Введение
Источник оптического усиления в лазере
Активная лазерная среда (также называемая средой усиления или лазерной средой) является источником оптического усиления в лазере. Усиление возникает в результате вынужденного излучения фотонов при электронных или молекулярных переходах из более высокого энергетического состояния в более низкое, предварительно заселённое источником накачки. Примеры активных лазерных сред включают:
Некоторые кристаллы, обычно легированные ионами редкоземельных элементов (например, неодима, иттербия или эрбия) или ионами переходных металлов (титана или хрома); наиболее часто гранат иттрия алюминия (Y3Al5O12), ортованадат иттрия (YVO4) или сапфир (Al2O3); реже бромид цезия кадмия (CsCdBr3) (лазеры на твердом теле).
Стекла, например, силикатные или фосфатные стекла, легированные лазерно-активными ионами;
Газы, например, смеси гелия и неона (HeNe), азота, аргона, криптона, монооксида углерода, диоксида углерода или металлических паров; (газовые лазеры).
Полупроводники, например, арсенид галлия (GaAs), индий-галлиевый арсенид (InGaAs) или нитрид галлия (GaN). Жидкости в виде растворов красителей, используемых в лазерах на красителях. Для генерации лазерного излучения активная среда усиления должна быть переведена в состояние с инверсией населённостей. Создание этого состояния требует внешнего источника энергии и называется накачкой лазера. Накачка может осуществляться электрическим током (например, в полупроводниках или газах посредством высоковольтных разрядов) или светом, генерируемым лампами разряда или другими лазерами (полупроводниковые лазеры). Более экзотические среды усиления могут быть накачаны химическими реакциями, ядерным делением или пучками высокоэнергетических электронов.
Certain crystals, typically doped with rare earth ions (e. g. neodymium, ytterbium, or erbium) or transition metal ions (titanium or chromium); most often yttrium aluminium garnet (Y3Al5O12), yttrium orthovanadate (YVO4), or sapphire (Al2O3); and not often caesium cadmium bromide (CsCdBr3) (solid state lasers)
Glasses, e. g. silicate or phosphate glasses, doped with laser active ions;
Gases, e. g. mixtures of helium and neon (HeNe), nitrogen, argon, krypton, carbon monoxide, carbon dioxide, or metal vapors; (gas lasers)
Semiconductors, e. g. gallium arsenide (GaAs), indium gallium arsenide (InGaAs), or gallium nitride (GaN). Liquids, in the form of dye solutions as used in dye lasers. In order to fire a laser, the active gain medium must be changed into a state in which population inversion occurs. The preparation of this state requires an external energy source and is known as laser pumping. Pumping may be achieved with electrical currents (e. g. semiconductors, or gases via high voltage discharges) or with light, generated by discharge lamps or by other lasers (semiconductor lasers). More exotic gain media can be pumped by chemical reactions, nuclear fission, or with high energy electron beams.
Пример модели средней прибыли
Самая простая модель оптического усиления в реальных системах включает всего две энергетически хорошо разделенные группы подуровней. Внутри каждой группы подуровней быстрые переходы обеспечивают быстрое установление теплового равновесия. Стимулированное излучение между верхними и нижними группами, необходимое для усиления, требует, чтобы верхние уровни были более населены, чем соответствующие нижние. Эта ситуация называется инверсией населенности. Достичь этого легче, если скорости нестимулированных переходов между двумя группами малы, то есть верхние уровни являются метастабильными. Инверсии населенности легче создать, когда заняты только самые нижние подуровни, что требует либо низких температур, либо хорошо разделенных по энергии групп. В случае усиления оптических сигналов частота генерируемого излучения называется частотой сигнала. Если внешняя энергия, необходимая для усиления сигнала, является оптической, она должна быть на той же или более высокой частоте накачки.