Усиление при неоднородном уширении линии

Специфика рассмотрения насыщения усиления при неоднородном уширении линии перехода. Коэффициент усиления для активного центра, вносящего вклад вблизи частоты со, может быть представлен в соответствии с (2.1.1) в виде [c.226]

При неоднородном уширении линии перехода каждая мода получает энергию от тех атомов, центральные частоты которых совпадают с ее частотой. Поэтому эффекты насыщения приводят к образованию в контуре усиления провалов на частотах соответствующих мод резонатора. Это способствует многомодовой генерации, так как становится возможным почти независимое усиление мод, отстоящих друг от друга по частоте больше чем на ширину линии отдельного атома. [c.448]

Рис. 109. Насыщение усиления активной среды (1—к°(т) 2—к )) а—при однородном уширении линии, б — при наличии неоднородного уширения

Для того чтобы при измерении ширины линии, которая согласуется с теоретическим значением допплеровской ширины, ненасыщенное усиление было мало, желательно иметь трубку с малым усилением. Поскольку же усиление и диаметр трубки в газовых лазерах, которым присущ ограничивающий эффект амбиполярной диффузии, связаны по меньшей мере обратным соотношением, то наиболее простое решение — взять такой же усилитель, но с большим диаметром трубки ( l см). Тогда (в случае неоднородно уширенной линии) измеренная ширина линии будет совпадать с теоретической допплеровской шириной при условии, что правильно выбрано значение средней атомной температуры [34. [c.400]

Насыщение усиления при однородном и неоднородном уширении линий эффект выгорания дыр . Ранее отмечалось ), что по мере возрастания плотности светового потока, распространяющегося в инвертированной активной среде, происходит постепенное уменьшение коэффициента усиления X от его начального значения Хд до значения [c.224]

Рисунки 2.80 и 2.81 хорошо иллюстрируют качественное различие между случаями неоднородного и однородного уширения. В случае неоднородного уширения при генерации одной моды используется лишь часть энергии, запасенной в инвертированной активной среде поэтому интенсивность генерируемой моды для неоднородно уширенной линии перехода заметно меньше, чем для однородно уширенной. Кроме того, следует помнить, что при однородном уширении эффект насыщения усиления препятствует возбуждению дополнительных продольных мод. [c.226]

В случае неоднородно уширенной линии перехода работают лишь те активные центры, которым соответствуют частоты, отстоящие от соо не далее чем на Д (не далее чем на полуширину однородно уширенной линии). Доля таких активных центров составляет примерно Д/Дп, де До — полуширина неоднородно уширенной линии. Следовательно, усиление на неоднородно уширенном переходе должно быть в До/Д раз меньше, чем при однородном уширении. Это означает, что вместо (2.12.17) надо теперь использовать [c.230]

Величина коэффициента усиления при стационарной генерации устанавливается вследствие явления насыщения усиления. Выше мы видели ( 3), что оно носит разный характер при однородном и неоднородном уширении спектральной линии рабочего перехода, вследствие чего спектральные свойства генерации оказываются различными, см. рис. 111. Здесь взят наиболее типичный случай, когда ширина атомной линии значительно превышает расстояние между соседними продольными модами резонатора. Для простоты предположено, что в ОКГ выделена одна поперечная мода. В случае однородного уширения (а) стационарная генерация осуществляется только на той продольной моде, которая ближе всего расположена к центру атомной линии vq. На других модах генерация не возникает, так как коэффициент усиления оказывается ниже уровня потерь. Если имеется неоднородное уши-рение (б), то генерация происходит на всех продольных модах, для которых К° ) Кп- [c.292]

Таким образом, можно сделать вывод, что лазер всегда имеет тенденцию работать в многомодовом режиме. Прп однородном уширении линии усиления это является следствием пространственного выжигания дырок, а в случае чисто неоднородной линии — следствием только спектрального выжигания дырок, поскольку моды взаимодействуют с различными наборами атомов и механизм пространственного выжигания дырок не играет никакой роли. Следует, однако, заметить, что в случае однородной линии при генерации нескольких мод с частотами вблизи центра линии усиления явление пространственного выжигания дырок усредняется наличием указанных мод. В этих условиях однородный характер линии не позволяет генерировать модам, находящимся дальше от центра линии усиления. Поэтому в случае однородной линии (по сравнению с неоднородной) допустима генерация для меньшего числа мод, находящихся вблизи максимума контура усиления. [c.257]

