Лазер четырехуровневый

Сформулируем основные требования, предъявляемые к активатору. Ионы активатора должны обладать системой энергетических уровней, обеспечивающих работу лазера по четырехуровневой схеме (см. рис. 33, б). Конечный уровень лазерного перехода (уровень 2 на рис. 33, б или уровень 1ц/12 на рис. 34) должен быть расположен выше основного уровня (уровня 1 [c.65]

Дальнейшее увеличение интенсивности накачки уже не сможет изменить создавшегося положения, так как в случае равенства iVj = произведение B Uy,N будет равно Во и М , при любом значении и . Отсюда следует, что в такого рода двухуровневой системе под действием световой накачки получить инверсию невозможно. Для осуществления инверсии необходимо иметь по крайней мере три уровня. В твердотельных лазерах используются вещества, работающие как по трех-, так и по четырехуровневой схеме. К первым относятся лазеры на рубинах, ко вторым — лазеры, в которых в качестве рабочего тела используются стекла с примесью неодима. [c.20]

Перейдем к рассмотрению твердотельных лазеров, работающих по четырехуровневой схеме. Типичным представителем этой группы лазеров является лазер на стекле, активированном неодимом. [c.25]

Как указывалось, наиболее распространенным твердотельным лазером, работающим по четырехуровневой схеме, является лазер на стекле. В этом лазере матрицей могут быть различные марки стекол, рабочими же атомами — атомы введенной в него примеси — неодима, придающего стеклу сиреневую окраску. Активное вещество вводится при варке стекла с концентрацией ионов неодима около см З. [c.27]

На рис. 20 приведена идеальная четырехуровневая схема, характерная для большинства лазеров непрерывного действия. [c.36]

Так как нижний рабочий уровень не является основным, то инверсия определяется относительной заселенностью уровней /, 2 и в отличие от трехуровневой системы для ее получения не требуется высокая абсолютная заселенность верхнего уровня. Это обстоятельство позволяет получать инверсную заселенность в среде при значительно меньших мощностях накачки. Примером активной частицы лазера с четырехуровневой системой возбуждения могут служить молекулы СО2, СО в газовых лазерах, ионы неодима в твердотельных системах и др. [c.33]

Рис. 1.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера.

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]

Когда В таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня [c.17]

Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для получения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще ), зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 1.4) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана [см., например, формулу (1.8)] почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии. Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как Nt, то в случае трехуровневой системы эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень [c.17]

Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов Nt, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов. Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, разумеется, использование н большего числа энергетических уровней. [c.17]

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уров-Чя 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня б на уровень 3 (в четырехуровневой схеме), называется накачкой. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную [c.17]

Лазер иа Nd YAG (Х=1,06 мкм) действует по четырехуровневой схеме. Сечение перехода в максимуме линии составляет 0р = 3,5-1О- см , а время жизни Т = 0,23 мс. Вычислите интенсивность насыщения усиления. [c.105]

Прежде всего рассмотрим лазер, работающий по четырехуровневой схеме и имеющий для простоты лишь одну полосу поглощения накачки (полоса 3 на рис. 5.1). Впрочем, последующий анализ останется без изменения, даже если мы будем иметь дело с более чем одной полосой (или уровнем) поглощения накачки, при условии, что релаксация из этих полос на верхний лазерный уровень 2 происходит очень быстро. Обозначим [c.237]

Прежде чем приступить к подробному рассмотрению непрерывного режима работы лазера, следует вывести условие, выполнение которого необходимо для того, чтобы в четырехуровневом лазере могла быть получена непрерывная генерация. С этой целью заметим, что в отсутствие генерации стационарная населенность уровня 1 должна определяться уравнением, которое выражает не что иное, как условие равновесия населенностей, приходящих на уровень 1 и уходящих с него Ni/xi = = N2/121, где %2 — время жизни перехода 2->-1. Для осуществления генерации необходимо, чтобы удовлетворялось неравенство N2 > N. Согласно предыдущему выражению, это означает, что [c.245]

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

Поскольку СОг-лазер действует по четырехуровневой схеме, можно сравнить выражения (5.62) и (5.33). Для этого должно быть известно пропускание Гг выходного зеркала. В приближении геометрической оптики получаем [см. (4,147)] [c.270]

Рассмотрим сначала импульсный четырехуровневый лазер (рис. 5.32) и предположим, что при t < О потери столь велики, что лазер находится в условиях ниже пороговых (т. е. <7 = 0 при <0). Если модуляция добротности происходит в момент времени, когда N t) достигает максимального значения, то соответствующую начальную инверсию можно получить из урав- [c.296]

Минимальная длительность импульсов синхронно-накачиваемых лазеров. Процесс генерации в растворах красителей хорошо описывается четырехуровневой моделью активной среды (рис. 6.9)[20]. Квант накачки [c.250]

Неодимовые лазеры — это лазеры, в которых активным элементом является либо кристалл Y3AI5O12 (обычно называемый YAG), где часть ионов иттрия Y + замещена ионами неодима Nd +, либо оптическое стекло, активированное ионами неодима. Упрощенная схема энергетических уровней неодима в кристаллах иттрий-алюми-ниевого граната приведена на рис. 35.14. В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. До возбуждения подавляющее число частиц находится на исходном уровне Накачка осуществляет- [c.287]

