Curs 4 Spectroscopie Si LASERI 2007

8/13/2019 Curs 4 Spectroscopie Si LASERI 2007

1/16

4.4 Cavitatea opticn orice cavitate laser sunt (cel puin) douoglinzi la capetele laserului.Aceste oglinzi sunt aezate fan fa, i centrele lor sunt pe axa optica laserului.Distana dintre oglinzi determinlungimea cavitii optice a laserului .( )LAcestea au forme diferite de oglinzi, cu lungimi diferite ntre ele.O cavitate opticspecificeste determinatde mediul activ utilizat, puterea opticdin acesta, i

aplicaia specific.Vom rezuma aici principiile de proiectare a unei caviti optice:

Definiiile importante. Pierderile din interiorul cavitii optice. Cavitile optice convenionale (4.4.1). Criteriul de stabilitate a cavitii optice laser (4.4.2)

Definiiile importante pentru cavitatea optic:Cavitate optic Cavitate laser Regiunea dintre oglinzile de capt (extreme) ale laserului.

Axa optic Linia imaginarce conine centrele oglinzilor extreme, i perpendicularpe acestea.Axa opticeste n mijlocul cavitii optice.

Apertura Factorul de limitare a diametrului fasciculului n interiorul cavitii. Apertura normaleste determinatde diametrul mediului activ, dar la unele lasere este introduso apertur(pinhole) n

interiorul cavitii laser pentru limitarea diametrului fasciculului. Un exemplu este apertura de limitarepentru obinerea funcionrii laserului pe un singur mod (cum s-a explicat n seciunea 4.3.2).Pierderile din interiorul cavitii optice Includ toate radiaiile pierdute de la ieirea laserului

(emise prin cuplajul de ieire). Ctigul mediului activ trebuie scompenseze aceste pierderi (ce vor fiexplicate n seciunea 5.2)

Pierderile din interiorul cavitii optice:Pierderea datorit dezalinierii oglinzilor laser Cnd oglinzile cavitii nu sunt exact aliniate

perpendicular pe axa laser, i paralele ntre ele (simetric), radiaia din interiorul cavitii nu poate filimitatn timpul drumului dintre oglinzi.

Absorbia, dispersia (mprtierea) i pierderile prin elementele optice Prin elementele optice care nusunt ideale, fiecare interacie cu elementul optic din interiorul cavitii produce pierderi.

Pierderile prin difracie Tot timpul trecerea fasciculul laser la transversarea unei aperturi estedifractat. Nu poate fi posibil sintroducem o aperturpentru reducerea difraciei. De exemplu, astfelcreterea aperturii va permite lsarea modurilor transversale superioare care nu sunt dorite.

4.4.1 Caviti optice laser specificeFigura 4.10 descrie cele mai comune caviti optice.

Fig. 4.10: Caviti optice cele mai comune.

Fiecare cavitate opticare 2 oglinzi extreme cu razele de curburR1i R2.Regiunea ntunecat n fiecare din cavitile optice marcheazvolumul modului activ din acea

cavitate specific.

1


2/16

Regiunile din interiorul mediului activ care nu sunt incluse n interiorul volumului modului activnu participla efectul laser.

Structura cavitii optice este determinatde doi parametrii:1. Volumul modului laser din interiorul mediului activ.2. Stabilitatea cavitii optice.

n continuare, se descrie fiecare tip de cavitate optic:1. Cavitatea plan paralel.2. Cavitatea circular concentric.

3. Cavitatea confocal.4. Cavitatea cu raza de curbura oglinzilor mai mare dect lungimea cavitii.5. Cavitatea hemisferic.6. Semicurbura cu lungimea mai mare ca raza de curbura cavitii.7. Rezonator astabil.

Cavitatea opticplan paralel.Figura 4.10 a) descrie cavitatea opticplan paralel.

Fig. 4.10 a): Cavitatea opticplan paralel.

La cele dou extreme sunt dou oglinzi plane ( )== 21 , RR , paralele ntre ele, iperpendiculare pe axa optica laserului.

Avantaje: Utilizeaz optim tot volumul mediului activ. Astfel, este utilizat la laserii n impulsuri

unde avem nevoie de energie maxim. Radiaia laser nu este focalizat n interiorul cavitii optice. n laserii de putere mare o

astfel de focalizare poate cauza o scnteie electric (breakdown), sau distrugereaelementelor optice.

Dezavantaje: Pierderi mari prin diffracie. Sensibilitate foarte mare la dezaliniere. Ceea ce duce la o dificultate mare n funcionare.

Cavitatea circular concentric.Figura 4.10 b) descrie cavitatea opticcircular concentric.

Fig. 4.10 b): Cavitate opticcircular concentric.

La ambele capete avem douoglinzi sferice cu centrul egal i razele de curburegale ntre ele

==

221L

RR .

Acest aranjament produce focalizarea fasciculului n centrul cavitii.Proprietile acestei caviti sunt opuse cu cele ale cavitii plan paralele:

Avantaje: Sensibilitate foarte sczutla dezaliniere. Aadar, alinierea este foarte uoar. Pierderi sczute prin difracie.

Dezavantaje: Utilizarea limitat a volumului mediului activ. Utilizat n pompajul optic n continuu a

laserilor cu colorant (vezi seciunea 6.4). n aceti laseri colorantul lichid este circulat nregiunea unde-i fasciculul focalizat (Direcia de curgere este perpendicularpe axa opticalaserului). Aadar este utilizato densitate de putere foarte mare la pompajul colorantului.