Как мы уже отмечали, основные переходы иона Nd + —это переходы, совершаемые тремя электронами, принадлежащими оболочке 4/. Эти электроны экранируются восемью внешними 5s-и 5р-электронами, Соответственно уровни энергии в стекле с неодимом в основном располагаются так же, как и в кристалле Nd YAG. Поэтому и наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны % ж 1,06 мкм, Однако в стекле из-за неоднородного уширения, обусловленного локальными неоднородностями кристаллического поля стеклянной матрицы, линии лазерных переходов намного шире. В частности, основной лазерный переход с Х=1,06 мкм примерно в 30 раз шире, поэтому максимальное сечение перехода приблизительно в 30 раз меньше, чем в кристалле Nd YAG. Разумеется, более широкая линия благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, в то время как меньшее сечение необходимо для импульсных высокоэнергетических систем, поскольку пороговая инверсия для паразитного процесса УСИ (усиление спонтанного излучения) [см. (2.153)] соответственно увеличивается. Таким образом, по сравнению с Nd YAG в стекле с неодимом до включения УСИ может быть запасено в единичном объеме больше энергии. Наконец, поскольку полосы поглощения в стекле с неодимом также много шире, чем в кристалле Nd YAG, а концентрации ионов Nd + обычно вдвое больше, эффективность накачки стержня из стекла с неодимом приблизительно в 1,6 раза больше, чем в стержне из Nd YAG тех же размеров (см. табл. 3.1). Однако наравне с этими преимуществами стекла с неодимом по сравнению с кристаллом Nd YAG стекло обладает весьма серьезным ограничением, связанным с его низкой теплопроводностью, которая приблизительно в десять раз меньше, чем в Nd YAG. Это существенно ограничивает применения лазеров на стекле с неодимом импульсными системами при небольшой частоте повторения импульсов (с 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом стержня. [c.338]

Сравнивая выражение для усиления слабого сигнала (2.44) с выражениями (2.46) и (2.48) для неоднородной линии, мы видим, что они подобны, т. е. слабые сигналы усиливаются экспоненциально независимо от характера уширения и формы линии люминесценции среды. Разница заключается только в том, что энергия насыщения, входящая в эти формулы в качестве параметра, увеличивается при переходе от однородно уширенной среды к неоднородно уширенной изменяется, следовательно, критерий малости сигнала. [c.79]

При неоднородно уширенной линии атомы, участвуюидие в поглощении и усилении, действуют независимо. В большинстве газовых лазеров линия представляет собой неоднородно уширенную допплеровскую линию. [c.238]

Причем обозначения здесь те же, что и раньше. Применение соотношения (5.54) можно обосновать следуюш,им образом. Если лазер работает при значительном превышении порога, то усиление в неоднородно уширенной линии уменьшается за счет нелинейности, проявляюш,ейся в образовании провалов, до такого значения, при котором как раз компенсируются потери в резонаторе [18]. Если же лазер работает точно на пороге, то усиление в точности равно потерям и заметного образования провала не наблюдается. Следовательно, мы получаем точную величину максимального усиления слабого сигнала. [c.242]

При неоднородном уширении линии Хц (со) в рабочих переходах будут участвовать лишь те активные центры, которые вносят вклад в пределах частотного интервала вблизи о, отвечающего центральной продольной моде. В результате будет происходить селективное (избирательное) снятие инверсии активной среды в пределах указанного частотного интервала в этом случае на профиле кривой, описывающей частотную зависимость коэффициента усиления, появится провал (как говорят, выгорит дыра ). Сказанное поясняет рис. 2.80, а, на котором штриховой линией показана неоднородно уширенная линия Хд (со), а непрерывной кривой — линия Кнас ( ) Согласно (2.12.3) [c.225]

Второй механизм, через который вариации температуры вызывают изменение характеристик лазерного излучения, состоит в температурной зависимости спектроскопических параметров активных сред. При повышении температуры изменяется взаимодействие иона активатора с решеткой, что влечет за собой деформацию контуров линий поглощения и люминесценции (сдвиг их по частоте, уменьшение степени неоднородности уширения линии и поперечного сечения вынужденных переходов), а также изменение населенности рабочих уровней активатора. Для неодимсодержащих сред эти эффекты уменьшают коэффициент усиления в активном элементе (см. п. 2.3), а вместе с ним — и КПД лазера. [c.6]

