Autopulsación

La autopulsación es un fenómeno transitorio en los láseres de onda continua . La autopulsación tiene lugar al comienzo de la acción del láser. A medida que se enciende la bomba, la ganancia en el medio activo aumenta y excede el valor de estado estable. El número de fotones en la cavidad aumenta, agotando la ganancia por debajo del valor de estado estable, y así sucesivamente. El láser pulsa; la potencia de salida en los picos puede ser órdenes de magnitud mayor que la que hay entre los pulsos. Después de varios picos fuertes, la amplitud de la pulsación se reduce y el sistema se comporta como un oscilador lineal con amortiguamiento. Luego, la pulsación decae; este es el comienzo del funcionamiento de onda continua .

Ecuaciones

El modelo simple de autopulsación se ocupa del número de fotones en la cavidad del láser y del número de excitaciones en el medio de ganancia . La evolución se puede describir con ecuaciones: ${\displaystyle X}$ ${\displaystyle ~Y~}$

${\displaystyle ~{\begin{aligned}{{\rm {d}}X}/{{\rm {d}}t}&=KXY-UX\\{{\rm {d}}Y}/{{\rm {d}}t}&=-KXY-VY+W\end{aligned}}}$

donde es la constante de acoplamiento, es la tasa de relajación de los fotones en la cavidad láser , es la tasa de relajación de la excitación del medio de ganancia , es la tasa de bombeo; es el tiempo de ida y vuelta de la luz en el resonador láser , es el área de la región bombeada (se supone una buena coincidencia de modos); es la sección transversal de emisión en la frecuencia de la señal . es el coeficiente de transmisión del acoplador de salida . es la vida útil de la excitación del medio de ganancia . es la potencia de bombeo absorbida en el medio de ganancia (que se supone que es constante). ${\displaystyle ~K=\sigma /(st_{\rm {r}})~}$
${\displaystyle ~U=\theta L~}$
${\displaystyle ~V=1/\tau ~}$
${\displaystyle ~W=P_{\rm {p}}/({\hbar \omega _{\rm {p}}})~}$
${\displaystyle ~t_{\rm {r}}~}$
${\displaystyle ~s~}$
${\displaystyle ~\sigma ~}$ ${\displaystyle ~\omega _{\rm {s}}~}$
${\displaystyle ~\theta ~}$
${\displaystyle ~\tau ~}$
${\displaystyle P_{\rm {p}}}$

Estas ecuaciones aparecen en forma similar (con diversas notaciones para las variables) en los libros de texto sobre física láser , por ejemplo, la monografía de A. Siegman. ^[1]

Solución de estado estacionario

${\displaystyle {\begin{aligned}X_{0}&={\frac {W}{U}}-{\frac {V}{K}}\\Y_{0}&={\frac {U}{K}}\end{aligned}}}$

Pulsación débil

La disminución de una pequeña pulsación se produce con la frecuencia

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma &=KW/(2U)\\\Omega &={\sqrt {w^{2}-\Gamma ^{2}}}\end{aligned}}}$

dónde

${\displaystyle w={\sqrt {KW-UV}}}$

En la práctica, esta tasa puede ser órdenes de magnitud menor que la tasa de repetición de pulsos. En este caso, la disminución de la autopulsación en un láser real está determinada por otros procesos físicos que no se tienen en cuenta en las ecuaciones iniciales anteriores.

Pulsación fuerte

El régimen transitorio puede ser importante para los láseres cuasi-continuos que necesitan operar en el régimen pulsado, por ejemplo, para evitar el sobrecalentamiento. ^[2]

Se creía que las únicas soluciones numéricas que existían eran para la pulsación fuerte, el pico . El pico fuerte es posible cuando , es decir, la vida útil de las excitaciones en el medio activo es grande en comparación con la vida útil de los fotones dentro de la cavidad. El pico es posible con un bajo vertido de autopulsación, en los correspondientes ambos parámetros y deben ser pequeños. ${\displaystyle U/V\ll 1}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle ~v^{}~}$

La intención de realización del oscilador Toda en el banco óptico se muestra en la Fig. 4. Las curvas coloreadas son oscilogramas de dos rayos del láser de estado sólido de microchip bombeado por diodos cuasi-continuo sobre cerámica Yb:YAG , descrito por. ^[3] La curva negra gruesa representa la aproximación dentro del modelo simple con el oscilador Toda . Solo se produce una concordancia cualitativa.

Oscilador Toda

Cambio de variables

${\displaystyle {\begin{aligned}X&=X_{0}\exp(x)\\Y&=Y_{0}+X_{0}y\\t&=z/w\end{aligned}}}$

conducen a la ecuación para el oscilador de Toda . ^{[4] [3]} En caso de decaimiento débil de la autopulsación (incluso en el caso de picos fuertes), la solución de la ecuación correspondiente se puede aproximar a través de una función elemental. El error de tal aproximación de la solución de las ecuaciones iniciales es pequeño en comparación con la precisión del modelo.

La pulsación de la salida real de un láser real en el régimen transitorio generalmente muestra una desviación significativa del modelo simple anterior, aunque el modelo da una buena descripción cualitativa del fenómeno de autopulsación.

Véase también

• Láseres de estado sólido
• Láser de disco

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 30 de marzo de 2007 .
2. 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.
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. 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.

• Koechner, William. Ingeniería láser de estado sólido , 2.ª ed. Springer-Verlag (1988).

Enlaces externos

• https://web.archive.org/web/20070514062058/http://www.tcd.ie/Physics/Optoelectronics/research/self_pulse.php (autopulsación en láseres semiconductores)