LID. Усиление и генерация импульсного излучения в твёрдотельных лазерах (1095924), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Ðàçíîñòüàýäëèí âîëí ( λ12àý - λ03) äîëæíà áûòü áîëüøå øèðèíû êîíòóðà óñèëåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà.  êà÷åñòâå ïàññèâíîãî ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè òàêæå âîçüìåì êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó, íîäëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè êîòîðîé ( λ02ïç ) ðàâíà äëèíå âîëíûãåíåðàöèè àêòèâíîãî ýëåìåíòà ( λ12àý ) (ðèñ.7.2.à) - òî åñòüà.á.Ðèñ.7.2.
Äèàãðàììû óðîâíåé.( h νã ) àý = ( h νí ) ïç . Ïî ñóòè äåëà îäèí àêòèâíûé ýëåìåíò (àêòèâíûéýëåìåíò ãåíåðàòîðà) ïðîèçâîäèò íàêà÷êó äðóãîãî àêòèâíîãî ýëåìåíòà (ïàññèâíîãî çàòâîðà). Õîòÿ ñòðóêòóðíî ýëåìåíò ïàññèâíîãî çàòâîðà ïîäîáåí àêòèâíîìóýëåìåíòó ãåíåðàòîðà, ìû â äàëüíåéøåì áóäåì èñïîëüçîâàòü äëÿ íèõ ðàçëè÷íûå íàçâàíèÿ,÷òîáû íå âíîñèòü ïóòàíèöó. Êàê è â àêòèâíîì ýëåìåíòå, â ïàññèâíîì çàòâîðå ðàçíîñòü äëèíâîëí èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè (ïåðåõîä 0-2, λ02ïç ) è ïåðåõîäà 1-0 ( λ10ïç ) äîëæíà áûòü áîëüøå, ÷åì øèðèíà êîíòóðà óñèëåíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà.
Çäåñü, â êà÷åñòâå ïðèìåðà, ìû ðàññìàòðèâàåìïàññèâíûé çàòâîð ñ òðåõóðîâíåâîé ýíåðãåòè÷åñêîé äèàãðàììîé. Íî, êàê ýòî áóäåò âèäíî113Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ëàçåð ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.äàëüøå, ýòîò âîïðîñ íå ÿâëÿåòñÿ ïðèíöèïèàëüíûì, òàê êàê îñíîâíûì ðàáî÷èì ïåðåõîäîì ÿâëÿåòñÿ ïåðåõîä ïîãëîùåíèÿ èçëó÷åíèÿ (ïåðåõîä íàêà÷êè 0-2). èñõîäíîì ñîñòîÿíèè â ïàññèâíîì çàòâîðå âñå ÷àñòèöû íàõîäÿòñÿ â íèæíåì ýíåðãåòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè è ïðîõîäÿùåå ÷åðåç íåãî èçëó÷åíèå ïîãëîùàåòñÿ.  ðàññìàòðèâàåìîìñëó÷àå ðèñ.7.1 ýòèì èçëó÷åíèåì ÿâëÿåòñÿ ñïîíòàííîå èçëó÷åíèå àêòèâíîãî ýëåìåíòà. Ïðèóâåëè÷åíèè ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ âñå áîëüøåå ÷èñëî ÷àñòèö â ïàññèâíîì çàòâîðåïåðåõîäèò íà âåðõíèé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü.  ïðåäåëüíîì ñëó÷àå ìîæåò ñëîæèòüñÿ òàêàÿñèòóàöèÿ, ïðè êîòîðîé âñå ÷àñòèöû ïåðåéäóò íà âåðõíèé ìåòàñòàáèëüíûé óðîâåíü (óðîâåíü 2).Íà íèæíåì óðîâíå ÷àñòèöû îòñóòñòâóþò, ïîãëîùàòüñÿ íå÷åìó, è çàòâîð áóäåò ïîëíîñòüþ îòêðûò.
Òî åñòü îí ïðîñâåòëåí ïðîõîäÿùèì èçëó÷åíèåì. Ñåé÷àñ ïîêà èç îáùèõ ñîîáðàæåíèé ïîíÿòíî, ÷òî åñëè çàòâîð èìåë áîëüøîå ïîãëîùåíèå (íåáîëüøîå ïðîïóñêàíèå) ïðè ìàëûõ ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè, ñîîòâåòñòâóþùèõ óðîâíþ ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà, îíïîçâîëÿë ñîçäàâàòü íàêîïëåíèå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè â àêòèâíîì ýëåìåíòå íà ýòàïå íàêà÷êè.
