LID. Усиление и генерация импульсного излучения в твёрдотельных лазерах (1095924), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Èç (3.37) ñëåäóåò, ÷òî ñ ðîñòîì ñêîðîñòè íàêà÷êè óâåëè÷èâàåòñÿ è ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå kìàêñ , êêîòîðîìó ñòðåìèòñÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû. çàêëþ÷åíèè ýòîãî ïîäðàçäåëà íåîáõîäèìî îòìåòèòü,÷òî ìû ðàññìàòðèâàëè íåëèíåéíîñòü çàâèñèìîñòåé ðèñ.3.14 îòíîñèòåëüíî ñêîðîñòè íàêà÷êè Wí .  ñâîþ î÷åðåäü Wí íåëèíåéíî çàâèñèò îò ìîùíîñòè (ýíåðãèè íàêà÷êè) (ñì.(3.21)).55Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ñîçäàíèå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè.Íàêà÷êà àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.3.7.
Ýôôåêòèâíîñòü çàïàñàíèÿ ýíåðãèè.Ðàññìîòðåâ çàâèñèìîñòè äëÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû, ìû ìîæåì ïåðåéòè ê ðàññìîòðåíèþ ýôôåêòèâíîñòè íàêà÷êè (ýôôåêòèâíîñòè çàïàñàíèÿ ýíåðãèè). Îïðåäåëèì åå êàêîòíîøåíèå çàïàñåííîé íà âåðõíåì ëàçåðíîì óðîâíå ýíåðãèè â àêòèâíîì ýëåìåíòå ê ýíåðãèèíàêà÷êèηçàï =E çàïE íàê.(3.40)Òîëüêî â îäíîì ÷àñòîì ñëó÷àå 4-õ óðîâíåâûõ ñðåä, êîãäà ïðîñâåòëåíèå ñðåäû îòñóòñòâóåò, èç(3.31) ñëåäóåò, ÷òî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñðåäû ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî çàâèñèò îò ìîùíîñòè íàêà÷êè.  ýòîì ñëó÷àå ýôôåêòèâíîñòü çàïàñàíèÿ îò ìîùíîñòè íàêà÷êè íå çàâèñèò. Çàïèøåì ïîëíîå âûðàæåíèå äëÿ ýôôåêòèâíîñòè çàïàñàíèÿ, ïîäñòàâèâ â (3.31) âûðàæåíèå äëÿWí ïðè íàêà÷êå ïîëóïðîâîäíèêîâûìè èñòî÷íèêàìè (3.18), è ïîäåëèâ åãî íà ýíåðãèþ íàêà÷êè.Ó÷èòûâàÿ, ÷òî â àêòèâíîì ýëåìåíòå êîíå÷íûõ ðàçìåðîâ ìîæåò áûòü ïîãëîùåíà íå âñÿ ìîùíîñòü íàêà÷êè, ïîëó÷àåìτ λ ηçàï = (1 − Exp ( −α íàê Làý ))⋅ æ ⋅ (1 − Exp ( −τ íàê / τ æ )) ⋅ íàê = ηα ητ ηλ . τ íàê λãåí (3.41) ýòîì âûðàæåíèè âûäåëåíû òðè ñîìíîæèòåëÿ.
Ïåðâûé èç íèõ îïðåäåëÿåò äîëþ ìîùíîñòè,ïîãëîùåííóþ àêòèâíûì ýëåìåíòîì. Åñëè èñïîëüçóåòñÿ íå ïðîäîëüíàÿ, à ïîïåðå÷íàÿ íàêà÷êà,òî â (3.41) íåîáõîäèìî çàìåíèòü äëèíó àêòèâíîãî ýëåìåíòà íà åãî òîëùèíó.  òîì ñëó÷àå, êîãäà âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå α íàê Làý > 3 , ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ïðàêòè÷åñêè âñÿ (áîëüøå 95%) ýíåðãèÿíàêà÷êè ïîãëîùåíà. Âòîðîé ñîìíîæèòåëü îïðåäåëÿåò óìåíüøåíèå ýôôåêòèâíîñòè èç-çà ïîòåðü ýàïàñåííîé ýíåðãèè â âèäåñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ. Çàâèñèìîñòü äëÿ ýòîãî ñîìíîæèòåëÿîò îòíîøåíèÿ äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà íàêà÷êè ê âðåìåíè æèçíè÷àñòèö ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ.3.15. Èç ýòèõ ðåçóëüòàòîâ ñëåäóåò,÷òî ïðè τ íàê / τ æ =1 óìåíüøåíèå ýôôåêòèâíîñòè çàïàñàíèÿ ñîñòàâëÿåò 37%.
