Распределение поля для простейших типов колебаний. Выходная мощность лазерного генератора. Межзонные оптические переходы в полупроводниках. Добротность, определяемая выводом излучения через зеркала. Распространение испускания в анизотропных средах.
Аннотация к работе
Если населенности уровней равны, то - случай просветления среды.Состояние вещества, при котором населенность верхнего энергетического уровня превышает населенность нижнего уровня - инверсия населенностей.
- степень инверсии (инверсная перенаселенность).
Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей - лазерная (мазерная) активная среда, соответствующий рабочий элемент усилителя - активный элемент.
Инверсия населенностей энергетических уровней достигается в термодинамически неравновесных системах с помощью накачки.
Методы осуществления накачки: 1. Накачка вспомогательным излучением (оптическая накачка).
Заключается в том, что активное вещество облучают мощным электромагнитным излучением, назыв. вспомогательным излучением или излучением накачки.
Исп. для накачки твердотельных лазеров на диэлектриках, жидкостных, полупроводниковых и газовых лазеров.
2. Накачка с помощью газового разряда.
Исп. в газоразрядных лазерах.
3. Сортировка частиц.
Исп. в приборах СВЧ-диапазона (пучковых мазерах).
4. Инжекция неосновных носителей заряда через p-n-переход.
Исп. в полупроводниковых инжекционных лазерах.
5. Возбуждение частицами высоких энергий.
Исп. в полупроводниковых лазерах с электронной накачкой.
6. Химическая накачка.
Исп. в газовых лазерах.
7. Газодинамическая накачка.
Исп. в газовых лазерах.
Если частота перехода лежит в оптическом диапазоне - лазерный усилитель, если в СВЧ-диапазоне - мазерный усилитель.
2. Оптический резонатор, спектральная плотность собственных колебаний, потери энергии и добротность. Добротность, определяемая выводом излучения через зеркала
Резонатор - колебательная система, в которой возможно накопление энергии акустических, механических или электромагнитных волн.
Собственные колебания резонатора (моды) - колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну.
Объемный резонатор - полость с проводящими стенками, внутри которой могут возбуждаться электромагнитные колебания.
Электрическое поле: , где - собственная частота резонатора.
Для прямоугольного параллелепипеда с размерами , , длины волн собственных типов колебаний находят из соотношения:
Условия образования стоячей волны кубе с ребром L: , , , где - волновое число, m, n, q - целые числа.
Полное число типов колебаний при изменении волнового вектора от 0 до k равно объему сферы радиуса k, деленному на объем, приходящийся на один тип колебаний :
В оптическом диапазоне (при ) число собственных колебаний в единице объема в единичном интервале частот:
Открытый резонатор - объемный резонатор, отражающие стенки которого не замкнуты.
Оптический резонатор - открытый резонатор для оптического диапазона.
Плоский резонатор - простейший оптический резонатор (два плоских зеркала, расположенных строго параллельно друг другу).
Прямая, проходящая через центры зеркал, перпендикулярно их поверхности - оптическая ось резонатора.
Добротность оптического резонатора - отношение энергии, запасенной в резонаторе, к средней энергии, теряемой за часть периода колебаний.
Добротность оптического резонатора:
- полная энергия, запасенная в резонаторе.
- энергия, теряемая за период.
- энергия, теряемая за 1 с.
Добротность определяется потерями в резонаторе. Изменение энергии, запасенной в моде частотой за время dt: .
Следовательно,
Следовательно постоянная времени моды затухания резонатора: - время жизни фотона.
Для вывода излучении наружу исп. полупрозрачное зеркало (R - коэффициент отражения). Потери на излучение - полезные потери резонатора.
Если длина резонатора , то теряемая за единицу времени энергия равна: , следовательно, добротность резонатора, определяемая потерями на излучение: , где - коэффициент пропускания.
Аксиальные колебания - колебания, распространяющиеся строго вдоль оптической оси, обладающие наивысшей добротностью.
Расстояние между ближайшими типами колебаний для плоского резонатора:
Рассмотрим резонатор: , , :
В случае неаксиальных (поперечных) мод: Для колебаний, отличающихся друг от друга на единицу по индексу m:
где
- безразмерный параметр (число Френеля).
Для колебаний, отличающихся друг от друга на единицу по индексу n: Моды с одинаковыми q, но разными m и n, удовлетворяющие условию , имеют одну и ту же частоту и назыв. частично вырожденными.
4. Принцип Гюйгенса-Френеля для расчета светового поля в открытом резонаторе. Распределение поля для простейших типов ТЕМ колебаний. Дифракционные потери
Дифракционные потери - связанные с дифракцией электромагнитной волны на зеркалах резонатора, имеющих конечные размеры. Дифр. потери определяются соотношением: (чем меньше поперечные р