 ïðîñâåòëåííîì ñîñòîÿíèè ïàññèâíûé çàòâîð èìååò ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ è îáåñïå÷èâàåò ãåíåðàöèþ èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ.7.2. Óðàâíåíèå ïàññèâíîãî ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè.Çàïèøåì óðàâíåíèå äëÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïàññèâíîãî çàòîðà.dk ïçdt=−kïç ⋅ I ( t )ïçQíàñ+(ℵïç − kïç )τ æïç,(7.1)ïçñîâïàäàþùåå ñ óðàâíåíèåì äëÿ ïåðåõîäà íàêà÷êè àêòèâíîãî ýëåìåíòà.
Çäåñü Qíàñ- ïëîòíîñòüýíåðãèè íàñûùåíèÿ ïîãëîùåíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà. Íàèáîëåå ïðîñòî ðàññìîòðåòü èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ äëÿ ñòàöèîíàðíîãî ñëó÷àÿ ( dkïç / dt = 0 ).  ýòîì ñëó÷àå èç (7.1)ïîëó÷àåì ñëåäóþùåå óðàâíåíèå äëÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿkïç =ℵïçïç1 + I / Iíàñ,(7.2)ïçïçãäå ââåäåíî îáîçíà÷åíèå I íàñ= Qíàñ/ τ æïç äëÿ ïëîòíîñòè ìîùíîñòè íàñûùåíèÿ. Çäåñü ìû âûíóæäåíî ïåðåøëè ê ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ, à íå ïëîòíîñòè ýíåðãèè, òàê êàê íà ïðàêòèêå ó ïàññèâíûõ çàòâîðîâ âðåìÿ æèçíè ÷àñòèö íà âåðõíåì óðîâíå ñîñòàâëÿåò äåñÿòêè-ñîòíè íàíîñåêóíä, ÷òî çíà÷èòåëüíî ìåíüøå äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà íàêà÷êè.
Òàêæå, êàê ýòî áóäåò ïîêàçàíî íèæå, âðåìÿ ëèíåéíîãî ðàçâèòèÿ ãåíåðàöèè ëàçåðà, â òå÷åíèè êîòîðîãî ïðîñâåòëÿåòñÿçàòâîð, òîæå îêàçûâàåòñÿ áîëüøå âðåìåíè æèçíè ÷àñòèö íà âåðõíåì óðîâíå çàòâîðà. Íà ìàñøòàáå âðåìåíè æèçíè ÷àñòèö ìîæíî ñ÷èòàòü ìîùíîñòü ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ ñòàöèîíàðíûìïîòîêîì è ïîýòîìó ñòåïåíü ïðîñâåòëåíèÿ çàòâîðà îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì (7.2). Èç (7.2)ñëåäóåò, ÷òî ïëîòíîñòü ìîùíîñòè íàñûùåíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà - ýòî òàêàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ïðè êîòîðîé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ óìåíüøàåòñÿ â 2 ðàçà.ïçÃðàôèê çàâèñèìîñòè kïç îò îòíîøåíèÿ I / I íàñïðåäñòàâëåí íà ðèñ.7.3.Ñ ïðàêòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ öåëåñîîáðàçíî îïðåäåëèòü ïàðàìåòðû ïàññèâíîãî çàòâîðàïç÷åðåç íà÷àëüíîå è êîíå÷íîå ïðîïóñêàíèå.
Ïðè I / I íàñ<< 1 êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèé íà÷àëüíîìó ïðîïóñêàíèþ ( kïç = ℵïç ), ðàâåí114Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ëàçåð ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.Tïç = Exp[ −(ℵïç + βïç ) Lïç ] .í(7.3)Çäåñü βïç - êîýôôèöèåíò íåðåçîíàíñíîãî ïîãëîùåíèÿ ÏÇ(ïîãëîùåíèå ìàòðèöû).  äðóãîì ïðåäåëüíîì ñëó÷àå(ïðîñâåòëåííîå ñîñòîÿíèå) kïç = 0 è êîýôôèöèåíò êîíå÷íîãîïðîïóñêàíèÿ ðàâåíêîíTïç= Exp ( − βïç Lïç ) .(7.4)Òðåáóåìîå íà÷àëüíîå ïðîïóñêàíèå çàòâîðà îáåñïå÷èâàåòñÿòðåìÿ ïàðàìåòðàìè - âûáîðîì àêòèâàòîðà (ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ èîíà àêòèâàòîðà), êîíöåíòðàöèåé àêòèâàòîðà è äëèíîé çàòâîðà.