Ýòà çàâèñèìîñòü ïîêàçûâàåò, ÷òî âåëè÷èíà äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà íàêà÷êè îãðàíè÷èâàåòñÿ ñâåðõó âðåìåíåìæèçíè τ æ . Äîëÿ ìîùíîñòè, òåðÿåìàÿ â àêòèâíîì ýëåìåíòå ââèäå ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ, íå çàâèñèò îò âåëè÷èíû ìîùÐèñ.3.15. Âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü ýôôåêòèâíîñòè.íîñòè (ñêîðîñòè) íàêà÷êè è îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî îòíîøåíèåìäëèòåëüíîñòè èìïóëüñà íàêà÷êè ê âðåìåíè æèçíè ÷àñòèö.Ïîñëåäíèé ñîìíîæèòåëü â (3.41) îïðåäåëÿåò ïîòåðè ïðåîáðàçîâàíèÿ êâàíòà íàêà÷êè âêâàíò ãåíåðàöèè ïðè ïåðåõîäàõ ÷åðåç âñïîìîãàòåëüíûé óðîâåíü.
Ïî ñóòè ñâîåé ýòî ïðåäåëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü, âûøå êîòîðîé ÊÏÄ ïîëó÷èòü íåâîçìîæíî. Äëÿ YAG:Nd3+ ïðè äëèíå âîëíûíàêà÷êè 808 íì (ðèñ.3.3.à) è ãåíåðàöèè íà äëèíå âîëíû 1,064 ìêì ïðåäåëüíûé ÊÏÄ ñîñòàâëÿåò76%. Ïðè äëèíå âîëíû ãåíåðàöèè 1,32 ìêì â òîì æå àêòèâíîì ýëåìåíòå ïðåäåëüíûé ÊÏÄ ðàâåí 61%, à ïðè 946 íì - 89%. Ñ ýòîé òî÷êè çðåíèÿ ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò àêòèâíûå ýëåìåíòû, èìåþùèå èíòåíñèâíûå ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ áëèæå ê äëèíå âîëíû ãåíåðàöèè. Òàê, íàïðèìåð, â àêòèâíîì ýëåìåíòå èç YAG:Yb3+ (ðèñ.3.3.á) äëèíà âîëíû íàêà÷êè 939,556Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ñîçäàíèå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè.Íàêà÷êà àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.íì.
Ïðè ãåíåðàöèè íà äëèíå âîëíû 1,03 ìêì ïðåäåëüíûé ÊÏÄ ðàâåí 91%.Âî âñåõ îñòàëüíûõ ðàññìîòðåííûõ âûøå ñëó÷àÿõ (4-õ óðîâíåâûå ñðåäû ñ ïðîñâåòëåíèåì ïåðåõîäà íàêà÷êè è 3-õ óðîâíåâûå ñðåäû) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñðåäû k( t ) íåëèíåéíîçàâèñèò îò ìîùíîñòè íàêà÷êè. Ïîýòîìó ñ ðîñòîì ìîùíîñòè íàêà÷êè ýôôåêòèâíîñòü çàïàñàíèÿýíåðãèè áóäåò óìåíüøàòüñÿ.Ðåçóëüòàòû ýòîãî ïîäðàçäåëà ïîêàçûâàþò, ÷òî â îáùåì ñëó÷àå ïîïûòêà çàïàñòè äîñòàòî÷íî áîëüøóþ ýíåðãèþ â àêòèâíîì ýëåìåíòå ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ýôôåêòèâíîñòè. Ïðèïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ ìàêñèìàëüíûé ÊÏÄ ìîæíî ïîëó÷èòü ïðè íåáîëüøèõ óðîâíÿõ íàêà÷êè.Íî íåîáõîäèìî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ýòîò âûâîä êàñàåòñÿ òîëüêî ýôôåêòèâíîñòè çàïàñàíèÿ ýíåðãèè.
Ïîëíûé ÊÏÄ óñòðîéñòâà îïðåäåëÿåòñÿ êàê ýôôåêòèâíîñòüþ çàïàñàíèÿ, òàê è ýôôåêòèâíîñòüþ èñïîëüçîâàíèÿ (ñúåìà) çàïàñåííîé ýíåðãèè. Âîïðîñû ýôôåêòèâíîñòè èñïîëüçîâàíèÿïðè óñèëåíèè è ãåíåðàöèè èçëó÷åíèÿ ðàññìîòðåíû â ðàçäåëàõ 4-7.3.8. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñðåäû. Ëàìïîâàÿ íàêà÷êà. ðàçäåëàõ 3.6 è 3.7 áûëè ðàññìîòðåíû âîïðîñû íàêà÷êè àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè èñòî÷íèêàìè íàêà÷êè. Ïðè ëàìïîâîé íàêà÷êå âñå ïðîöåññû â öåëîì ïðîòåêàþòàíàëîãè÷íî.  ýòîì ðàçäåëå ìû îñòàíîâèìñÿ íà îäíîì âîïðîñå, îá îñîáåííîñòÿõ âðåìåííûõçàâèñèìîñòåé äëÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû â òå÷åíèè èìïóëüñà íàêà÷êè, èìåþùåãîâðåìåííóþ ôîðìó (3.27).
