т. е. увеличивается электромагнитная энергия в резонаторе), а не инверсия населенностей (т. е. энергия, запасенная в активной среде). Это поясняется на рис. 5.3, на котором представлены зависимости величин N и q от скорости накачки Wp. Заметим, что при накачке ниже пороговой 9 = 0, и из уравнения (5.18а) получаем N = [Wpx/ - -- -Wpx)]Ni. Но поскольку обычно выполняется условие No = = N < Ni, из формулы (5.27) мы находим, что Wept 1, т. е. Wpi <С 1 и увеличивается с Wp практически линейно. В качестве второго замечания укажем, что с учетом формул (5.27) и (5.29а) выражение (5.296) можно записать в эквивалентном [c.247]

В качестве характерного примера на рис. 5.24 приведены зависимости М(t) и q t), полученные путем численного расчета для трехуровневого лазера, такого, как рубиновый лазер. При расчетах использовались следующие начальные условия Л/(0) = = —Nt и 9(0) =qt, где —некоторое небольшое число фотонов, необходимое лишь для того, чтобы возникла генерация. Следует заметить, что зависимость, аналогичную показанной на этом рисунке, будет также проявлять и четырехуровневый лазер, такой, как Nd YAG, за исключением того, что в данном случае (0) =0. Таким образом, если на рис. 5.24 начало временной оси совместить с точкой t = 2 мкс, то кривые на этом рисунке будут также представлять и четырехуровневый лазер. Укажем теперь на некоторые особенности кривых, представленных на рис. 5.24 1) число фотонов q t) в резонаторе описывается регулярной последовательностью уменьшающихся по амплитуде пиков (пичков) с временным интервалом между ними, равным нескольким микросекундам выходное излучение будет вести себя аналогичным образом такую генерацию обычно называют режимом регулярных пичков 2) инверсия населенностей N t) осциллирует относительно стационарного значения No, 3) в соответствии с выражениями (5.29а) и (5.296) для четырехуровневого лазера или (5.38) и (5.41) для трехуровневого лазера как N t), так q t) и конечном счете достигают своих стационарных значений. Осциллирующий характер кривых N t) и q t) объясняется тем, что, после того как изменилась инверсия населенностей, число фотонов изменяется не сразу, а с некоторой задержкой. Таким образом, когда N t) проходит впервые через значение Nq (на рисунке это соответствует 4 мкс), достигается пороговое условие и лазер может начать генерировать. При этом в течение некоторого времени [c.279]

Происходящие при этом физические явления можно относительно просто описать, обращаясь к случаю пичковой генерации, представленной на рис. 5.24. Если предположить, что скорость накачки Wp = Wp t) имеет форму прямоугольного импульса, начинающегося при / = 0 и заканчивающегося при / = = 5 МКС, то излучение будет состоять лишь из первого пичка в изображенной на рисунке зависимости q(t), который возникает в момент времени около t = 5 мкс. Действительно, после генерации этого пичка инверсия будет уменьшена световым импульсом до уровня, который существенно ниже порогового и который не будет затем возрастать, поскольку накачка уже отсутствует. Таким образом, мы видим, что модуляция усиления по своему характеру аналогична пичковой генерации в лазере, рассмотренной в разд. 5.4.1. Заметим, что на практике временная зависимость накачки имеет вид колоколообразного импульса, а непрямоугольного. В этом случае мы будем считать, что максимум светового пичка соответствует спаду импульса накачки. Действительно, если бы максимум совпадал, например, с максимумом импульса накачки, то после генерации пичка оставалось бы достаточно энергии накачки, чтобы инверсия могла снова вырасти до значения выше порогового и, таким образом, в лазерной генерации появился бы второй пичок, хотя и меньшей интенсивности. Напротив, если бы число фотонов достигало максимума значительно позже на хвосте импульса накачки, то это означало бы, что накачка не была достаточно продолжительной, чтобы инверсия населенностей выросла до приемлемо высокого уровня. Из вышесказанного можно заключить, что для данного значения максимальной скорости накачки существует некоторая оптимальная длительность импульса. Если это максимальное значение увеличивается, то число фотонов нарастает быстрее и тогда необходимо уменьшить длительность импульса накачки. Можно также показать, что при увеличении максимальной скорости накачки возрастает максимальная инверсия и генерируется более короткий и интенсивный импульс. Для четырехуровневых лазеров типичные значения времени нарастания интенсивности лазерного излучения до своего пикового значения в зависимости от максимального значения скорости накачки могут составлять 5 Тс —20 Тс, где Тс время жизни фотона в резонаторе [c.304]

