Medio láser activo - Active laser medium

El medio láser activo (también llamado medio de ganancia o medio láser ) es la fuente de ganancia óptica dentro de un láser . La ganancia resulta de la emisión estimulada de fotones a través de transiciones electrónicas o moleculares a un estado de menor energía desde un estado de mayor energía previamente poblado por una fuente de bombeo .

Ejemplos de medios láser activos incluyen:

• Ciertos cristales , típicamente dopados con iones de tierras raras (por ejemplo , neodimio , iterbio o erbio ) o iones de metales de transición ( titanio o cromo ); más a menudo granate de itrio aluminio ( Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ), ortovanadato de itrio (YVO ₄ ) o zafiro (Al ₂ O ₃ ); y pocas veces Bromuro de cadmio de cesio ( Cs Cd Br ₃ )
• Vidrios , por ejemplo vidrios de silicato o fosfato, dopados con iones activados por láser;
• Gases , por ejemplo, mezclas de helio y neón (HeNe), nitrógeno , argón , monóxido de carbono , dióxido de carbono o vapores metálicos;
• Semiconductores , por ejemplo, arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio indio (InGaAs) o nitruro de galio (GaN).
• Líquidos, en forma de soluciones de tinte como se utilizan en láseres de tinte .

Para disparar un láser, el medio de ganancia activa debe estar en una distribución de energía no térmica conocida como inversión de población . La preparación de este estado requiere una fuente de energía externa y se conoce como bombeo láser . El bombeo puede realizarse con corrientes eléctricas (por ejemplo, semiconductores o gases a través de descargas de alto voltaje ) o con luz, generada por lámparas de descarga o por otros láseres ( láseres semiconductores ). Los medios de ganancia más exóticos pueden bombearse mediante reacciones químicas , fisión nuclear o con haces de electrones de alta energía .

Ejemplo de un modelo de ganancia media

Figura 1. Esquema simplificado de niveles a medio de ganancia

El modelo más simple de ganancia óptica en sistemas reales incluye solo dos grupos de subniveles, energéticamente bien separados. Dentro de cada grupo de subniveles, las transiciones rápidas aseguran que el equilibrio térmico se alcance rápidamente. (figura 1) . Las emisiones estimuladas entre los grupos superior e inferior, imprescindibles para la ganancia, requieren que los niveles superiores estén más poblados que los correspondientes inferiores. Esto se logra más fácilmente si las velocidades de transición no estimuladas entre los dos grupos son lentas, es decir, los niveles superiores son metaestables . Las inversiones de población se producen más fácilmente cuando solo se ocupan los subniveles más bajos, lo que requiere temperaturas bajas o grupos bien divididos energéticamente.

En el caso de la amplificación de señales ópticas, la frecuencia láser se denomina frecuencia de señal. Si la energía proporcionada externamente requerida para la amplificación de la señal es óptica, será necesariamente a la misma frecuencia de bombeo o a una mayor .

Secciones cruzadas

El medio simple se puede caracterizar con secciones transversales efectivas de absorción y emisión a frecuencias y . ${\ Displaystyle ~ \ omega _ {\ rm {p}} ~}$${\ Displaystyle ~ \ omega _ {\ rm {s}}}$

• Debe haber concentración de centros activos en los láseres de estado sólido.${\ Displaystyle ~ N ~}$
• Debe haber concentración de centros activos en el estado fundamental.${\ Displaystyle ~ N_ {1} ~}$
• Tenga concentración de centros excitados.${\ Displaystyle ~ N_ {2} ~}$
• Tener .${\ Displaystyle ~ N_ {1} + N_ {2} = N}$

Las concentraciones relativas se pueden definir como y . ${\ Displaystyle ~ n_ {1} = N_ {1} / N ~}$${\ Displaystyle ~ n_ {2} = N_ {2} / N}$

La tasa de transiciones de un centro activo desde el estado fundamental al estado excitado se puede expresar con y ${\ Displaystyle ~ W _ {\ rm {u}} = {\ frac {I _ {\ rm {p}} \ sigma _ {\ rm {ap}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} } + {\ frac {I _ {\ rm {s}} \ sigma _ {\ rm {as}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}}} ~}$

La tasa de transiciones de regreso al estado fundamental se puede expresar con , donde y son secciones transversales efectivas de absorción a las frecuencias de la señal y la bomba. ${\ Displaystyle ~ W _ {\ rm {d}} = {\ frac {I _ {\ rm {p}} \ sigma _ {\ rm {ep}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} } + {\ frac {I _ {\ rm {s}} \ sigma _ {\ rm {es}}} {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}}} + {\ frac {1} {\ tau }} ~}$${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {as}} ~}$${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {ap}} ~}$

${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {es}} ~}$y son los mismos para la emisión estimulada; ${\ Displaystyle ~ \ sigma _ {\ rm {ep}} ~}$

${\ Displaystyle ~ {\ frac {1} {\ tau}} ~}$ es la tasa de decaimiento espontáneo del nivel superior.