Íà ðèñ.3.16 ïðèâåäåíà òèïè÷íàÿ çàâèñèìîñòü èìïóëüñà íàêà÷êè è êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû. Ìîùíîñòü íàêà÷êè äîñòèãàåòìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèÿ è óáûâàòü. Ñ ðîñòîì ìîùíîñòè íàêà÷êè êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ìîíîòîííî âîçðàñòàåò.  àêòèâíîì ýëåìåíòå îäíîâðåìåííî ðàçâèâàþòñÿ äâà ïðîöåññà íàêîïëåíèå ÷àñòèö íà âåðõíåì ëàçåðíîì óðîâíå ñî ñêîðîñòüþ,îïðåäåëÿåìîé ñêîðîñòüþ íàêà÷êè, è ðàñïàä âåðõíåãî óðîâíÿèç-çà ñïîíòàííûõ ïåðåõîäîâ è óñèëåííîé ëþìèíåñöåíöèè. Äîòåõ ïîð, ïîêà ñêîðîñòü íàêà÷êè âåëèêà, ïðåîáëàäàåò ðîñò÷àñòèö íà âåðõíåì óðîâíå.
Êîãäà ìîùíîñòü íàêà÷êè óáûâàåò,Ðèñ.3.16. Âðåìåííûå çàâèñèìîñìû äîñòèãàåì òàêîãî ñîñòîÿíèÿ, êîãäà ñêîðîñòü ïîñòóïëåíèÿòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïðè÷àñòèö íà âåðõíèé óðîâåíü ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé ñêîðîñòè îáåäëàìïîâîé íàêà÷êå.íåíèÿ. Âåëè÷èíà ïðîèçâîäíîé (3.11)-(3.13) ñòàíîâèòñÿ ðàâíîéíóëþ.
Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ äîñòèãàåò ñâîå ýêñòðåìàëüíîåçíà÷åíèå. Ïîñëå ýòîãî ìîìåíòà âðåìåíè êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óáûâàåò. Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè ðàáîòå ñ îäèíî÷íûìè èìïóëüñàìè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èìïóëüñ íåîáõîäèìî ïîäàâàòüâ ìîìåíò âðåìåíè ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ k( t ) . Ýòî âðåìÿíàçûâàåòñÿ îïòèìàëüíîé çàäåðæêîé äî ïîäà÷è ëàçåðíîãî èìïóëüñà èëè äî âêëþ÷åíèÿ óñòðîéñòâ óïðàâëåíèÿ â ëàçåðåîïò( Tçàä).Çàâèñèìîñòè äëÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò ñêîðîñòèíàêà÷êè, ïîëó÷åííûå â ðàçäåëå 3.7 â öåëîì ñïðàâåäëèâû èÐèñ.3.17. Ñïåêòð èçëó÷åíèÿäëÿ ëàìïîâîé íàêà÷êè.
Îñîáåííîñòüþ ëàìïîâîé íàêà÷êè ÿâ÷åðíîãî òåëà.ëÿåòñÿ òî, ÷òî ñîãëàñîâàíèå ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ è èçëó÷åíèÿ57Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ñîçäàíèå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè.Íàêà÷êà àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.ìîæíî ïîëó÷èòü ïðè îïðåäåëåííîì ðåæèìå ðàáîòû ëàìïû.
Ïðè òèïîâûõ òåìïåðàòóðàõ 800012000 Ê èçëó÷åíèå ïëàçìû ñîîòâåòñòâóåò èçëó÷åíèþ ÷åðíîãî òåëà. Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãîòåëà ïîêàçàí íà ðèñ.3.17. Ñ ðîñòîì ýíåðãèè íàêà÷êè ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðûïëàçìû è ñïåêòð ñìåùàåòñÿ â ÓÔ îáëàñòü. Ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå èíòåãðàëà ïåðåêðûòèÿñïåêòðà èçëó÷åíèÿ è ñïåêòðà ïîãëîùåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà (ñðàâíèòå ðèñ.3.17 è ðèñ.3.8).Ñëåäîâàòåëüíî, ñ ìåíüøåé ñêîðîñòüþ óâåëè÷èâàåòñÿ çíà÷åíèå Wí . Ïîýòîìó ïîìèìî ðàññìîòðåííûõ â ðàçäåëå 3.7 îñîáåííîñòåé íàêà÷êè ïîëóïðîâîäíèêîâûìè èñòî÷íèêàìè, â ëàçåðàõ ñëàìïîâîé íàêà÷êîé äåéñòâóþò äîïîëíèòåëüíûå ìåõàíèçìû, äåéñòâèå êîòîðûõ ïðèâîäèò ê íåëèíåéíîé çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè íàêà÷êè îò ýíåðãèè íàêà÷êè.3.9.