Лазеры с неоднородно уши енной линией при достаточно большой накачке генерирует большое число продольных мод. В отсутствие модулирующего сигнала фазы мод распределены по законам статистики. Синхронизация мод достигается относительно просто, так как для нее достаточно возникновения слабого сигнала на боковой частоте. Этот сигнал служит затравочным для соседней моды и последовательно усиливается. Впервые активную синхронизацию мод Не—Ые-лазера % = = 0,633 мкм) с помощью акустооптического модулятора потерь экспериментально осуществили Харрис и Тарг [4.1]. Они получили периодическую последовательность импульсов длительностью около 2,5 НС. Детальный расчет активной синхронизации мод лазеров с неоднородно уширенной линией усиления был сделан Харрисом и Макдафом [4.2]. Основываясь на спектральном описании, они решили систему уравнений, учитывающую взаимодействие между модами, в предположении что накачка отдельных мод осуществляется независимо. [c.136]

Неоднородность уширения линии усиления неодимового стекла В1ЮСИТ существенные изменения в динамику развития спектра генерации при значительном превышении порога. Происходит значительное его уширение, что связано с деформацией профиля линии усиления, проявляющейся в образовании провалов. В результате, как это иллюстрируется на рис. 5.15, порог генерации достигается и на других частотах, а на центральной срывается, т. е. образуется своеобразная вилка [77]. Далее процесс раз.множения частот происходит по этой же схеме до момента, когда кросс-релаксация перекачает энергию в область центральной частоты, на которой снова начнется генерация (рис. 5.15), спектр которой снова начнет [c.229]

Посмотрим, что произойдет, если увеличивать отношение /Г (см. рис. 9.2, где показана зависимость интенсивности прошедшего света от интенсивности падающего). Как мы видим, наклон кривой может стать больше единицы, иными словами, дифференциальное усиление сИ2-/сП может быть больше единицы. Если при этом медленно модулировать интенсивность падающего света, то на интенсивность прошедшего модуляция будет передана в соответствии с нелинейным соотношением /7- = /7- (/ ) и окажется усиленной. Таким образом, система действует как оптический транзистор. Если увеличивать отношение аЫТ еще сильнее, то кривая /7 = /7 (/ ), отвечающая стационарным условиям, становится 5-об-разной. В то время как участки с положительным наклоном являются устойчивыми, участок с отрицательным наклоном неустойчив. Таким образом, имеется определенный интервал значений / , в котором система бистабильна. Если медленно увеличивать мощность падающего света от нуля до величины, лежащей за областью бистабильности, а затем изменять ее в обратном направлении, то мы получим петлю гистерезиса, содержащую ветви с низким и высоким пропусканием. Такое бистабильное поведение системы обусловлено как нелинейностью взаимодействия атом — поле, так и обратной связью, создаваемой зеркалами оно и составит предмет нашего дальнейшего изучения. Пороговое значение аЫТ, при котором возникает бистабильность, зависит от ряда параметров отстройки резонатора (относительно частоты поля), отстройки атома, неоднородного уширения линии и т. Д. Когда поле падающего света находится в точном резонансе с атомной линией, дисперсия не проявляется и можно говорить о чисто абсорбционной биста- [c.232]

Результаты [71 заключаются в том, что как для однородно, так и для неоднородно уширенной линии распределение амплитуды поля по зеркалу, дифракционные иотери и набег фазы при одном проходе существенно не меняются под действием насы щения Распределение фазы на зеркалах изменяетси незначительно Таким образом, для генерагоров с малым усилением все предыдущие результаты вычислений, относящихся к случаю пассивных резонаторов (содержащих лииейную среду), остаются в силе [c.203]

Для неоднородного уширения выражение (6.21), как и (6.15), справедливо только при малой спектральной плотности излучения на частоте атомного перехода, когда оно не может существенно изменить распределение атомор по частотам. Учитывая нормировку функции 5(т—То), из (6.21) можно получить, что коэффициент усиления на центральной частоте й(то) обратно пропорционален ширине спектральной линии. [c.288]

Из теории лазеров с многомодовыми резонаторами следует, что в идеальном случае однородно уширенной линии при скоростях накачки, значительно (примерно на 50%) превышающих пороговую, большая часть излучаемой мош,ности сконцентрирована в одной или в крайнем случае в нескольких модах (в тех, у которых наибольшая добротность и частота которых расположена вблизи центра линии, где усиление максимально). С многомодовым режимом работы мы почти всегда имеем дело в твердотельных лазерах. Это обусловлено разными причинами. Во-первых, большинство лазерных переходов уширено либо неоднородно, либо смешанно (однородно и неоднородно). При однородном уширении усиление уменьшается одинаково по всей линии. При неоднородном же уширении усиление уменьшается только в непосредственной близости от частоты генерации и лишь совсем незначительно на остальных частотах. Это явление известно под названием образование провалов . [c.75]

