Трехуровневый лазер

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы Мы увидим, что в этом случае ответ будет утвердительным и можно будет соответственно говорить о трех-и четырехуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровней (рис. 1.4). В трехуровневом лазере (рис. 1.4, а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1. В четырехуровневом лазере (рис. 1.4,6) атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей. [c.16]

Эти уравнения совместно с явными выражениями для В и Тг [см. (5.13)] описывают как установившееся, так и динамическое поведение трехуровневого лазера. Заметим, что скоростные ура- [c.244]

Расчет трехуровневого лазера проводится по аналогии с четырехуровневым, но исходными теперь являются уравнения (5.24). [c.250]

Рис. 5.24. Временные зависимости полной инверсии VaN(t) и числа фотонов q t) в трехуровневом лазере. (Согласно работе [3].)

Для простоты ограничимся рассмотрением лишь активной модуляции добротности и в дальнейшем будем считать, что переключение добротности происходит мгновенно (быстрое переключение). С целью описания происходящих в лазере процессов можно снова воспользоваться уравнениями (5.18) и (5.24) соответственно для четырех- и трехуровневых лазеров. [c.296]

Вычисления для трехуровневого лазера производятся аналогичным образом, при этом исходят из уравнения (5.24). Вследствие ограничений на объем книги мы не приводим здесь этих расчетов. [c.302]

Следует заметить, что изображенное на рис. 5.24 время нарастания заметно превышает указанные значения, поскольку рис. 5.24 относится к случаю трехуровневого лазера и к ситуации, когда накачка лишь незначительно превышает пороговую. [c.304]

Получите выражения для выходной энергии и длительности импульса в трехуровневом лазере с модуляцией добротности, [c.328]

У лазера на рубине (трехуровневый лазер, % = 694,3 нм) диаметр стержня составляет 6,3 мм, а длина равна 7,5 с.м. Стержень находится в резонаторе, образованном двумя плоскими зеркалами, расположенными друг от друга на расстоянии L = 50 см и имеющими коэффициенты пропускания соответственно Га = О и Tj = 0,5. Пусть коэффициент внутренних потерь за проход составляет Ti = 10 %. Используя для Ni, п и а значения, приведен- [c.328]

Трехуровневый лазер 16. 250, 334 Триплетные уровни в красителе 389 [c.552]

Как уже отмечалось, в лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности N >N2), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности N2>Nx) требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их К ПД оказывается существенно ниже. [c.8]

Из этого равенства следует, что для трехуровневого лазера представляют интерес только вещества с относительно большим временем релаксации Т21. После достижения критического-значения мощности накачки вынужденное испускание начинает превосходить потери на поглощение и интенсивность излучения в резонаторе сильно возрастает, если при этом коэффициент усиления становится больше величины, определяемой формулой" (2.5). В резонаторе возникают высокие плотности потока фотонов /ь, вызывающие снижение инверсии населенностей. Пониженная инверсия населенностей в свою очередь влечет за собой уменьшение усиления вынужденного излучения, так что после многих проходов через резонатор устанавливается значение интенсивности, которое точно компенсирует потери на зеркалах [c.53]

Для более точного расчета значения Р до момента превышения порога генерации лазера надо учитывать изменения во временной зависимости Wp (К) и время, необходимое для достижения порога генерации. Временную зависимость усиления а К) ниже порога генерации мы найдем, например, для трехуровневого лазера из (7.12) и (7.14) [c.234]

В трехуровневом лазере переход заканчивается на основном состоянии, так что резонансное поглощение может происходить без возбуждения. Следовательно, такой лазерный переход можно исследовать как по испусканию, так и по поглощению. В четырехуровневой же схеме лазерная линия кончается на уровне, который лежит выше основного состояния и не заселен до тех пор, пока кристалл не возбужден. Следовательно, в данном случае поглощение без возбуждения невозможно. Четырехуровневый лазер можно исследовать только по спектру испускания. Схема установки для измерения люминесценции представлена на фиг. 7.10. Непрерывно действующий источник с подходящими [c.394]

