Лазеры на основе конденсированных сред - Контрольная работа

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создается: 1) в твердых телах - главным образом в диэлектрических кристаллах и стеклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также - в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника, 2) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы - молекулы органических красителей. В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счет индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул.Важной особенностью ОН является ее селективность, а именно: подбором длины волны излучения ОН можно избирательно возбуждать нужное квантовое состояние активных частиц. Найдем условия, обеспечивающие максимальную эффективность процесса возбуждения активных частиц за счет оптической накачки (ОН), в результате чего активная частица испытывает квантовый переход из энергетического состояния ‘i’ в вышерасположенное по шкале энергии возбужденное состояние ‘k’. Для этого воспользуемся выражением для мощности излучения источника ОН, поглощаемой активными частицами облучаемой среды (см., раздел 1.9) ОН эффективна при высокой плотности активных частиц, а именно, из всего многообразия сред - для сред, находящихся в конденсированном состоянии (твердых тел и жидкостей); 2) В состоянии ТДР распределение частиц по состояниям с различными значениями внутренней (потенциальной) энергии описывается формулой Больцмана, а именно: максимальной заселенностью обладает основное (низшее) энергетическое состояние частицы и ансамбля в целом.1) нижним лазерным уровнем "1" является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем "2" является относительно долгоживущий уровень, а уровень "3", связанный с уровнем "2" быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу "1">"3". Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми g1=g2=g3, запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней "3" и "2" в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях: (2) где n1, n2, n3 - концентрации частиц на уровнях 1, 2 и 3, Wn1 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "1" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik - вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объема. Так как всегда Wпор>0, то отсюда следует, что w32>w21, т.е. вероятность накачки уровня "2" релаксационными переходами с уровня "3" должна быть больше вероятности его релаксации в состояние "1".Этот твердотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). 1 - рубиновый стержень, 2 - лампа накачки, 3 - эллиптический отражатель, 4а - неподвижное зеркало резонатора, 4б - вращающееся зеркало резонатора, модулирующее добротность резонатора, Сн - накопительный конденсатор, R - зарядный резистор, "Кн" - кнопка пуска импульса тока через лампу; показан вход и выход охлаждающей воды. Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней "3а" и "3б" Cr3 по каналу "1">"3" ионами Cr3 при поглощении ионами Cr3 излучения импульсной ксеноновой лампы. Пороговая величина накачки с учетом статвесов уровней соответствует переводу на уровень "2" около ? всех активных частиц, что при накачке с ?0,56 мкм требует удельную энергию излучения Епор>2Дж/см3 (и мощность Рпор>2КВТ/см3 при длительности импульса накачки ??10-3c). Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причем лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса.Такой усилитель, называемый часто "EDFA" (аббревиатура от "Erbium Dopped Fiber Amplifier"), работает по трехуровневой схеме на квантовых переходах между электронными состояниями Er3 в кварцевом волокне, легированном эрбием: SIO2:Er3 (рис. Под действием излучения накачки на длинах волн 980нм (или 1480нм) ионы Er3 переходят из состояния "1" в короткоживущие состояния "3а" или "3б", а затем быстрыми безызлучательными переходами (w32~106c-1) - в состояние "2", которое является квазиметастабильным (w21~102c-1, а ?2~10мс). Таким образом, требование w32>>w21 выполняется, и на уровне "2" происходит накопление частиц, число которых при превышении уровня накачки над ее пороговым значением W>Wпор, превышает населенность уровня "1", т.е. возникнет

Содержание

Введение

1. Специфика оптической накачки активной среды лазера

2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по "трехуровневой схеме"

2.1 Теоретический анализ трехуровневой схемы

2.2 Рубиновый лазер

2.3 Эрбиевый волоконнооптический квантовый усилитель

3. Лазеры с оптической накачкой, работающие по "четырехуровневой схеме"

3.1 Теоретический анализ четырехуровневой схемы

3.2 Неодимовый лазер

3.3 Преобразование частоты излучения в нелинейной среде

3.4 Перестраиваемые лазеры на красителях

3.5 Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном

3.6 Перестраиваемые лазеры на центрах окраски

3.7 Волоконные лазеры

4. Параметрическая генерация света

5. Полупроводниковые лазеры

5.1 Принцип действия

5.2 ДГС-лазеры

5.3 РОС- и ВРПИ-лазеры

Список литературы

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создается: 1) в твердых телах - главным образом в диэлектрических кристаллах и стеклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также - в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника, 2) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы - молекулы органических красителей.

В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счет индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул. В полупроводниковых структурах вынужденное излучение возникает в результате рекомбинации свободных электронов и дырок. В отличие от газовых лазеров (см., раздел 4) инверсия населенностей в твердотельных и жидкостных лазерах всегда создается на переходах, близкорасположенных к основному энергетическому состоянию активной частицы.

Поскольку диэлектрические кристаллы не проводят электрический ток, то для них а также и для жидких сред используется т.наз. оптическая накачка - накачка лазерного перехода оптическим излучением (светом) от вспомогательного источника.

В полупроводниковых лазерах чаще используется накачка электрическим током (инжекционным током), протекающим через полупроводник в прямом направлении, реже - другие типы накачки: оптическая накачка, либо накачка бомбардировкой электронами.