Насьвдение усиления, которое в лазерах с неоднородно уширенными переходами приводит к образованию провалов, когда мощность ограничена областью частот, малой по сравнению с неоднородной шириной линии [45], исследовалось экспериментально для линии 3,392 мк в гелий-неоновом лазере [46]. Было установлено, что для неона переход 3 2 — З/74 соответствует длине волны X = 3,392 мк и что этот переход начинается с того же самого верхнего уровня, что и переход с X = 6330 А. Наблюдавшееся усиление (50 дб/м) было приблизительно в 65 раз больше соответствующего усиления на переходе с X = 6330 А. Большее усиление объясняется тем, что при X = 3,392 мк допплеровская ширина линии в 5,4 раза уже, инверсия заселенности в 2,5— 3 раза больше и сила осциллятора в 4—5 раз больше, чем для перехода на длине волны X = 6330 А. [c.263]

Спектральная линия, соответствующая переходу между рабочими уровнями атомов активной среды, имеет конечную ширину. Возможные причины уширения были рассмотрены в 1.8. Помимо "радиационного затухания вклад в ширину линии дают столкновения и тепловре движение атомов (в газовой среде), а также возмущение энергетических уровней атомов под влиянием окружения (полей заряженных частиц в газовом разряде, кристаллических полей в твердых телах и т. п.). При однородном уширении контур спектральной линии / (ш) с хорошей точностью описывается лоренцевской функцией, при неоднородном — гауссовой. Ширина линии Дш много меньше частоты шо, соответствующей центру линии, поэтому спектральная зависимость коэффициента усиления а(ш) (9.37) повторяет ход функции формы линии Р ы). [c.447]

Спектр генерации при отсутствии селектирующих элементов. Даже в отсутствие селектирующих элементов в резонаторе спектр генерируемого излучения обужается по сравнению со спектром полосы люминесценции. Это связано с многопроходовым характером генерации, который приводит к усилению неравенства интенсивностей отдельных мод, определяемым контуром полосы усиления и процессами миграции энергии внутри этого контура. Наиболее просто анализ спектральных особенностей генерации проводится для однородно уширенной линии усиления (или эквивалентной ей неоднородной линии с временем кросс-релаксации, меньшим длительности генерируемого импульса). Для определенности будем считать, что линия усиления имеет лоренцев контур (см. гл. 2) с шириной Avл. [c.227]

Система уравнений (4.2)—(4.6) может быть использована для анализа многомодового режима как при пассивной модуляции добротности, так и при свободной генерации. Для этого следует лишь отбросить уравнение (4.5) и последний член в уравнении (4.6). Ниже будут изложены результаты численного исследования системы уравнений, аналогичной системе (4.4)—(4.6), но несколько упрощенной вследствие использования предположения о том, что внутри резонатора могут существовать только продольные моды (поперечный индекс опущен) и неоднородность продольного распределения плотности мод в резонаторе не учитывается ( F и приняты равными единице). Поскольку контур линий усиления в активной среде чаще всего может быть аппроксимирован лорен-цовской (однородное уширение — рубин, гранат и другие кристаллы) или гауссовской (стекла) зависимостью, имеющей максимум в центре линии усиления, а спектральные кривые поглощения фототропных веществ — некоторой линейной зависимостью с углом наклона, различающимся для разных красителей и рас- [c.180]

Можно предположить, что при пикосекундных временах тер-мализации [169] уширение будет однородным, и уже тогда искать какие-нибудь подходящие объяснения. Объяснение причины многомодовой генерации для этого случая было основано на рассмотрении распределения носителей по оси резонатора, возникающего вследствие образования стоячей волны модами генерации [170—172]. Одна продольная мода дает стоячую волну в направлении оси резонатора. В пучностях волны вынужденное излучение будет быстрее выедать носители, чем в узлах, где интенсивность излучения минимальна. Этот эффект приведет к неоднородному распределению носителей, вследствие чего начнется генерация на другой продольной моде, у которой картина стоячей волны отлична от первой. Диффузия носителей вдоль оси резонатора будет стремиться к устранению неоднородности распределения носителей. Стрейфер и др. [172] рассчитали ширину линии усиления из работы Дэньелмейера [171] и предположили, что быстрая диффузия электронов препятствует возникновению многомодовой генерации, В слабо легированную активную область для поддержания электронейтральности инжектируются почти одинаковые количества электронов и дырок, и в этом случае на пространственное распределение будут влиять более медленно диффундирующие дырки. Однако в активной области, легированной до концентраций ро л 5-10 см , по существу будет наблюдаться только электронная инжекция. На стимулированное излучение в пучностях стоячей волны будут существенно влиять только быстро диффундирующие электроны, которые будут уменьшать осевую неоднородность концентрации носителей. [c.292]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...