Оптика твердотельных лазерных систем и сверхсильных полей

1. ОПТИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ И СВЕРХСИЛЬНЫХ ПОЛЕЙ

Леонид Николаевич Сомс
[email protected]
+7 911 706 15 47
1

2. Физические основы создания твердотельных лазерных систем .

2

3. Физические основы создания твердотельных лазерных систем .

3

4. Физические основы создания твердотельных лазерных систем Стимулированное излучение. Усиление излучения.

Дискретность спектров
Больцмановское распределение по энергиям
Спонтанное излучение
Вынужденное излучение
Поглощение
Термодинамическое равновесие
Инверсия населенностей
Усиление
однородно уширенная линия
импульсный сигнал в 4-уровневой среде
неоднородно уширенная линия
Насыщение усиления: искажения пространственного и временнОго
профилей
Усиленное спонтанное излучение
4

5. Дискретность спектров

Базовая концепция квантовой теории
излучения: микрочастицы (атомы,
ионы, молекулы, …) существуют только
в дискретных энергетических
состояниях.
Переходы между состояниями
излучение/поглощение фотонов.
5

6. Больцмановское распределение по энергиям

Твердое тело – ансамбль гармонических
осцилляторов, обладающих дискретным спектром.
Распределение числа частиц по состояниям как
функция температуры – формула Больцмана
6

7. Спонтанное излучение

7

8. Спонтанное излучение

Ион, матрица
Время жизни, мкс
Cr[3+]: рубин
3000
Nd[3+]: YAG
Nd[3+]: стекло (Si/P)
230
350/300
Nd[3+]: YVO
100
Nd[3+]: YLF
485
Er[3+]:YAG (2,96 мкм)
230
Er[3+]:glass (1,54 мкм)
7700
Yb[3+]:[Si-Ge] стекло
2300
8

9. Поглощение (1)

12
коэффициент
Эйнштейна для
вынужд. перехода
спонт.
плотность энергии

10. Поглощение (2)

10

11. Поглощение (3)

11

12. Вынужденное излучение / усиление (1)

12

13. Вынужденное излучение (2)

13

14. Усиление (3)

Ион, матрица
Cr[3+]: рубин
Nd[3+]: YAG
Nd[3+]: стекло (Si/P)
Сечение перехода,
х 1019 см2
0,25
3
0,27/0,43
Nd[3+]: YVO
15,6
Nd[3+]: YLF
1,2 (EorthC), 1,8 (EparC)
Er[3+]:YAG (2,96 мкм)
0,2 - 0,3
Er[3+]:glass (1,54 мкм)
0,08
Yb[3+]: [Si-Ge]стекло
0,07
14

15. Термодинамическое равновесие (1)

Равновесие: число переходов n m= m n
15

16. Термодинамическое равновесие (2)

В состоянии теплового
равновесия:
Спонт.изл.
Вынужд.изл.
Поглощение
16

17. Термодинамическое равновесие (3)

Сравним с формулой Планка:
17

18. Насыщение усиления (поглощения) в 2-уровневой системе, непрерывный сигнал

18

19. Насыщение поглощения (непр.сигнал)

19

20. Насыщение усиления короткого импульсного сигнала

Начальное условие:
Решение:
20

21. Насыщение усиления короткого импульсного сигнала

21

22. Форма линий поглощения и усиления 1. Естественная ширина линии

22

23. Форма линий поглощения и усиления 2. Однородное уширение

23

24. Форма линий поглощения и усиления 2. Однородное уширение

Обычно для ТТЛ:
24

25. Форма линий поглощения и усиления 3. Неоднородное уширение

25

26. Форма линий поглощения и усиления 4. А вот что на практике

26

27. Насыщение поглощения: однородно уширенная линия

27

28. Неоднородно уширенная линия

28

29. Инверсия населенностей

Усиление: нужно инвертировать населенность
уровней
29

30. Инверсия населенностей

Трехуровневая спектроскопическая схема
30

31. Инверсия населенностей

Четырехуровневая спектроскопическая схема
31

32. Инверсия населенностей

Четырехуровневая спектроскопическая схема
32

33. Формирование инверсной населенности

33

34. Формирование инверсной населенности

34

35. Формирование инверсной населенности

«Квазитрехуровневые схемы»
35

36. Формирование инверсной населенности. Задачи

Задача 1.
Для П-образной формы импульса:
1.1 для изменения скорости накачки в пределах A=[0; 10] определите зависимость nmax(A),
постройте график;
1.2. для тех же условий определите tstorage(A) для nwork(A)=[0.9 nmax(A)], постройте
график;
1.3. воспользовавшись литературными данными о времени жизни ионов хрома в рубине
(Al2O3;Cr3+), для концентрации С=0,5% ат. определите пороговую плотность поглощенной
мощности накачки wpump.thr (Вт/см3);
1.4. для условий задачи 1.3 определите зависимость "временного" КПД от мощности накачки,
постройте график;
1.5. воспользовавшись литературными данными о поперечном сечении σ вынужденного
перехода для ионов рубина, определите предельный коэффициент усиления αmax (см-1)как
функцию от превышения над порогом по мощности излучения в пределах изменения A=[1; 10],
постройте график;
36

37. Формирование инверсной населенности Задачи

Задача 2.
Проанализируйте ситуацию с накачкой трехуровневой среды при изменении
формы импульса: вместо накачки с П-образной (характерно для лазерной диодной
накачки) рассмотрите колоколообразную (характерно для импульсных
газоразрядных ламп), воспользовавшись, например, встроенной функцией
Mathcad для гауссовского распределения dnorm(t,μ,σ), обратив внимание на
нормировку этой функции:
2.1. постройте поверхность nmax(A,σ) для значения μ=2τ и пределов изменения
A=[1; 10], σ=[0.1τ; 1.5τ]
2.2. постройте поверхность tstorage(A,σ) для условий задачи 2.1
2.3. для условий задач 2.1 и 1.5, постройте поверхность αmax (A,σ)
2.4. для условий задач 2.1 и 1.3, постройте поверхность КПД(wpump , σ)
37

38. Формирование инверсной населенности Задачи

Задача 3.
Проделайте анализ, подобный задачам 1,2 для
четырехуровневой среды Nd3+:YAG
Задача 4.
Модифицируйте скоростные уравнения применительно к
квазитрехуровневой схеме Yb3+:YAG и проведите для этой
среды анализ, подобный задачам 1,2.
38