El medio láser activo (también llamado medio de ganancia o medio láser ) es la fuente de ganancia óptica dentro de un láser . La ganancia resulta de la emisión estimulada de fotones a través de transiciones electrónicas o moleculares a un estado de menor energía desde un estado de mayor energía previamente poblado por una fuente de bombeo .
El modelo más simple de ganancia óptica en sistemas reales incluye sólo dos grupos de subniveles energéticamente bien separados. Dentro de cada grupo de subniveles, las transiciones rápidas garantizan que se alcance rápidamente el equilibrio térmico . Las emisiones estimuladas entre los grupos superiores e inferiores, esenciales para la ganancia, requieren que los niveles superiores estén más poblados que los correspondientes inferiores. Esta situación se llama inversión de población. Se logra más fácilmente si las tasas de transición no estimuladas entre los dos grupos son lentas, es decir, los niveles superiores son metaestables . Las inversiones de población se producen más fácilmente cuando sólo se ocupan los subniveles más bajos, lo que requiere temperaturas bajas o grupos bien divididos energéticamente.
En el caso de la amplificación de señales ópticas, la frecuencia del láser se denomina frecuencia de señal. Si la energía proporcionada externamente necesaria para la amplificación de la señal es óptica, necesariamente será de la misma o mayor frecuencia de bombeo .
Hay concentración de centros activos en los láseres de estado sólido.
Ha habido concentración de centros activos en el estado fundamental.
Habrá concentración de centros excitados.
Tener .
Las concentraciones relativas se pueden definir como y .
La velocidad de transición de un centro activo desde el estado fundamental al estado excitado se puede expresar así: .
Mientras que la tasa de transiciones de regreso al estado fundamental se puede expresar como: , donde y son secciones transversales efectivas de absorción en las frecuencias de la señal y la bomba, y son las mismas para la emisión estimulada, y es la tasa de decaimiento espontáneo del nivel superior.
Entonces, la ecuación cinética para poblaciones relativas se puede escribir de la siguiente manera:
,
Sin embargo, estas ecuaciones se mantienen .
La absorción a la frecuencia de la bomba y la ganancia a la frecuencia de la señal se pueden escribir de la siguiente manera:
La solución en estado estacionario se puede escribir:
,
Las intensidades de saturación dinámica se pueden definir:
, .
La absorción a una señal fuerte: .
La ganancia con bomba fuerte: , donde
es determinante de la sección transversal.
La ganancia nunca excede el valor y la absorción nunca excede el valor .
A intensidades dadas , de bomba y señal, la ganancia y absorción se pueden expresar de la siguiente manera:
, ,
dónde , , , .
Identidades
Se producen las siguientes identidades [9] : ,
El estado del medio de ganancia se puede caracterizar con un solo parámetro, como la población del nivel superior, la ganancia o la absorción.
Eficiencia del medio de ganancia.
La eficiencia de un medio de ganancia se puede definir como .
Dentro del mismo modelo, la eficiencia se puede expresar de la siguiente manera: .
Para un funcionamiento eficiente, ambas intensidades (bomba y señal) deben exceder sus intensidades de saturación: , y .
Las estimaciones anteriores son válidas para un medio lleno uniformemente de bomba y luz de señalización. La quema de agujeros espaciales puede reducir ligeramente la eficiencia porque algunas regiones se bombean bien, pero la señal en los nodos de la interferencia de las ondas contrapropagadoras no retira la bomba de manera eficiente.
^ McArthur, fiscal del distrito; Tollefsrud, PB (15 de febrero de 1975). "Observación de la acción del láser en gas CO excitado únicamente por fragmentos de fisión". Letras de Física Aplicada . 26 (4): 187-190. Código bibliográfico : 1975ApPhL..26..187M. doi : 10.1063/1.88110.
^ Enciclopedia de física y tecnología láser.
^ D. Kouznetsov; JFBisson; K. Takaichi; K. Ueda (2005). "Láser de estado sólido monomodo con cavidad inestable corta y ancha". JOSE B. 22 (8): 1605-1619. Código Bib : 2005JOSAB..22.1605K. doi :10.1364/JOSAB.22.001605.
enlaces externos
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