Покажем теперь, что полученные на полуклассической основе соотношения для а, р, АК позволяют также вывести уравнения баланса для лазера. Они получаются в том же виде, в каком обычно вытекают из последовательных квантовых формул для скоростей изменения вероятностей переходов при однофотонных процессах. Мы воспользуемся заданными в уравнениях (3.11-21) — (3.11-23) скоростями изменения для вывода уравнений баланса простого трехуровневого лазера (фиг. 28). В со- [c.297]

Рис. 1,2. Зависимость выходной мощности трехуровневого лазера от мощности накачки

Объединяя (3.2.6) и (3.2.13) и учитывая при этом (3.2.16), приходим к полной системе балансных уравнений для трехуровневого лазера (в рамках двухуровневого упрощения) [c.290]

Для трехуровневого лазера условие генерации (3.2.45) может быть записано с учетом (3.2.38) в виде неравенства [c.298]

Торцы лазера изготавливают в виде параллельных отражающих поверхностей, которые настраивают его на желаемую моду. Лазер испускает очень интенсивный параллельный пучок света через одно частично пропускающее зеркало. Лазер, описанный выше, работает в непрерывном режиме. Во многих случаях накачка излучения производится импульсами и тогда импульсами же лазер испускает свет с частотой, меньшей частоты накачки. Ясно, что для того, чтобы прибор мог работать, необходимо должным образом подобрать скорость переходов и другие параметры. Ясно также, что имеется значительная свобода для изменения системы. Можно, например, заменить уровни Р и Pi одним, сделав тем самым трехуровневый лазер. Наиболее изученная лазерная система предста- [c.394]

На фиг. 5.5 показаны схемы энергетических уровней для трех- и четырехуровневых лазеров. Основное различие между ними — это то, что в трехуровневом лазере рабочий переход [c.142]

Возвращаясь к трехуровневому лазеру, укажем, что скоростные уравнения (5.6) или (5.7) могут быть решены с помощью аналогичной процедуры, так что могут быть выписаны выражения для оптимальной величины коэффициента связи для выхода лазера либо по основной частоте, либо по частоте ВГ. [c.149]

В гл. 1 мы показали, что процесс, который переводит атомы с уровня 1 на уровень 3 (для трехуровневого лазера см. рис. 1.4, а) или с уровня О на уровень 3 (для четырехуровневого лазера см. рис. 1.4,6), называется накачкой. Накачка осуществляется, как правило, одним из следующих двух способов оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных (например, для рубинового или неодимового) или жидкостных (например, на красителе) лазеров. Механизмы ушире-ния линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно мы имеем дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Следовательно, эти полосы поглощают заметную долю (обычно широкополосного) света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что у них спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы для накачки дают широкополосное излучение, осуществить оптическую накачку довольно трудно. Замечательным исключением, которое следует отметить, является цезиевый лазер с оптической накачкой, когда пары s возбуждаются лампой, содержащей Не при низком давлении. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку интенсивная линия излучения Не с 390 нм (достаточно узкая благодаря низкому давлению) совпадает с линиями поглощения s. Фактически этот лазер представляет интерес лишь в историческом плане, как одна из первых предложенных лазерных схем. Кроме того, его реализация на практике является весьма сложной, поскольку пары s, которые для обеспечения достаточного давления газа необходимо поддерживать при температуре 175 °С, представляют собой весьма агрессивную среду. Оптическую накачку весьма эффективно можно было бы использовать для полупроводнико- [c.108]

Исследование трехуровневого лазера проводится так же, как четырехуровневого. Обращаясь к рис. 5.2, предположим снова, что имеется лишь одна полоса поглощения накачки, и если переход 3->2 достаточно быстрый, то можно опять положить N3 0. При этом скоростные уравнения можно записать почти так же, как н в случае четырехуровневого лазера, а именно [c.244]