Íà ðèñ.7.3 ïðåäñòàâëåíà çàâèñèìîñòü äëÿ êîýôôèöèåíÐèñ.7.3. Êîýôôèöèåíò ïîãëîïçùåíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà.òà ïðîïóñêàíèÿ îò îòíîøåíèÿ I / I íàñïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõíà÷àëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ (ýòè çíà÷åíèÿ ñîîòâåòñòâóþò ℵïç Lïç =1,2, 3, 4 è 5).Íà ýòîì ýòàïå ðàññìîòðåíèÿ ðàáîòû ïàññèâíîãî çàòâîðà âàæíî îòìåòèòü, ÷òî ñ òî÷êèïççðåíèÿ êèíåòèêè ïðîòåêàþùèõ â íåì ïðîöåññîâ, ìû îïðåäåëÿåì ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: Qíàñïç( I íàñ), τ æïç , βïç , Lïç , ℵïç è kïç . Ïàðàìåòðû èñïîëüçóåìûõ íà ïðàêòèêå çàòâîðîâ ïðèâåäåíû âòàáë.7.1. Åñëè ïàðàìåòðû çàòâîðà âûáðàíû òàêèìè, ÷òî îí íà ýòàïå íàêà÷êè çàêðûò è ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü èíâåðñíóþ íàñåëåííîñòü â àêòèâíîì ýëåìåíòå, à ïðè ãåíåðàöèè çàòâîð ïðîñâåòëÿåòñÿ íà ýòàïå ëèíåéíîãî ðàçâèòèÿ, òî äëÿ îáùåãî àíàëèçà ïðîöåññà ãåíåðàöèè ëàçåðàìîæíî èñïîëüçîâàòü äâà ïàðàìåòðà: Tïçí è Tïçêîí .
 ýòîì ñëó÷àå ìû ìîæåì èñïîëüçîâàòü ìåòîäû, ðàçâèòûå â ðàçäåëàõ 5 è 6 äëÿ ëàçåðà ñ àêòèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè. Èìåþùèåñÿîòëè÷èÿ äëÿ âûáîðà ýòèõ ïàðàÒàáë.7.1.ìåòðîâ áóäóò ðàññìîòðåíû íèæå.ïçïçïçÍà ïðàêòèêå äëÿ îöåíêèÑðåäàσ,10-16ℵ,τ æ , Qíàñ ,I íàñ ,ïç-1222êà÷åñòâà ìàòåðèàëà ÏÇ ââîäÿò ïîñìñìíñÄæ/ñìÌÂò/ñì2êàçàòåëüêà÷åñòâà FOM (figure ofLiF:F0,15- 1000,01165-801-2merit), ðàâíûé ℵïç / βïç . Âûðàæåíèÿ0,170,0124+(7.3) è (7.4) îïðåäåëÿþò åãî ñâÿçü ñYAG: Cr0,054 5000,0357010íêîí4+Tïç è Tïç .YSGG: Cr0,055400,0376810Îáùèå ïðèíöèïû ãåíåðàöèè â ëàçåðå ñ ïàññèâíûì çàòâîðîì.
Ðàññìîòðèì îáùèåïðèíöèïû ãåíåðàöèè â ëàçåðå ñ ïàññèâíûì çàòâîðîì.  èñõîäíîì ñîñòîÿíèè íà÷àëüíîå ïðîïóñêàíèå ïàññèâíîãî çàòâîðà ðàâíî Tïçí è â ýòîì ñëó÷àå ñóììàðíûå ïîòåðè ðàâíû βΣí . Ïðè íàêà÷êå àêòèâíîãî ýëåìåíòà ïðîèñõîäèò ðîñò êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû.  òîì ñëó÷àå, êîãäà k ( t ) ñòàíåò ðàâåí βΣí è íåìíîãî ïðåâûñèò åãî, óñëîâèå ãåíåðàöèè áóäåò âûïîëíåíî è â ðåçîíàòîðå íà÷íåò íàðàñòàòü ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ.