Неорганические жидкостные лазеры. Активные среды неорганических жидкостных лазеров представляют собой растворы соединений TR +-hohob в неорганических растворителях сложного состава. Лазерный эффект достигнут пока только для ионов Nd + (табл. 34.8). Генерация идет по четырехуровневой схеме на переходе / 3/2— - Ai/2 с поглощением света накачки собственными полосами поглощения Nd +. Неорганические жидкостные лазеры могут работать с циркуляцией рабочего гещества, дают высокие значения выходной мощности. Эти лазеры работают как в режиме свободной генерации, так и с модуляцией добротности. [c.948]

В 1961 г. Е. Снитцером в качестве рабочего тела лазера с оптической накачкой был предложен ион неодима, помещенный в матрицу из стекла. Схема основных лазерных уровней иона неодима приведена на рис. 5.5. В отличие от рубинового лазер не неодиме работает по четырехуровневой схеме. Излучение лампы накачки активно поглощается целой системой полос, лежащих в диапазоне длин волн от 900 до 350 нм с временем жизни 10 "...10 с. В результате эффективных безызлучательных переходов возбуждение с этих уровней передается на метастабильный уровень " 3/2 > время жизни которого в случае стеклянной матрицы лежит в диапазоне 10 ". ..10 с в зависимости от концентрации неодима и марки стекла. Наиболее интенсивная линия люминесценции соответствует переходу на уровень V,, 2 с Х = 1,06 мкм. Ширина этой линии составляет 20...40 нм. Нижний лазерный уровень /и/г поднят над основным на 2,2-10 см . Из-за малого времени жизни этого уровня относительно безызлучательных переходов (10. ..10 ) и его низкой равновесной заселенности инверсия в данной схеме возникает при сравнительно низких уровнях возбуждения 1 Дж/см и таким образом, четырехуровневая схема ионов позволяет устранить один из наиболее серьезных недостатков рубиновых %/г м " ti,S-to n- лазеров. [c.177]

Теперь становится понятным, почему сечения сгл и сги определяются выражениями соответственно (2.163а) и (2.1636). Когда N > N2 (что обычно имеет место при измерениях поглощения на оптических переходах), выражение (2.165) принимает простой вид а = а Ыи И наоборот, когда N2 N (как в случае четырехуровневого лазера), простой вид принимает выражение (2.166), а именно g = а2 2. [c.87]

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]

Если получены явные выражения для В и Тс и можно считать, что рассмотренные выше приближения справедливы, то уравнения (5.1) описывают как установившиеся, так и динамическое поведение четырехуровневого лазера. Следует заметить, что уравнения принято записывать не через населенность верхнего уровня N2, а через инверсию населенностей [c.243]

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]

Эти уравнения описывают непрерывный режим работы четырехуровневого лазера. Рассмотрим их более подробно. Прежде всего следует заметить, что уравнение (5.29а) показывает, что равенство No = N выполняется даже при Wp > [c.247]

Это выражение совпадает с тем, что было получено в случае четырехуровневого лазера. При этом критическая скорость накачки, вычисляемая из уравнения (5.24а) при подстановке в него N = О, q = О и N = N , запишется в виде [c.250]

Заметим, что на практике выполняется условие N < Nt (как для трехуровневого, так и для четырехуровневого лазера). В этом случае выражение (5.39) принимает вид [c.250]

Сравнивая это выражение с (5.27), мы видим, что при одном и том же значении т в случае четырехуровневого лазера критическая скорость накачки в N /Nt раз меньше, чем в трехуровневом. Это является основным преимуществом четырехуровневой схемы. [c.250]

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]

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]

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]

Прежде чем обсуждать то, что было достигнуто в этом диапазоне длин волн, укажем на те трудности, которые необходимо преодолеть для получения генерации в рентгеновском лазере. Обращаясь к основным принципам, заметим, что в соответствии с формулами (5,35) и (2.146) пороговая мощность накачки четырехуровневого лазера в единичном объеме дается выражением [c.434]

Здесь мы зададимся целью развить теорию скоростных уравнений с учетом того, что как скорость накачки, так и поле в резонаторе зависят от пространственной переменкой. Благодаря наличию этих пространственных зависимостей следует ожидать, что инверсия населенностей будет также зависеть от пространственных координат. Таким образом, для четырехуровневого лазера можно написать следующие уравнения [c.532]

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]

Рассмотрим теперь четырехуровневую систему (рис. 1,8). Она встречается при описании режима генеращш очень многих типов лазеров атомарных и молекулярных газовых лазеров, твердотельных лазеров на оксидных и металлогаллоидных соединениях, активированных редкоземельными элементами, и существенно отличается от трехуровневой схемы. Уравнения баланса для заселенностей уровней четырехуровневой системы твердотельного лазера, по которой работает, на- пример, лазер на стекле, активированном неодимом [c.21]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...