Оптоэлектроника

Оптическое усиление и насыщение усиления

Как видно из уравнений (3.50) и (3.74), в условиях инверсии заселенности проис­ходит усиление оптического сигнала вблизи резонанса. В этом случае происходит усиление интенсивности по мере прохождения пучка через среду в соответствии с соотношением:

(4.4)
(4.5)
Оптическое усиление и инверсия заселенности Где па = п2 — пх в рассматриваемом случае есть различие заселенности в условиях фотонно­го потока, а ^(у) — функция формы линии, описанная в Дополнении З. А. Напомним, что ек = гРор есть относительная проницаемость среды, Я — длина волны в вакууме и / — время Жизни спонтанной эмиссии, определяемое (3.82). Уравнение (4.4) действительно только, если коэффициент усиления у не зависит от положения (это, как правило, не имеет места, что обсуждается далее в Дополнении 4.Б). Стационарное значение па мы получаем из (4.1) с учетом того, что в данном случае Ф ф 0. При этом уровень инверсии заселенности опре­деляется соотношением:
(4.6)
Где — постоянная времени оптического насыщения, определяемая соотношением: Г, + г, 1 - (4.7)
(4.8) Инверсия заселенности и поток насыщения
(4.9)
Поток насыщения лазерной среды Этот параметр во многих отношениях подобен параметру, введенному в (3.56). Таким об­разом, мы сразу получаем выражение для изменения усиления среды в функции фотонно­го потока:
П(у)= "<,0°оЛу)= ”.	«(О
(4.11)
Усиление лазерной среды в условиях холодного резонатора На рисунке 4.2. показано относительное изменение коэффициента усиления среды у/у0 в функции нормированного оптического потока Ф/Ф^. Отметим умень­шение усиления по мере возрастания оптического потока. Этот механизм по оче­видным причинам называется насыщением оптического усиления, при этом в его

Основе лежит выравнивание заселенности между уровнями, обеспечивающими уси­ление, как только поглощение и стимулированная эмиссия начинают доминиро­вать над другими механизмами.

Пример-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В таблице 4.1 приведены характеристики основных переходов, используемых в твер­дотельных лазерах. Лазер на основе алюмо-иттриевого граната (YAG), активиро­ванного неодимом, работает в основном на переходе, обеспечивающем длину вол­ны 1,064 мкм.

Измеренное время спонтанной эмиссии /роп = 1,2 мс, а ширина перехода со­ставляет 120 ГГц. В резонансе оптическое поперечное сечение дается соотношени­ем (3.73):

Л2

1

4 х 10 19 см;

Ор 8*«Чро„ яг

Если мы предположим, что плотность инверсной заселенности пм при малом фотон­ном потоке по порядку величины составляет 1016 см~3, получаем, что лазерное усиление у0 составляет:

Соответствующее усиление при одном проходе в стержне длиной 20 см будет пренебрежимо малым (0,08). Тем не менее многократный проход усиленного излу­чения через ту же самую среду способен обеспечить значительный результирую­щий уровень усиления. В предположении, ЧТО Г, = 30 НС, Т2 = / и г5а1 « / с использованием (4.9) мы получаем поток насыщения:

Ф

Эта величина соответствует плотности оптической мощности 390 Вт см 2. Для такого уровня потока фотонов (сравнительно низкого) усиление уменьшается вдвое.