Íî çàòâîð â ýòîì ñîñòîÿíèè ïîêà çàêðûò.Ðàçíîñòü k0 − βΣí ìàëà è ãåíåðàöèÿ ðàçâèâàåòñÿ ìåäëåííî, âðåìÿ ëèíåéíîãî ðàçâèòèÿ âåëèêî.Ïî ìåðå íàðàñòàíèÿ ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ íà÷èíàåò ïðîñâåòëÿòüñÿ çàòâîð, óìåíüøàÿ âåëè÷èíóβΣ . Ðàçíîñòü k0 − βΣ óâåëè÷èâàåòñÿ, ìîùíîñòü â ðåçîíàòîðå íàðàñòàåò ñ áîëüøåé ñêîðîñòüþ.115Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ëàçåð ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.Âîçðàñòàþùàÿ ìîùíîñòü îêîí÷àòåëüíî îòêðûâàåò çàòâîð. Ïîòåðè βΣ óìåíüøàþòñÿ äî âåëè÷èíû βΣêîí , çàêàí÷èâàåòñÿ ýòàï ëèíåéíîãî ðàçâèòèÿ è ïîñëå ýòîãî ôîðìèðóåòñÿ èìïóëüñ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.Íåòðóäíî îïðåäåëèòü îáùèå òðåáîâàíèÿ ê ïàðàìåòðàì ïàññèâíîãî çàòâîðà.
 ðàçäåëå 5áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàêñèìàëüíóþ ýíåðãèþ èçëó÷åíèÿ (ïðè çàäàííîé ýíåðãèè íàêà÷êè) ìîæíîïîëó÷èòü â òîì ñëó÷àå, åñëè ê ìîìåíòó âûñâå÷èâàíèÿ ìîíîèìïóëüñà çàòâîð ïîëíîñòüþ îòêðûò. ëàçåðå ñ ïàññèâíûì çàòâîðîì ìîäóëÿòîð äîáðîòíîñòè îòêðûâàåòñÿ íà ýòàïå ëèíåéíîãî ðàçâèòèÿ, êîãäà åùå íå íà÷àëîñü ôîðìèðîâàíèå ìîíîèìïóëüñà. Ïðè ôîðìèðîâàíèè ìîíîèìïóëüñà ïëîòíîñòü ýíåðãèè ïðîøåäøåãî ÷åðåç àêòèâíûé ýëåìåíò ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñòàíîâèòñÿñîèçìåðèìîé ñ ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè íàñûùåíèÿ ñðåäû. Ïîýòîìóäëÿ òîãî, ÷òîáû ïàññèâíûé çàòâîð ïðîñâåòëÿëñÿ äî íà÷àëàôîðìèðîâàíèÿ ìîíîèìïóëüñà, íåîáõîäèìî, ÷òîáû åãî ïëîòíîñòü ìîùíîñòè íàñûùåíèÿ áûëà ìåíüøå, ÷åì ïëîòíîñòü ýíåðïçàýãèè íàñûùåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà ( I íàñ< Qíàñ/ τ æïç ).ïçàýÂûáîð óñëîâèÿ I íàñ< Qíàñ/ τ æïç òàêæå âàæåí ñ ýíåðãåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ.
Ïîãëîùàåìàÿ â ïàññèâíîì çàòâîðåýíåðãèÿ èçëó÷àåòñÿ â âèäå ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ íà äðóãîéäëèíå âîëíû. Ïî ñóòè ñâîåé ýòî âðåäíûå ïîòåðè.  òîì ñëó÷àå,êîãäà ïëîòíîñòü ýíåðãèè íàñûùåíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà ñîèçìåðèìà ñ ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè íàñûùåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà,Ðèñ.7.4. Êîýôôèöèåíò ïðîïóñâ ïàññèâíîì çàòâîðå òåðÿåòñÿ çàìåòíàÿ ÷àñòü îò ýíåðãèè ëàêàíèÿ ïàññèâíîãî çàòâîðà.çåðíîãî èçëó÷åíèÿ.7.3.
Óðàâíåíèÿ äëÿ ëàçåðà ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.Ïðîöåññû ãåíåðàöèè ëàçåðà ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè îïèñûâàþòñÿ òîé æåñèñòåìîé óðàâíåíèÿ, ÷òî è äëÿ ëàçåðà ñ àêòèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè (5.24) è (5.25).Òî÷íî òàêæå ìîæíî âûäåëèòü äâà ïðîöåññà - ïðîöåññ çàïàñàíèÿ ýíåðãèè è ïðîöåññ ãåíåðàöèèèìïóëüñà èçëó÷åíèÿ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