Entonces, la ecuación cinética para poblaciones relativas se puede escribir de la siguiente manera:

${\ Displaystyle ~ {\ frac {{\ rm {d}} n_ {2}} {{\ rm {d}} t}} = W _ {\ rm {u}} n_ {1} -W _ {\ rm { d}} n_ {2}}$,

${\ Displaystyle ~ {\ frac {{\ rm {d}} n_ {1}} {{\ rm {d}} t}} = - W _ {\ rm {u}} n_ {1} + W _ {\ rm {d}} n_ {2} ~}$ Sin embargo, estas ecuaciones se mantienen . ${\ Displaystyle ~ n_ {1} + n_ {2} = 1 ~}$

La absorción a la frecuencia de la bomba y la ganancia a la frecuencia de la señal se pueden escribir de la siguiente manera: ${\ Displaystyle ~ A ~}$${\ Displaystyle ~ G ~}$

${\ Displaystyle ~ A = N_ {1} \ sigma _ {\ rm {pa}} - N_ {2} \ sigma _ {\ rm {pe}} ~}$, . ${\ Displaystyle ~ G = N_ {2} \ sigma _ {\ rm {se}} - N_ {1} \ sigma _ {\ rm {sa}} ~}$

Solución de estado estacionario

En muchos casos, el medio de ganancia funciona en un régimen de onda continua o cuasi-continuo , lo que hace que las derivadas temporales de las poblaciones sean insignificantes.

La solución de estado estable se puede escribir:

${\ Displaystyle ~ n_ {2} = {\ frac {W _ {\ rm {u}}} {W _ {\ rm {u}} + W _ {\ rm {d}}}} ~}$, ${\ Displaystyle ~ n_ {1} = {\ frac {W _ {\ rm {d}}} {W _ {\ rm {u}} + W _ {\ rm {d}}}}.}$

Las intensidades de saturación dinámica se pueden definir:

${\ Displaystyle ~ I _ {\ rm {po}} = {\ frac {\ hbar \ omega _ {\ rm {p}}} {(\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm { ep}}) \ tau}} ~}$, . ${\ Displaystyle ~ I _ {\ rm {so}} = {\ frac {\ hbar \ omega _ {\ rm {s}}} {(\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm { es}}) \ tau}} ~}$

La absorción a señal fuerte: . ${\ Displaystyle ~ A_ {0} = {\ frac {ND} {\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm {es}}}} ~}$

La ganancia en una bomba fuerte:, donde es determinante de la sección transversal. ${\ Displaystyle ~ G_ {0} = {\ frac {ND} {\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm {ep}}}} ~}$${\ Displaystyle ~ D = \ sigma _ {\ rm {pa}} \ sigma _ {\ rm {se}} - \ sigma _ {\ rm {pe}} \ sigma _ {\ rm {sa}} ~}$

La ganancia nunca excede el valor y la absorción nunca excede el valor . ${\ Displaystyle ~ G_ {0} ~}$${\ Displaystyle ~ A_ {0} U ~}$

A intensidades dadas , de bombeo y señal, la ganancia y la absorción se pueden expresar de la siguiente manera: ${\ Displaystyle ~ I _ {\ rm {p}} ~}$${\ Displaystyle ~ I _ {\ rm {s}} ~}$

${\ Displaystyle ~ A = A_ {0} {\ frac {U + s} {1 + p + s}} ~}$, , ${\ Displaystyle ~ G = G_ {0} {\ frac {pV} {1 + p + s}} ~}$

donde , , , . ${\ Displaystyle ~ p = I _ {\ rm {p}} / I _ {\ rm {po}} ~}$${\ Displaystyle ~ s = I _ {\ rm {s}} / I _ {\ rm {so}} ~}$${\ Displaystyle ~ U = {\ frac {(\ sigma _ {\ rm {as}} + \ sigma _ {\ rm {es}}) \ sigma _ {\ rm {ap}}} {D}} ~}$${\ Displaystyle ~ V = {\ frac {(\ sigma _ {\ rm {ap}} + \ sigma _ {\ rm {ep}}) \ sigma _ {\ rm {as}}} {D}} ~}$

Identidades

Las identidades siguientes tienen lugar: ,${\ Displaystyle UV = 1 ~}$${\ Displaystyle ~ A / A_ {0} + G / G_ {0} = 1 ~. \}$

El estado del medio de ganancia se puede caracterizar con un solo parámetro, como la población del nivel superior, la ganancia o la absorción.

Eficiencia del medio de ganancia

La eficiencia de un medio de ganancia se puede definir como . ${\ Displaystyle ~ E = {\ frac {I _ {\ rm {s}} G} {I _ {\ rm {p}} A}} ~}$

Dentro del mismo modelo, la eficiencia se puede expresar de la siguiente manera: . ${\ Displaystyle ~ E = {\ frac {\ omega _ {\ rm {s}}} {\ omega _ {\ rm {p}}}} {\ frac {1-V / p} {1 + U / s }} ~}$

Para un funcionamiento eficiente, ambas intensidades, la bomba y la señal deben exceder sus intensidades de saturación; y . ${\ Displaystyle ~ {\ frac {p} {V}} \ gg 1 ~}$${\ Displaystyle ~ {\ frac {s} {U}} \ gg 1 ~}$

Las estimaciones anteriores son válidas para un medio lleno uniformemente con bomba y luz de señal. La quema de agujeros espaciales puede reducir levemente la eficiencia porque algunas regiones se bombean bien, pero la bomba no es retirada eficientemente por la señal en los nodos de interferencia de ondas contrapropagadas.

Ver también

• Inversión de la población
• Construcción láser
• Ciencia láser
• Lista de artículos láser
• Lista de tipos de láser

Referencias y notas

• [1] Acción láser A.saharn
• [2] Enciclopedia de física en línea [en ruso]

enlaces externos

• Obtenga la enciclopedia de medios de física y tecnología láser