усиливающая среда

Определения:
Лазерный усилитель.

В лазерной физике лазерная усиливающая среда - это среда, которая излучает большую световую мощность (обычно в виде луча). Среда в лазере должна компенсировать потерю резонатора, также часто называемую лазерной активной средой. Он также может быть использован в волоконно - оптических усилителях. Усиление - это степень увеличения.
Поскольку усиливающая среда увеличивает энергию увеличенного луча, сама среда также нуждается в получении энергии, то есть через процесс насоса, который обычно предназначен для тока (электрической накачки) или входной световой волны (оптической накачки), а длина волны накачки меньше длины волны сигнального света.

Типы лазерных сред усиления
Существует много видов усиливающих сред, которые часто встречаются следующим образом:

1. Некоторые полупроводники с прямым зазором, такие как GaAs, AlGaAs, InGaAs, обычно накачиваются током в виде квантовых ловушек (см. Полупроводниковые лазеры)
2. Лазерные кристаллы или стекло, такие как Nd: YAG (с неодимовым иттриевым алюминиевым гранатом, см. лазер на иттриевском алюминиевом гранате), Yb: YAG (с иттербием YAG), Yb: стекло, Er: YAG (с эрбием YAG) или титановый сапфир в твердой пластинчатой форме (см. лазер на теле) или оптическое стекловолокно (волоконно - оптический лазер, волоконно - оптический усилитель). Эти кристаллы или стекло смешиваются с некоторыми лазерно - активными ионами (в большинстве случаев трехвалентными ионами редкоземельных элементов, иногда переходными ионами металлов) и накачиваются световыми волнами. Лазеры, использующие эти среды, часто называют лазерами с легированными изоляторами.
3. Керамические усиливающие среды, как правило, также легируются ионами редкоземельных элементов.
4. В лазерах на красителях используются лазерные красители, обычно жидкие растворы.
5. Газовые лазеры - это газовые или газовые смеси, которые обычно используют разрядные насосы (например, лазеры CO2 и лазеры на возбужденных квазимолекулах).
6. Некоторые специальные усиливающие среды, такие как химические усиливающие среды (которые преобразуют химическую энергию в световую энергию), ядерные насосные среды, а также осцилляторы в лазерах на свободных электронах (которые переносят энергию из быстрых электронных лучей в лучи).

По сравнению с большинством кристаллических материалов, ионно - легированное стекло имеет большую полосу пропускания усиления, что позволяет настраивать большие длины волн и генерировать ультракороткие импульсы. Недостатками являются несколько плохие температурные характеристики (ограничение получаемой выходной мощности) и небольшое сечение лазера, что приводит к большому порогу мощности насоса (для лазеров с пассивным замком) и Q - нестабильности. Более подробную информацию можно найти в статье Сравнение кристаллов лазера со стеклом.
Концентрация легирования кристаллов, керамики и стекла обычно требует тщательной оптимизации. В случае сильного поглощения насосом на коротковолновой длине требуется более высокая концентрация легирования, но это также может привести к потере энергии, связанной с процессом закалки, таким как процесс преобразования вверх и передача энергии в дефекты, вызванные кластерами активных ионов лазера.

Важные физические эффекты.
В большинстве случаев физическая основа процесса усиления состоит в том, что возбужденное излучение, то есть падающий фотон вызывает больше фотонного излучения, которое является возбужденным лазерным активным ионом, который сначала переходит в возбужденное состояние с немного более низкой энергией. Процессы в четырехуровневой среде усиления и трехуровневой среде усиления различаются.
Процесс усиления, который происходит нечасто, - это интенсивное рассеяние Рамана, которое включает в себя преобразование некоторых высокоэнергетических фотонов накачки в фотоны и фононы низкого энергетического уровня (связанные с вибрацией решетки). Если мощность падающего света высока, усиление уменьшается после того, как среда усиления достигает насыщения усиления. То есть, при ограниченной мощности насоса,
Усилитель не может добавлять любое количество энергии в падающий луч. В лазерных усилителях количество ионов верхнего энергетического уровня при насыщении уменьшается из - за возбужденного излучения.
В усиливающей среде существует тепловой эффект, так как часть мощности Pu - света насоса преобразуется в тепло. Полученные температурные градиенты и сопутствующие им механические напряжения вызывают призматические эффекты, которые искажают увеличенный луч. Эти эффекты разрушают массу луча лазера, снижают эффективность, преимущества и даже разрушают усиливающую среду (тепловой разрыв).

Физические свойства лазерной среды усиления
В лазерных приложениях важны физические свойства многих усиливающих сред. К числу основных относятся:

1. В процессе лазерного перехода в области, требующей длины волны, оптимальное пиковое усиление происходит в этой области
2. Высокая прозрачность базовой среды на рабочих длинах волн
3. Хороший источник света накачки, эффективное поглощение накачки
4. Подходящий срок службы на верхнем энергетическом уровне: достаточно длинный для применения Q - переключателя и достаточно короткий для быстрой модуляции мощности
5. Высокая квантовая эффективность, полученная от эффекта низкой закалки, поглощения возбужденного состояния и аналогичных процессов, или от благоприятных эффектов, таких как многофотонные переходы или передача энергии
6. Идеальное четырехуровневое поведение, поскольку квазитрехуровневое поведение вводит дополнительные ограничения
7. Высокая прочность и долголетие, химическая стабильность
8. Для твердотельных сред с усилением: базовая среда требует хорошей оптической массы, может быть разрезана или отполирована высокой массой (подходящая твердость), позволяет легировать высокие концентрации активных ионов лазера без образования кластеров, хорошая химическая стабильность, хорошая теплопроводность и низкая тепловая оптическая система (слабый эффект тепловой призмы при работе высокой мощности), сопротивление механическим напряжениям, оптическая изотропия обычно требуется, но иногда требуется двойное преломление (уменьшение эффекта тепловой деполяризации) и усиление, связанное с поляризацией (см. поляризацию лазерного излучения)
9. Порог мощности низкого насоса при высоком усилении: произведение сечения излучения относительно велико по сравнению с продолжительностью жизни на верхнем энергетическом уровне
10. Низкие требования к качеству луча к источнику накачки: требуется высокое поглощение накачки
11. Настройка длины волны: требуется большая полоса усиления
12. Создание ультракоротких импульсов: широкий спектр усиления и плоский; Правильная дисперсия и нелинейность
13. Лазер с пассивным замком без модуляции Q - стабильности: достаточно большое сечение лазера
14. Импульсное усиление высокой энергии (усилитель с положительной обратной связью): влияние высокого порога оптического повреждения и менее высокого насыщения на усиление

Обратите внимание на то, что в некоторых случаях требуются противоречивые требования. Например, очень низкие квантовые дефекты несовместимы с четырехуровневой системой. Большая полоса усиления соответствует меньшему сечению лазера по сравнению с идеальным состоянием, и таким образом квантовый дефект не будет небольшим. Неупорядоченность в твердотельных средах усиления повышает пропускную способность усиления, но также снижает теплопроводность.
Короткая длина поглощения насоса выгодна, но это усиливает тепловой эффект.
Требования к усиливающим средам в разных ситуациях различны. Поэтому многие усиливающие среды по - прежнему важны для применения, и выбор подходящей усиливающей среды необходим для оптимизации конструкции лазера.