Порог генерации лазерного излучения: физические основы и факторы влияния.
Lasing threshold
Порог генерации лазера: минимальный уровень накачки для доминирования вынужденного излучения. Мощность и ширина линии резко меняются при превышении порога.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Порог лазерного излучения – это минимальный уровень накачки, при котором выход лазера определяется преимущественно вынужденным излучением, а не спонтанным. Ниже порога выходная мощность лазера медленно возрастает с увеличением накачки. Выше порога крутизна зависимости мощности от накачки возрастает на несколько порядков. Ширина спектральной линии излучения лазера также становится на несколько порядков меньше при превышении порога, чем ниже его. При превышении порога говорят, что лазер начал генерировать лазерное излучение. Термин "лазерное излучение" (lasing) является обратным образованием от "лазер", который представляет собой акроним, а не существительное, обозначающее действующее лицо.
The lasing threshold is the lowest excitation level at which a laser's output is dominated by stimulated emission rather than by spontaneous emission. Below the threshold, the laser's output power rises slowly with increasing excitation. Above threshold, the slope of power vs. excitation is orders of magnitude greater. The linewidth of the laser's emission also becomes orders of magnitude smaller above the threshold than it is below. Above the threshold, the laser is said to be lasing. The term "lasing" is a back formation from "laser," which is an acronym, not an agent noun.
Теория
Порог лазерного излучения достигается, когда оптический выигрыш в лазерной среде точно сбалансирован суммой всех потерь света за один оборот в оптическом резонаторе лазера. Это можно выразить, предполагая установившийся режим работы, как
The lasing threshold is reached when the optical gain of the laser medium is exactly balanced by the sum of all the losses experienced by light in one round trip of the laser's optical cavity. This can be expressed, assuming steady state operation, as
Здесь и – отражающие способности зеркал (по мощности), – длина активной среды, – усиление мощности в одном обороте на пороге, а – потери мощности в одном обороте. Обратите внимание, что это уравнение разделяет потери в лазере на локализованные потери, обусловленные зеркалами, которые контролируются экспериментатором, и распределенные потери, такие как поглощение и рассеяние. Экспериментатор обычно имеет мало контроля над распределенными потерями. Оптические потери практически постоянны для конкретного лазера, особенно вблизи порога. При этом предположении пороговое условие можно переписать следующим образом:
Here and are the mirror (power) reflectivities, is the length of the gain medium, is the round trip threshold power gain, and is the round trip power loss. Note that This equation separates the losses in a laser into localised losses due to the mirrors, over which the experimenter has control, and distributed losses such as absorption and scattering. The experimenter typically has little control over the distributed losses. The optical loss is nearly constant for any particular laser , especially close to threshold. Under this assumption the threshold condition can be rearranged as
Поскольку , оба члена в правой части положительны, следовательно, оба члена увеличивают требуемый параметр усиления на пороге. Это означает, что для минимизации параметра усиления необходимы низкие распределенные потери и зеркала с высокой отражающей способностью. Наличие в знаменателе предполагает, что требуемый порог усиления можно снизить, увеличив длину активной среды, но это обычно не так. Зависимость от более сложна, поскольку обычно увеличивается с ростом из-за дифракционных потерь.
Since , both terms on the right side are positive, hence both terms increase the required threshold gain parameter. This means that minimising the gain parameter requires low distributed losses and high reflectivity mirrors. The appearance of in the denominator suggests that the required threshold gain would be decreased by lengthening the gain medium, but this is not generally the case. The dependence on is more complicated because generally increases with due to diffraction losses.