Тема 6 С Непрерывный режим работы лазера


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
1
Непрерывный режим
работы лазера
План:
1.
Скоростные уравнения;
2.
Пороговые условия и выходная мощность;
3.
Оптимальная связь на выходе;
4.
Перестройка частоты генерации лазера;
5.
Причины возникновения
многомодовой
генерации;
6.
Одномодовый
режим генерации;
7.
Флуктуации
частоты генерации и стабилизация частоты
лазера;
8. Шум
интенсивности излучения и методы его уменьшения.
2
1. Скоростные уравнения
А) Четырехуровневый лазер
Предположим, что переходы между уровнями 3 и 2
и 1 и 0 быстрые. Следовательно
N
1
≈ N
3
≈0
(2)
(3)
(1)
Пространственно независимые скоростные уравнения:
3
Время жизни верхнего лазерного уровня:
Объем, занимаемый модой внутри активной среды:
Условие баланса

каждый процесс вынужденного испускания приводит к образованию
фотона, а каждый процесс поглощения к его уничтожению.
Выражение (3) не содержит слагаемого, учитывающего спонтанное излучение.
Для учета спонтанного излучения слагаемое
заменяем на
Величины:
, где
, где
4
Введем величину описывающую инверсию населенностей:
N= N
2

N
1
Так как релаксация уровня
N
1
быстрая, то
N= N
2
Т.о. скоростные уравнения в виде:
(
4
)
(
5
)
называются уравнениями Стаца де Марса
Начальные условия:
t = 0, N(0) = 0,
φ
(0) =
φ
i
5
Б) Квазитрехуровневый лазер
Скоростные уравнения:
(1)
(2)
(3)
6
Введем параметр инверсии населенности
N = N
2

fN
1,
где
Т.о. скоростные уравнения примут вид:
(
4
)
(
5
)
называемые уравнениями Стаца де Марса
Начальные условия:
t = 0, N(0) =
-
fN
1
,
φ
(0) ≈1
7
2
. Пороговые условия и выходная мощность
1) Четырехуровневый лазер
Условие необходимое для возникновения генерации

время жизни
τ
1
нижнего
лазерного уровня является ограниченной величиной, т.е.:
Пороговое условие генерации:
уравнения
Стаца
де Марса применимы если
Для того чтобы
необходимо, чтобы
Следовательно, генерация возникнет если инверсия населенности
N
достигнет
критического значения:
8
При этом значение критической скорости накачки:
Если
, то
φ
возрастает от исходного
φ
i
, определяемого спонтанным излучением.
Если
R
p
не зависит от
t
, то
φ
возрастает от некоторого стационарного значения
φ
0
которому соответствует стационарное значение инверсии
N
0
:
Данные выражения описывают непрерывный режим
работы 4
-
хуровневого лазера.
Рассмотрим график зависимостей
N = f(
R
p
)
и
φ
=
f(
R
p
)
9
Введем обозначение
, где
Выражение для выходной мощности:
Дифференциальный КПД лазера:
10
2) Квазитрехуровневый лазер
Пороговая инверсия:
Критическая скорость накачки:
Пороговая мощность накачки:
11
Выражение для выходной мощности:
Дифференциальный КПД лазера:
12
3. Оптимальная связь на выходе
Для определения оптимальной мощности необходимо, чтобы выполнялось условие:
при
Т.о
. выражение для выходной мощности:
где
Оптимальное условие связи на выходе можно получить записав:
При этом оптимальное значение
S
:
Т.о. оптимальное значение мощности:
13
4. Перестройка частоты генерации лазера
Свипирование

перестройка частоты генерации лазера или управление спектром
лазерного излучения. Применительно к ОКГ генерирующим на двух и более частотах.
Для видимого и ближнего ИК
-
дипазонов

дисперсионные оптические резонаторы;
двулучепреломляющий фильтр, помещенный внутрь резонатора.
Средний ИК
-
диапазон

