Autopulsación

La autopulsación es un fenómeno transitorio en los láseres de onda continua . La autopulsación se produce al inicio de la acción del láser. Cuando se enciende la bomba, la ganancia en el medio activo aumenta y excede el valor de estado estacionario. El número de fotones en la cavidad aumenta, agotando la ganancia por debajo del valor de estado estacionario, y así sucesivamente. El láser pulsa; la potencia de salida en los picos puede ser órdenes de magnitud mayor que la que hay entre pulsos. Después de varios picos fuertes, la amplitud de la pulsación se reduce y el sistema se comporta como un oscilador lineal con amortiguación. Entonces la pulsación decae; Este es el comienzo de la operación 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 del 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 a 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 la bomba absorbida en el medio de ganancia (que se supone 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 de forma similar (con diferentes notaciones para las variables) en libros de texto sobre física de láseres , por ejemplo en 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 decadencia de las pulsaciones pequeñas ocurre 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 los pulsos. En este caso, la caída 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 casi continuos que necesitan funcionar en régimen pulsado, por ejemplo, para evitar el sobrecalentamiento. ^[2]

Se creía que existían las únicas soluciones numéricas para la fuerte pulsación, el pico . Los picos fuertes son posibles 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 aumento es posible con una descarga baja de la autopulsación, en ambos parámetros correspondientes y debe ser pequeña. ${\displaystyle U/V\ll 1}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle ~v^{}~}$

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

Oscilador Toda

Cambio de variables

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

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

La pulsación de un láser real en régimen transitorio suele mostrar una desviación significativa del modelo simple anterior, aunque el modelo proporciona una buena descripción cualitativa del fenómeno de la autopulsación.

Ver también

• Láseres de estado sólido
• Láser de disco

Referencias

1. AESiegman (1986). Láseres. Libros de ciencias universitarias. ISBN 978-0-935702-11-8. Archivado 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 Bib : 2005JOSAB..22.1605K. doi :10.1364/JOSAB.22.001605.
3. D. Kouznetsov; J.-F.Bisson; J.Li; K. Ueda (2007). "Láser autopulsante como oscilador Toda: aproximación mediante funciones elementales". Revista de Física A. 40 (9): 1–18. Código Bib : 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 , 2ª 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)