Чтобы вычислить оптимальную величину коэффициента пропускания, можно воспользоваться либо выражением (5.32) (четырехуровневый лазер), либо выражением (5.42) (трехуровневый лазер) и наложить условие dP2ldy2 = - Очевидно, при этом необходимо учесть, что а , Л о и 7 также являются функциями величины V2- В случае четырехуровневого лазера эта задача решается особенно просто поэтому, а также потому, что этот случай наиболее интересен с точки зрения практики, мы ограничимся рассмотрением только этого случая. Если предположить для простоты, что W p = N lNtt, то выражение (5.33) с учетом (5.31) и (5.26) можно переписать следующим образом [c.251]

Для того чтобы изучить нестационарный режим работы четырехуровневого и трехуровневого лазеров, необходимо решить соответственно уравнения (5.18) и (5.24). При этом, если заданы начальные условия, то для данной временной зависимости скорости накачки Wp(() мы находим временные зависимости g t) и N(t). Ниже будет рассмотрено несколько интересных [c.278]

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]

Е = [(y2/2)(Ni/2Np) i E (Ae/o)hv. Заметим, что при тех же значениях параметров лазера выходная энергия трехуровневого лазера вдвое меньше четырехуровиевого. Это является следствием того, что в трехуровневом лазере используется лишь 1/2 часть первоначальной инверсии населенностей (Ni), поскольку как только Ni/2 возбуждений релаксировало на нижний лазерный уровень, населенности верхнего и нижнего лазерных уровнен выравниваются и усиление обращается в нуль. Выражение для длительности импульса совпадает с аналогичным выражением для четырехуровневого лазера [см. (5.101)1. [c.545]

Рис. 2.2. Схема энергетических уровней а — трехуровневого лазера, б — четырехуровневого лазера.

Рассмотрим теперь свойства четырехуровневого лазера (рис. 2.2, б). В четырехуровневой системе устраняются некоторые недостатки, присущие трехуровневому лазеру, возникающие вследствие того, что нижний уровень лазерного перехода является основным уровнем молекулы. Как и в случае трехуровневой системы, под действием накачки система сначала возбуждается на сильно ущиренный уровень 4, с которого затем молекулы переходят на уровень 3 путем быстрых безызлу-чательных процессов релаксации. Однако лазерный переход этого уровня имеет место не на основной уровень, а на возбужденный уровень 2. С последнего затем осуществляются быстрые безызлучательные переходы на основной уровень. Поэтому времена релаксации должны удовлетворять условиям [c.54]

ДЛЯ отданной мощности и для параметров накачки, могут быть с помощью уравнений (3.12-9а), (3.12-96) и (3.12-31) однозначно связаны с атомными величинами (дипольный момент, времена релаксации, частоты переходов) и с внешними параметрами (потери в резонаторе, объем, мощность накачки). Выше это было показано в явном виде на примере трехуровневого лазера при надлежащем изменении интерпретации это оказывается возможным сделать и для четырехуровневого лазера и приводит к аналогичным уравнениям. [c.311]

Механизм возбуждения и излучения показан на примере трехуровневого лазерй, где используется синтетический рубин с примесью хрома. [c.159]

Определяемая соотношениями (3.2.38) и (3.2.39) зависимость N0 (К) представлена графически на рис. 3,10 кривая I относится к трехуровневому лазеру, а кривая 2 — к четырехуровневому. Рисунок хорошо демонстрирует возрастание параметра накачки с ростом мощности накачки (точнее, с ростом величины К = О н ). [c.297]

На предгенерационном этапе следует положить в балансных уравнениях 5 = 0 (М = 0), Тогда, рассматривая для конкретности трехуровневый лазер, получаем из (3.2.32) [c.304]

Из уравнений (5.4) и (5.6) видно, что различие между трех-и четырехуровневыми лазерными схемами сказывается лишь на скоростном уравнении для инверсной населенности. Из уравнения для трехуровневого лазера видно, что испускание одного фотона в оптическое поле, заполняющее резонатор, сопровождается уменьшением на единицу населенности верхнего уровня N2 и возрастанием на единицу N1. Соответственно разность N2—Л 1 изменяется на 2, что и объясняет появление коэффициента 2 в уравнении (5.6). Стационарные значения (по, до) получаем из уравнений (5.4) и (5.5), положив временные производные равными нулю [c.144]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...