- •Вариант 6 Содержание
- •Принцип работы лазера на рубине. Схема энергетических уровней рубинового лазера.
- •Работа лазера в режиме модулированной добротности
- •Электрооптические затворы.
- •Механические затворы.
- •Затворы на основе насыщающихся поглотителей.
- •Акустооптическая модуляция добротности.
- •Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера.
- •4 Расчет параметров твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме модулированной добротности с пассивным затвором при использовании водяного охлаждения.
- •5 Расчет выходной энергии излучения и пороговой энергии накачки твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме свободной генерации
- •Заключение
Вариант 6 Содержание
1. Механизм создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах
2.Принцип работы лазера на рубине
3. Работа лазера в режиме модулированной добротности
4. Расчет характеристик рубинового лазера,
работающего в режиме модулированной добротности
5. Расчет характеристик рубинового лазера,
работающего в режиме свободной генерации
Выводы
Анализ механизма создания инверсии населенностей в трехуровневых схемах.
Для того чтобы понять механизм создания инверсии населенностей в трехуровневой схеме достаточно взглянуть на схематический рисунок (рис1). В зависимости от того, между какими уровнями достигается инверсия, различают трехуровневые схемы двух видов. Первого – когда рабочий переход заканчивается в основном состоянии (рис 1.а).). Второго – когда накачка осуществляется по возможности селективно на уровень E3 (рис 1.б).). По первой схеме строиться лазеры на рубине, а по второй гелий-неоновые лазеры.
Во всех трехуровневых семах канал накачки и канал усиления частично разделены, что позволяет использовать универсальный метод оптической накачки, а также накачку с помощью газового разряда. Возможность получения инверсии населенностей с помощью оптической накачки в трехуровневой системе довольно очевидна. Например, если в схеме второго типа осуществить селективные переход E1->E3, то уровень E3 окажется инверсно заселенным относительно уровня E2 (при kT<<E2-E1). Из рисунка можно заключить, что накопление частиц на верхнем лазерном уровне (E2 в схеме первого типа и E3 – в схеме второго типа) будет в том числе, если релаксационные процессы E1->E3 в схеме а) и E2->E1 в схеме б) идут достаточно быстро, а верхний рабочий уровень является метастабильным.
Определяется зависимость населенностей уровней от плотности возбуждающего излучения накачки . Рассмотрим трехуровневую схему первого типа. Предполагается, что возбуждение системы (накачка) осуществляется чисто оптическим путем в канале 1->3, а внешнее возбуждение в каналах 2->3 и 1-2 отсутствует (или мало). Скорость релаксации 3-2 обозначим. Она может осуществляться за счет излучательных и безизлучательных переходов, так что. Рассматривается сначала режим усиления, когда активное вещество не находится в резонаторе. Соответствующие переходы изображены на рис 2.
Кинетические уравнения в этом случае для стационарного режима будут иметь вид:
;
Приняв для простоты кратности вырождения уровней g1=g2=g3=1 и решая систему уравнений, находятся населенности уровней:
Далее подставляем уравнение (3) системы в (2):
Из уравнения (2) системы выразим населенность N2 и подставим в уравнение (*):
тогда населенность третьего уровня определяется выражением:
, а т.к. B31=B13
Зная выражение для населенностей уровней N2 и N3 из уравнения (3) находится из соотношения для населенности уровня N1:
Зависимость относительной населенности уровней Ni/N от плотности накачки согласно полученных выражений представлена на рис. 2(б). При больших плотностях накачки населенности основного и верхнего состояний в пределе стремятся к
,
а населенность уровня E2 при стремиться к.
При , как видно из рис 2 (б), начиная с некоторого значения плотности накачки между уровнямиE2 и E1будет наблюдаться инверсия населенностей (N2>N1), Величина называется пороговой плотностью накачки по инверсии.
С увеличением >инверсия увеличивается.
Пороговая накачка для генерации будет превышать пороговую накачку по инверсии, поскольку для возникновения генерации необходимо выполнить еще условия самовозбуждения. Приравнивая выражения для N1 и N2, находиться :
Из проведенного рассмотрения вытекает, что для накопления частиц на уровне E2 и создания максимальной инверсии населенностей наиболее выгодны системы с большим значением (переход 3->2 должен быть метастабильным) и большим коэффициентом ЭнштейнаB13 (оптический переход 1->3 должен быть разрешен)
В кинетических уравнениях вероятность переходи считалась постоянной, не зависящей от скорости накачки. Это справедливо в отсутствие генерации, когда опустошение уровняE2 за счет вынужденных переходов можно пренебречь. Если же активное вещество помещается в резонатор, то после превышения инверсии над некоторым пороговым значением начинает развиваться процесс генерации. Наличие интенсивного излучения на частоте и связанных с этим вынужденных переходов 2->1 и 1->2 вызывает изменение населенностей уровней. Возрастание интенсивности накачкиприводит к увеличению инверсииN=N2-N1 и увеличению усиления. Это увеличивает , что в свою очередь обуславливает выравнивает населенностейN2 и N1, т.е. происходит процесс насыщения инверсии населенностей и коэффициент усиления. Увеличение поступления частиц на уровень E2, вызываемое постом накачки, компенсируется возрастанием числа активных переходов 2->1. Поэтому в режиме генерации инверсия N=N2-N1 остается приблизительно постоянной, как изображено пунктирными линиями на рис 2.(б). Ее значение примерно равно пороговой перенаселенности, при которой усиление превышает потери в генераторе и каждая достигается при пороговой накачке, равной .