Началом генерации является спонтанное излучение ионов с ме-тастабильного уровня, которое усиливается, проходя активную среду, и затем с помощью зеркал вновь в нее возвращается, снова усиливается и т. д. Если усиление света превосходит его суммарное ослабление за счет поглощения в среде и потерь на частичное пропускание выходного зеркала, то возникает генерация и лазер начинает излучать наружу свет. Очевидно, что мощность излучаемого света тем выше, чем выше мощность света накачки и чем меньше потери света внутри резонатора. Существует так называемая пороговая мощность накачки, при которой усиление света сравнивается с суммарными потерями, и при малейшем увеличении этой мощности может возникнуть генерация. Необходимо напомнить, что для того, чтобы усиление света всегда превосходило потери, нижний рабочий уровень 2 должен быстро опустошаться, т. е. его время жизни должно быть гораздо меньше, чем время жизни ме-тастабильного уровня. В противном случае начнется накопление ионов неодима на уровне 2 и возрастет поглощение света с этого уровня наверх. Кроме того, время жизни ионов на уровнях накачки также должно быть малым. В противном случае ионы начнут накапливаться на уровнях накачки и инверсия населенности среды (а значит, и коэффициент усиления света) —начнет падать. [c.7]

Пороговая мощность накачки непрерывного лазера. Пороговая мощность накачки, как уже отмечалось, обеспечивает равенство усиления и потерь света в лазере при круговом обходе резонатора (такое состояние называется порогом генерации лазера). Из этого условия легко найти выражение для пороговой мощности накачки. Для этого можно воспользоваться уравнением генерации одномодового лазера (2.1а), из которого определяется пороговая концентрация инверсной населенности активной среды Л пор и затем пороговая мощность накачки. Действительно, первый член уравнения в левой части (—wjx ) описывает затухание поля за счет потерь в резонаторе, а второй член D ni)Vg,wNусиление поля в активной среде с инверсией населенности ионов неодима, равной N. При некоторой пороговой инверсии Л пор оба члена сравниваются по абсолютной величине, производная dwjdt обращается в нуль и дальнейшее, даже малое повышение инверсии, обусловливая положительную производную энергии поля во времени, приводит к генерации света в лазере, т. е. пороговое значение концентрации инверсии населенности находится из (2.1а) при равенстве нулю производной dwjdt. [c.58]

С помош,ью модулятора добротности длительность импульса излучения можно уменьшить до десятков наносекунд. Это устройство представляет собой быстродействуюш,ий оптический затвор, помеш,аемый внутри резонатора лазера. Во время оптической накачки модулятор остается закрытым и не позволяет лазеру генерировать излучение до тех пор, пока инверсия населенностей не достигнет уровня выше порогового. Когда модулятор открывается, накопленная энергия мгновенно реализуется в виде очень короткого импульса света. Пиковая мош,ность импульса излучения в таком режиме на много порядков величины превышает мош,ность импульсов излучения от генераторов, работаюш,их в обычном режиме. [c.276]

Принцип работы лазера в режиме ГИ состоит в том, что благодаря соответствующему устройству (Q-y тpoй твy) можно изменять добротность резонатора в процессе дей-стия импульса накачки. Процесс генерации лазера с Q устройством следующий. В начале действия импульса накачки добротность резонатора низкая. Поэтому порог генерации, а следовательно, и пороговая ннверсность населенности большие. Это означает, что на метастабильном уровне, например у рубина на уровне , или у неодима на уровне / 3/3, накапливается частиц значительно больше при той же накачке, чем в случае добротного резонатора. Получив таким образом максимальную инверсию для низкой добротности резонатора, осуществим мгновенное включение Q-y тpoй твa, обеспечив высокую добротность резонатора. В результате возникает существенное превышение усиления в лазере над потерями и излучается короткий и мощный импульс света. Схематически картина образования ГИ показана на рис. 19.1. Естественно, ско- [c.175]

О), создавая тем самым условия для начала генерации. Усиление за проход системы теперь заметно превышает пороговое значение, в результате чего происходит быстрое нарастание генерации лазерного излучения, преобразующей энергию инверсии населенностей в энергию электромагнитного излучения. При [c.185]

Многие особенности динамики режима свободной генерации можно проследить с помощью уравнений баланса (с.м. 2.3), вид которых можно дополнительно упростить при переходе к безразмерны.м параметрам т=//т2 — время (та — время жизни верхнего уровня), ы =В21Тгы/ (о — плотность энергии, Ы —Ы/Ып—ВпХр /Ьа) —инверсия — пороговое значение инверсной населенности, Тр= [c.198]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...