Ganancia (láser)

En física láser , la ganancia o amplificación es un proceso en el que el medio transfiere parte de su energía a la radiación electromagnética emitida , lo que da como resultado un aumento de la potencia óptica. Este es el principio básico de todos los láseres . Cuantitativamente, la ganancia es una medida de la capacidad de un medio láser para aumentar la potencia óptica. Sin embargo, en general, un láser consume energía.

Definición

La ganancia se puede definir como la derivada del logaritmo de la potencia que pasa a través del medio. El factor por el cual un haz de entrada es amplificado por un medio se denomina ganancia y se representa por G. ${\displaystyle ~P~}$

${\displaystyle G={\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\ln(P)={\frac {{\rm {d}}P/{\rm {d}}z}{P}}}$

donde es la coordenada en la dirección de propagación. Esta ecuación ignora los efectos del perfil transversal de la viga. ${\displaystyle ~z~}$

En la aproximación paraxial cuasi-monocromática , la ganancia se puede tener en cuenta con la siguiente ecuación

${\displaystyle 2ik{\frac {\partial E}{\partial z}}=\Delta _{\perp }E+2\nu E+iGE}$,

¿Dónde está la variación del índice de refracción (que se supone que es pequeño)? ${\displaystyle ~\nu ~}$

${\displaystyle ~E~}$es un campo complejo, relacionado con el campo eléctrico físico con relación , donde es el vector de polarización, es el número de onda, es la frecuencia, es el laplaciano transversal; significa parte real. ${\displaystyle ~E_{\rm {phys}}~}$ ${\displaystyle ~E_{\rm {phys}}={\rm {Re}}\left({\vec {e}}E\exp(ikz-i\omega t)\right)~}$ ${\displaystyle ~{\vec {e}}~}$ ${\displaystyle ~k~}$ ${\displaystyle ~\omega ~}$ ${\displaystyle ~\Delta _{\rm {\perp }}=\left({\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}\right)~}$ ${\displaystyle ~{\rm {Re~}}}$

Ganancia en sistema cuasi de dos niveles

En el sistema simple de dos niveles, la ganancia se puede expresar en términos de poblaciones y de estados inferiores y excitados: ${\displaystyle ~N_{1}~}$ ${\displaystyle ~N_{2}~}$

${\displaystyle ~G=\sigma _{\rm {e}}N_{2}-\sigma _{\rm {a}}N_{1}~}$

donde y son las secciones eficaces de emisión y absorción. En el caso de un medio no bombeado , la ganancia es negativa. ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {e}}~}$ ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {a}}~}$

La ganancia de ida y vuelta significa la ganancia multiplicada por la longitud de propagación de la emisión láser durante un único recorrido de ida y vuelta. En el caso de que la ganancia varíe a lo largo de la longitud, la ganancia de ida y vuelta se puede expresar con la integral . Esta definición supone un perfil plano del haz láser dentro del láser o una ganancia efectiva promediada a lo largo de la sección transversal del haz. ${\displaystyle g=\int G{\rm {d}}z}$

El coeficiente de amplificación se puede definir como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada : ${\displaystyle ~K~}$ ${\displaystyle ~P_{\rm {out}}}$ ${\displaystyle ~P_{\rm {in}}}$

${\displaystyle ~K=P_{\rm {out}}/P_{\rm {in}}}$.

Está relacionado con la ganancia; . ${\displaystyle ~K=\exp \left(\int G{\rm {d}}z\right)~}$

La ganancia y el coeficiente de amplificación no deben confundirse con el coeficiente de magnificación. La magnificación caracteriza la escala de ampliación de una imagen; dicha ampliación puede realizarse con elementos pasivos, sin medio de ganancia . ^[1]

Terminología y notaciones alternativas

No existe una terminología establecida sobre ganancia y absorción. Cada uno es libre de utilizar sus propias notaciones y no es posible abarcar todos los sistemas de notación en este artículo.

En radiofísica , la ganancia puede significar el logaritmo del coeficiente de amplificación.

En muchos artículos sobre física láser, que no utilizan el coeficiente de amplificación definido anteriormente, la ganancia se denomina coeficiente de amplificación , en analogía con el coeficiente de absorción , que en realidad no es un coeficiente en absoluto; hay que multiplicarlo por la longitud de propagación (espesor), cambiar el signo, tomar la inversa del exponencial y solo entonces obtener el coeficiente de atenuación de la muestra. ${\displaystyle ~K~}$

Algunas publicaciones utilizan el término incremento en lugar de ganancia y decremento en lugar de coeficiente de absorción para evitar la ambigüedad , ^[2] explotando la analogía entre la propagación paraxial de ondas cuasi-monocromáticas y la evolución temporal de un sistema dinámico.

Véase también

• Ganancia de ida y vuelta , ganancia multiplicada por la longitud de propagación de la emisión del láser durante un solo viaje de ida y vuelta.
• Láser de disco
• Secciones transversales efectivas
• Relación McCumber

Referencias

1. AESiegman (1986). Láseres. Libros de Ciencias Universitarias. ISBN 0-935702-11-3Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2016. Consultado el 9 de abril de 2007 .
2. D.Yu.Kuznetsov (1995). Transformación de la estructura transversal de la luz monocromática en medios no lineales. En el libro: -- Óptica y láseres. ed: GGPetrash .