дифракционная решетка по схеме Литтроу
14
Режимы
свипирования
частоты:
1)
статический

перестройка происходит в паузах между импульсами излучения;
2)
динамический

перестройка происходит во время генерации импульса.
Достоинства второго режима:

позволяет упорядочить временные характеристики излучения лазера и модовый
состав;

сузить общую ширину спектра генерации лазера;

повышает энергетический КПД лазера за счет работы активных центров, не
участвующих в генерации в обычном одночастотном режиме;

позволяет исследовать спектральную структуру однородно и неоднородно
уширенных полос люминесценции.
15
5. Причины возникновения многомодовой генерации
Лазеры, как правило, генерируют в многомодовом режиме. Это обусловлено тем, что
межмодовое расстояние обычно меньше ширины контура усиления.
Рассмотрим кривую контура усиления в зависимости от частоты при различных
возрастающих значениях
R
p
1)
линия однородно уширена
16
2)
линия неоднородно уширена
17
6
. Одномодовый режим генерации
1
)
Селекция отдельной поперечной моды
Число Френеля
Метод и схемы селекции поперечных мод:
-
увеличение длины конфокального сферического резонатора
-
увеличение длины полуконфокального резонатора
18
-
введение в резонатор диафрагм
-
введение в резонатор двух линз и диафрагмы
-
введение в резонатор двух линз и диафрагмы
19
-
введение выпуклого сферического зеркала
-
введение двух плоских зеркал расположенных в фокальных плоскостях линзы
-
использование призмы полного внутреннего отражения
20
2
)
Селекция отдельной продольной моды
Выделение отдельной продольной моды может быть достигнуто при использовании
коротких резонаторов, таких, что
Селекция мод с пьезоэлектрическим управлением
Другие методы:
-
введение внешнего фильтра
21
-
введение внутреннего фильтра
-
введение поглощающей пленки
-
введение газовой ячейки с нелинейным поглощением
-
введение связанных резонаторов
22
Интерферометр Фабри
-
Перо.
Мах пропускания эталона:
Условие необходимое для разделения мод:
23
7.
Флуктуации частоты генерации и стабилизация
частоты лазера
Механизмы смещения частоты моды:
1)
долговременные флуктуации;
2)
кратковременные флуктуации.
Методы активной стабилизации длины резонатора:
1)
одно из зеркал резонатора, устанавливается на пьезометрическом
преобразователе;
2)
использование частотных дискриминаторов с высоким параметром резкости;
3)
метод
Паунда
-
Древера
.
24
8.
Шум интенсивности излучения и методы его
уменьшения
Спонтанное излучение и флуктуации длины резонатора приводят к возникновению
только частотных шумов и, таким образом, амплитуда поля выходного пучка может
рассматриваться как не зависящая от времени. Однако в лазере существуют прочие
возмущения, которые могут быть причиной возникновения амплитудных флуктуации
или
шумов интенсивности.
Причины шумов интенсивности:

для газовых лазеров

флуктуации электрического тока в источнике питания,
нестабильность электрического разряда в газе, а также
разъюстировка
зеркал вследствие
механических вибраций;

для лазеров на красителях

флуктуации плотности в потоке красителя, а также
наличие в нем пузырьков воздуха;

для твердотельных лазеров

флуктуации в процессах накачки (как для ламповой, так
и для накачки лазерными диодами),
разрегулировка
резонатора;

для полупроводниковых лазеров

флуктуации тока смещения, амплитудные
флуктуации, вызванные спонтанным излучением и рекомбинационными шумами.
В лазере могут иметь место и долговременные флуктуации выходной мощности,
которые обычно обусловлены температурными перепадами в резонаторе лазера, а также
деградацией зеркал, выходных окон и других оптических элементов, включая активную
среду.

Приложенные файлы

  • pdf 5528706
    Размер файла: 744 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий