Лазер, трехуровневая схема

По трехуровневой схеме работают твердотельные лазеры на кристаллах рубина. Рубин — это кристалл корунда АЬОз с примесью ионов хрома Сг +. Инверсная населенность и индуцированные переходы осуществляются здесь между уровнями хрома. [c.317]

Условия работы активного материала лазера также накладывают определенные требования на свойства матрицы. В первую очередь она должна обладать высокой теплопроводностью. Твердотельные лазеры на диэлектрических монокристаллах имеют весьма небольшой кпд (порядка 1—5 %) и, следовательно, весьма значительная часть энергии накачки идет на нагрев активной среды.. Если активная среда не может эффективно рассеять эту энергию, то неизбежен выход из строя всей системы. Наиболее приемлемыми свойствами в этом отношении обладают монокристаллы сапфира (рубина) и именно этим фактом объясняется их использование, несмотря на трехуровневую схему генерации. [c.67]

По рассмотренной трехуровневой схеме работает один из наиболее распространенных твердотельных лазеров — ОКГ на рубине. [c.22]

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]

Рубиновые лазеры, когда-то очень популярные, теперь применяются менее широко, поскольку они были вытеснены такими конкурентами, как лазеры на основе Nd YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd YAG лазера таких же размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd YAG-лазером (например, в импульсной голографии, где Nd YAG нельзя использовать из-за малой чувствительности фотопленки в более длинноволновом диапазоне генерации Nd YAG-лазера), Стоит также отметить, что в про- [c.334]

В заключение этого раздела мы кратко ознакомимся с двумя другими примерами лазерного усиления в условиях, отличаю-Ш.ИХСЯ от рассмотренных выше. В первом случае предполагают, что длительность хр импульса, который необходимо усилить, много меньше времени жизни атомов на нижнем энергетическом уровне лазера Это имеет место, например, в случае лазерного усилителя на рубине, в котором нижний уровень совпадает с основным состоянием. Аналогичная ситуация возникает также в усилителе на ионах Nd +, когда Хр < 1 не. В обоих случаях усилитель работает по трехуровневой схеме. Нетрудно показать, что приведенные выше формулы остаются справедливыми, но при условии, что Fs дается теперь выражением [c.490]

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]

В лазере, работающем по трехуровневой схеме, для поддержания инверсной заселенности верхнего уровня рабочего лазерного перехода > N ) используется оптическая накачка на смежном переходе 1- 3 (рис. 1.1). Энергия фотона накачки - Е , плотность энергии электромагнитной волны накачки - Кинетические уравнения для разности населенностей рабочего перехода N = в отсутствие генерации и для плотности числа частиц (населенности) уровня 3 имеют следующий вид [c.22]

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма уровней лазера, работающего по трехуровневой схеме

В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, лазер на флюорите кальция с примесью диспрозия работает по четырехуровневой схеме. Это позволяет создавать достаточно мощные лазеры, работающие не импульсами, а непрерывно, что для некоторых применений очень существенно. [c.721]

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

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]

В рассматриваемой схеме стимулированные переходы осуществляются в основное состояние. Такая схема называется трехуровневой. Типичным примером ее реализации является рубиновый лазер. — [c.129]

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]

Таким образом, мощность излучения лазера зависит от схемы энергетических уровней активной среды. Сделаем оценки этого влияния. В случае трехуровневой активной среды величина инверсной населенности [c.152]

Рис. VII. 1. Схемы процессов в лазерах а — двухуровневая система б — трехуровневая система в — параллельный резонатор г — непараллельный резонатор

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]

По схеме уровней гелий-неоновый лазер относится к трехуровневым 2-го рода. Поскольку оба нижних лазерных уровня 2р и Зр) расселяются радиационно с постоянной времени около 10 с, нет необходимости для получения инверсии переводить на верхний лазерный уровень более половины всех атомов, как в рубиновом лазере. Генерация в таких условиях может осуществляться в непрерывном режиме. [c.262]

Значительная часть четырехуровневых лазеров хорошо описывается схемой из четырех уровней (рис 5.7, а). Однако во многих случаях населенность возбужденного состояния за счет быстрого безызлучательного релаксационного процесса в основном переводится на лазерный уровень, что делает оправданным использование трехуровневой модели, представленной на рис. 5.7, б. [c.176]

Лазер, трехуровневая схема 721 четырехуровневая схема 721 Ламберта закон 150 Ландау и Плачека формула 613 Лауэ условия 388 Лауэграмма 388 Линза магнитная 180 [c.747]

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]

Работа рубинового лазера происходит по трехуровневой схеме. Трехвалентный ион хрома имеет электронную конфигурацию 1 8 2 8 , 2 р 3 8 3 р 3 т. е. на его внешней оболочке находится три -электрона.Основным состоянием свободного иона хрома является Fз/2, т. е. оно характеризуется четырехкратным вырождением по спину и семикратным орбитальным вырождением (2 L + 1 = 7). В электростатическом поле, создаваемом ионами кристалла (матрицы), происходит расщепление состояний свободного иона хрома на ряд энергетических уровней / 1, и т. д. Если обратиться [c.74]

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]

Рассмотрим несколько подробнее способ создания необходимой инверсии населенностей при помощи оптической накачки. Под действием интенсивного облучения светом от источника накачки молекулы в активной среде переходят в возбужденное состояние. В качестве источника накачки в зависимости от типа лазера и конкретного назначения могут использоваться импульсные лампы, а также другие лазеры. Существенные особенности процессов накачки и генерации могут быть пояснены в зависимости от типа лазера на основании трех- или четырехуровневой схемы (рис. 2.2). Рассмотрим сначала трехуровневую схему в том виде, в каком она реализуется, например, в рубиновом лазере (рис. 2.2, а). Лазерное вещество возбуждается оптическим излучением накачки /р, под действием которого молекулы переходят из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3. Затем большинство молекул путем быстрого безызлуча- [c.51]

Для лазера, работающего по трехуровневой схеме, выразите выходную мощность в стационарном режиме через отношение,АПокажите, что зависимость от нак будет такой, как на рис. 1.2. Получите выражения для [c.22]

Дифференциальные уравнения для плотности инверсной заселенности (трехуровневый и четьфехуровневый лазеры). Рассмотрим трехуровневую схему, изображенную на рис. 3.8. На схеме используются обозначения ш — вероятность вынужденных переходов в канале генерации (канале 2—1), а> — вероятность вынужденных переходов в канале [c.287]

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]

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]

Трехуровневая модель хорошо описывает процессы в некоторых твердотельных лазерах, например, на рубине. Излучающими центрами в рубине являются атомы хрома, частично замещающие атомы алюминия в кристаллической решетке AI2O3. Схема трехуровневой системы представлена на рис. 1.6. [c.18]

Очевидно, чем ближе нижний уровень генерации 2 к основному 1, тем меньше стоксовы потери. Однако при этом схема лазера становится ближе к трехуровневой, что снижает КПД лазера. Поэтому существует некоторое оптимальное положение уровня 2, где КПД лазера максимален. Вторым принципиальным фактором, ограничивающим КПД лазера, является наличие безызлучатель-ных переходов между уровнями генерации. Однако применительно к лазерам на АИГ-Nd для безызлучательных переходов прене- [c.64]

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

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 ...