Ganancia de ida y vuelta

La ganancia de ida y vuelta se refiere a la física del láser y a las cavidades láser (o resonadores láser ). Es una ganancia integrada a lo largo de un rayo que realiza un recorrido de ida y vuelta en la cavidad.

En el funcionamiento de onda continua , la ganancia de ida y vuelta compensa exactamente tanto el acoplamiento de salida de la cavidad como su pérdida de fondo. ^{[ aclaración necesaria ]}

Ganancia de ida y vuelta en óptica geométrica

En general, la ganancia de ida y vuelta puede depender de la frecuencia, de la posición e inclinación del rayo e incluso de la polarización de la luz . Por lo general, podemos suponer que en algún momento del tiempo, a una frecuencia de operación razonable, la ganancia es función de las coordenadas cartesianas , , y . Entonces, suponiendo que la óptica geométrica es aplicable, la ganancia de ida y vuelta se puede expresar de la siguiente manera: ${\displaystyle ~G(x,y,z)~}$ ${\displaystyle ~x~}$ ${\displaystyle ~y~}$ ${\displaystyle ~z~}$ ${\displaystyle ~g~}$

${\displaystyle ~g=\int G(x(a),y(a),z(a))~{\rm {d}}a~}$,

donde es la trayectoria a lo largo del rayo, parametrizada con las funciones , , ; la integración se realiza a lo largo de todo el rayo, que se supone forma el bucle cerrado. ${\displaystyle ~a~}$ ${\displaystyle ~x(a)~}$ ${\displaystyle ~y(a)~}$ ${\displaystyle ~z(a)~}$

En los modelos simples, se supone que la distribución de bombeo y ganancia en la parte superior plana es constante. En el caso de la cavidad más simple, la ganancia de ida y vuelta es , donde es la longitud de la cavidad; se supone que la luz láser avanza y retrocede, lo que genera el coeficiente 2 en la estimación. ${\displaystyle ~G~}$ ${\displaystyle ~g=2Gh~}$ ${\displaystyle ~h~}$

En el funcionamiento de onda continua en estado estable de un láser, la ganancia de ida y vuelta está determinada por la reflectividad de los espejos (en el caso de una cavidad estable) y el coeficiente de aumento en el caso de un resonador inestable (cavidad inestable).

Parámetro de acoplamiento

El parámetro de acoplamiento de un resonador láser determina qué parte de la energía del campo láser en la cavidad sale en cada recorrido de ida y vuelta. Esta salida puede determinarse mediante la transmitividad del acoplador de salida o el coeficiente de amplificación en el caso de una cavidad inestable. ^[1] ${\displaystyle ~\theta ~}$

Pérdida de ida y vuelta (pérdida de fondo)

La pérdida de fondo , o pérdida de ida y vuelta , determina qué parte de la energía del campo láser se vuelve inutilizable en cada viaje de ida y vuelta; puede ser absorbida o dispersada. ${\displaystyle ~\beta ~}$

En la autopulsación , la ganancia responde con retraso a la variación del número de fotones en la cavidad. Dentro del modelo simple, la pérdida de ida y vuelta y el acoplamiento de salida determinan los parámetros de amortiguamiento del oscilador equivalente Toda . ^{[2] [3]}

En el funcionamiento en estado estable, la ganancia de ida y vuelta compensa exactamente tanto el acoplamiento de salida como las pérdidas: ${\displaystyle ~g~}$

${\displaystyle ~\exp(g)~(1-\beta -\theta )=1~}$.

Suponiendo que la ganancia es pequeña ( ), esta relación se puede escribir de la siguiente manera: ${\displaystyle ~g~\ll 1~}$

${\displaystyle ~g=\beta +\theta ~}$

Esta relación se utiliza en las estimaciones analíticas del rendimiento de los láseres. ^[4] En particular, la pérdida de ida y vuelta puede ser uno de los parámetros importantes que limitan la potencia de salida de un láser de disco ; en la escala de potencia, la ganancia debe disminuirse (para evitar el crecimiento exponencial de la emisión espontánea amplificada ), y la ganancia de ida y vuelta debe permanecer mayor que la pérdida de fondo ; esto requiere aumentar el espesor de la placa del medio de ganancia ; en cierto espesor, el sobrecalentamiento impide el funcionamiento eficiente. ^[5] ${\displaystyle ~\beta ~}$ ${\displaystyle ~G~}$ ${\displaystyle ~g~}$ ${\displaystyle ~\beta ~}$

Para el análisis de procesos en un medio activo, la suma también puede denominarse "pérdida". ^[1] Esta notación genera confusión, ya que se trata de saber qué parte de la energía se absorbe y se dispersa, y qué parte de esa "pérdida" es realmente la salida deseada y útil del láser. ${\displaystyle ~\beta +\theta ~}$

Referencias

1. AESiegman (1986). Láseres. Libros de Ciencias Universitarias. ISBN 978-0-935702-11-8Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2016. Consultado el 24 de mayo de 2007 .
2. GLOppo; A. Politi (1985). "Toda el potencial en ecuaciones láser". Zeitschrift für Physik B. 59 (1): 111-115. Código bibliográfico : 1985ZPhyB..59..111O. doi :10.1007/BF01325388. ISSN  0722-3277. S2CID  119657810.
3. D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; J. Li; K. Ueda (2007). "Láser autopulsado como oscilador Toda: aproximación a través de funciones elementales". Journal of Physics A . 40 (9): 1–18. Bibcode :2007JPhA...40.2107K. CiteSeerX 10.1.1.535.5379 . doi :10.1088/1751-8113/40/9/016. S2CID  53330023. 
4. D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; K. Takaichi; K. Ueda (2005). "Láser de estado sólido monomodo con cavidad inestable corta y ancha". Revista de la Sociedad Óptica de América B . 22 (8): 1605–1619. Código Bibliográfico :2005JOSAB..22.1605K. doi :10.1364/JOSAB.22.001605.
5. D. Kouznetsov; J.-F. Bisson; J. Dong; K. Ueda (2006). "Límite de pérdida superficial del escalado de potencia de un láser de disco delgado". Journal of the Optical Society of America B . 23 (6): 1074–1082. Código Bibliográfico :2006JOSAB..23.1074K. doi :10.1364/JOSAB.23.001074 . Consultado el 26 de enero de 2007 .; [1] ^{[ enlace muerto permanente ]}