Âëèÿíèå óñèëåííîé ëþìèíåñöåíöèè. ëàçåðàõ ñ ïîëóïðîâîäíèêîâîé íàêà÷êîé â îáúåìå àêòèâíîãî ýëåìåíòà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ïîòîê èçëó÷åíèÿ, ðîæäàåìûé ñïîíòàííî â êàæäîé òî÷êå ñðåäû.  ëàçåðàõ ñ ëàìïîâîéíàêà÷êîé ïîìèìî ýòîãî ïîòîêà, ñóùåñòâóåò äîïîëíèòåëüíî ïîòîê èçëó÷åíèÿ îò ëàìïû íàêà÷êèíà äëèíå âîëíû ëàçåðíîãî ïåðåõîäà (ñì. ðèñ.3.17), êîòîðûé òàêæå êàê è ñïîíòàííîå èçëó÷åíèå,â ïðîöåññå ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïî àêòèâíîìó ýëåìåíòó óñèëèâàåòñÿ è óìåíüøàåò èíâåðñíóþ íàñåëåííîñòü. ðàçäåëå (3.3) áûëî ïîêàçàíî (ñì.
(3.10)), ÷òî íàëè÷èå óñèëåííîé ëþìèíåñöåíöèè âïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ó÷åñòü, ââîäÿ ýôôåêòèâíîå âðåìÿ æèçíè τ æýô . Äëÿ âñåõ ðàññìîòðåííûõ ñëó÷àåâ óìåíüøåíèå âðåìåíè æèçíè ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿñðåäû (ñì., íàïðèìåð, (3.31), (3.35) è (3.37)). Èç (3.10) ñëåäóåò, ÷òî ýôôåêòèâíîå âðåìÿ æèçíèáóäåò â äâà ðàçà ìåíüøå τ æ , êîãäà ïðîèçâåäåíèå ïëîòíîñòè ìîùíîñòè øóìîâîãî ïîòîêà íàâðåìÿ, â òå÷åíèè êîòîðîãî ýòîò ïîòîê âîçäåéñòâóåò íà ñðåäó, ñòàíåò ðàâíûì ïëîòíîñòè ýíåðãèè íàñûùåíèÿ ïåðåõîäà ãåíåðàöèèI ø ( t ) ⋅ τ = Q íàñ . êà÷åñòâå õàðàêòåðíîãî âðåìåíè çäåñü âûñòóïàåò âðåìÿ íàêà÷êè. Íàì íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü çàâèñèìîñòü I ø ( t ) îò êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû. Î÷åâèäíî, ÷òî óðîâåíü ìîùíîñòèñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ ñâÿçàí ñ íàñåëåííîñòüþ âåðõíåãî ëàçåðíîãî óðîâíÿ, ò.å.
ñ âåëè÷èíîéçàïàñåííîé ýíåðãèè. Îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ ðàâíàpø =q çàïτæk ⋅ Q íàñãåí=τæ.(3.42)Äëÿ îïðåäåëåíèÿ âîçäåéñòâèÿ íà ðàññìàòðèâàåìûé ýëåìåíò ñðåäû øóìîâîãî ïîòîêà èçëó÷åíèÿ îò âñåõ îêðóæàþùèõ åãî ýëåìåíòîâ, ìû äîëæíû ïðîèíòåãðèðîâàòü èõ âêëàä ñ ó÷åòîìòîãî, ÷òî èçëó÷åíèå îò ñîñåäíèõ ýëåìåíòîâ â ïðîöåññå ðàñïðîñòðàíåíèÿ áóäåò óñèëèâàòüñÿ. Âðàçäåëå 4 áóäåò ïîêàçàíî, ÷òî êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ äëÿ ýòîãî èçëó÷åíèÿ â îòñóòñòâèè ïîòåðü â ñðåäå ðàâåí G ( z ) = Exp ( k ⋅ z ) , ãäå z - ïðîéäåííûé èçëó÷åíèåì ïóòü. Ìû íå áóäåì àíàëèçèðîâàòü âñå âîçìîæíûå ãåîìåòðèè àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
