Мощность генерируемого излучения

Коэффициент усиления

Характеристики лазера

В активной лазерной среде в присутствии излучения следует принимать во внимание два основных процесса: усиление электромагнитного поля в результате вынужденных переходов и обратное влияние, оказываемое усиливаемым светом на активную среду и приводящее к обеднению населенности верхних лазерных уровней. К основным параметрам лазера, определяющим его энергетические возможности, относятся коэффициенты усиления, полезных и вредных потерь.

Коэффициент усиления определяет прирост интенсивности излучения при его прохождении через активную лазерную среду. Различают коэффициент ненасыщенного усиления – в условиях, когда влиянием излучения на активное вещество можно пренебречь, и коэффициент порогового усиления – в условиях, когда взаимодействие между излучением и активным веществом сбалансировано. Последнее означает, что потери энергии оптического излучения за один проход через активную среду компенсируются усилением за этот же проход, а населенность верхнего лазерного уровня возобновляется накачкой. При этом коэффициент усиления оказывается равным коэффициенту полных потерь излучения, или просто коэффициенту потерь, который включает вредные и полезные потери. Коэффициент вредных потерь характеризует долю излучения, которое бесполезно теряется в результате рассеяния и поглощения элементами оптического резонатора и активной средой лазера. Коэффициент полезных потерь характеризует долю излучения, выходящего через зеркала резонатора.

При увеличении накачки коэффициент усиления активной среды на частоте лазерного перехода не меняется, так как его рост сдерживается увеличением мощности излучения в резонаторе. Используя коэффициенты Эйнштейна для спонтанных A и вынужденных B переходов, получаем следующее уравнение баланса:
W = A + B( , где W – скорость накачки (число переходов с нижнего лазерного уровня на верхний под действием процессов накачки); и – число частиц на нижнем и верхнем лазерных уровнях ( + = const); – средняя мощность излучения в резонаторе. Здесь первое слагаемое описывает спонтанные переходы с верхнего уровня, второе – вынужденные переходы с испусканием и поглощением фотонов.

Коэффициент усиления, как и скорость вынужденных переходов, пропорционален разности населенностей лазерных уровней: - , где b – коэффициент пропорциональности. При отсутствии излучения в резонаторе вся накачка расходовалась бы на увеличение числа возбужденных состояний W = A с соответствующим коэффициентом ненасыщенного усиления g = b( ).

Исходя из системы последних уравнений, можно получить следующее выражение для средней мощности излучения в резонаторе:

Видно, что средняя мощность излучения пропорциональна разности коэффициентов ненасыщенного и порогового усилений.

Для возникновения генерации надо, чтобы начальный коэффициент усиления оказался больше суммарного коэффициента потерь.

4.3 Линия усиления.

Рисунок 10 Линия усиления. Чем выше уровень потерь, тем ментше ширина и интенсивность линии усиления

До сих пор мы имели дело с идеальными энергетическими уровнями. В действительности, однако, каждому уровню энергии соответствует не какое-то строго определённое значение энергии, а некоторый интервал значений, в связи с чем говорят о «размытии», «ширине» уровня. Отсюда следует, что надо рассматривать не какую-то определённую частоту рабочего перехода, а некоторый интервал частот.

Являющиеся характеристиками перехода коэффициенты Эйнштейна А и В рассматривались ранее как некие числа. В действительности же они являются функциями частоты излучения, рассматриваемыми на интервале частот, отвечающем данному переходу. Отсюда следует, в частности, что начальный коэффициент усиления также является функцией частоты. Характерный вид функции показан на рис. 10. - центральная частота перехода. () – суммарный коэффициент потерь. Прямая АА фиксирует уровень потерь. Заштрихованная часть кривой определяет линию усиления. Т. к. ), необходимо рассматривать в генерирующем лазере именно линию усиления. Δ ν – ширина линии усиления.

Дата добавления: 2015-05-09