2


3/16

Focalizarea maxim a radiaiei laser n interiorul cavitii optice. O astfel de focalizarepoate cauza o scnteie electric(breakdown), sau distrugerea elementelor optice.

Cavitatea confocal.Figura 4.10 c) descrie cavitatea opticconfocal.

Fig. 4.10 c): Cavitatea opticconfocal.

Aceastcavitate este un compromis ntre cavitile optice circulare i plan paralele.La ambele capete extreme sunt douoglinzi sferice cu aceeai razde curbur.Distana dintre centrele oglinzilor este egalcu raza de curbura fiecreia ( )LRR == 21 .Acest aranjament produce focalizarea fasciculului n centrul cavitii.

Avantaje: Sensibilitate micla dezaliniere. Aadar, alinierea este uoar. Pierderi sczute prin difracie. Nu avem focalizare puternicn interiorul cavitii. Utilizarea medie a volumului mediului activ.

Principala diferen ntre cavitatea confocal i cavitatea sferic este aceea c n cavitateaconfocalpunctul focal al fiecrei oglinzi este n centrul cavitii, pe cnd n cavitatea sferic centrulrazelor de curbural oglinzilor este n centrul cavitii.

Cavitatea cu razele de curburale oglinzilor mai mari dect lungimea cavitii.Figura 4.10 d) descrie cavitatea cu razele de curburale oglinzilor mai mari dect lungimea cavitii.

Fig. 4.10 d): Cavitatea cu razele de curburale oglinzilor mai mari dect lungimea cavitii.

Aceast cavitate este un compromis mai bun dect cavitatea confocal ntre cavitile opticeplanparaleli circular.

La ambele capete sunt douoglinzi sferice care au raze mari de curbur(nu este necesar sfie identice).Distana dintre centrele oglinzilor este mult mai micdect razele de curburale acestora ( )LRR >>21 , .Acest aranjament produce o focalizare mult mai mica fasciculului n centrul cavitii.

Avantaje: Sensibilitate medie la dezaliniere. Pierderi medii prin difracie. Nu avem focalizare puternicn interiorul cavitii. Utilizarea buna volumului mediului activ.

Cavitatea hemisferic.Figura 4.10 e) descrie cavitatea hemisferic.

Cavitatea este formatdintr-o oglindplan, i o oglind sfericcu raza de curbur egal culungimea cavitii.

Fig. 4.10 e): Cavitatea hemisferic.

Aceastcavitate are proprieti similare cu cavitatea opticcircular, cu avantajul unui presczuta oglinzii plane.

La majoritatea laserilor cu He-Ne se utilizeazaceastcavitate ce are pierderi mici prin difracie,i este relativ uor de aliniat.

Avantaje: Sensibilitate micla dezaliniere. Pierderi mici prin difracie.

3


4/16

Semicurbura mai lungdect raza de curbura cavitii.Figura 4.10 f) descrie aceastcavitate.

Aceastcavitate este formatdintr-o oglindplan, i o oglindsfericcu raza de curburmaimare dect lungimea cavitii.

Fig. 4.10 f): Cavitate semiconcavcu razmare de curbur.Aceastcavitate are proprieti similare cu cavitatea confocal, cu avantajul unui presczut a

oglinzii plane.Rezonator astabil.

Figura 4.10 g) descrie un exemplu de cavitate astabil.Un exemplu de astfel de cavitate este formatdintr-un aranjament concavi convex de oglinzi sferice.

Fig. 4.10 g): Un exemplu de cavitate astabil.

Oglinda concaveste mare i raza ei de curbureste mai mare dect lungimea cavitii.Oglinda convexeste mici raza ei de curbureste mic.

ntr-o cavitate precum aceasta nu se genereazo undstaionarn interiorul cavitii.Radiaia nu se plimbntre cele douoglinzi.Centrele razelor de curburale ambelor oglinzi coincid.

Avantaje: Volum mare de moduri n interiorul mediului activ (ntregul volum). Toatputerea din interiorul cavitii este emisla ieirea laserului, i nu doar o micfraciune din aceasta. Radiaia laser este emisla ieirea laserului printr-o arie mica oglinzii cu razde curburmic Aceastcavitate este utilizatn laserii de putere mare, care nu pot utiliza cuploare standard la ieire.

Dezavantaje: Forma fasciculului are o gaurn mijoc.

4.4.2. Criteriul de stabilitate a cavitiiO cavitate stabileste o cavitate n care radiaia este inutn interiorul cavitii, producnd unde

staionare n timp ce fasciculul se deplaseazntre oglinzi.Geometria cavitii determindaccavitatea este stabilsau nu.Este posibil s se utilizeze rezonator astabil numai dac mediul activ are ctig ridicat, de la

fasciculul ce trece prin mediul activ mai puin timp dect n cavitatea stabil.Pentru a determina stabilitatea unei caviti, necesitdefinirea criteriului de stabilitate.

Parametrii geometrici ai unei caviti opticePrimulparametru geometriceste definit pentru fiecare dintre oglinzi:

11 1 R

Lg = ,

22 1 R

Lg = .

n figura 4.12 este descrisreprezentarea grafic a parametrilor geometrici.

Fig. 4.12: Reprezentarea grafica parametrilor geometrici.

O cavitate este stabildac: 10 21


5/16

Diagrama de stabilitate a unei caviti opticeCriteriul de stabilitate pentru cavitatea laser este:

10 21 ==gg .Produsul este mai mare dect 1, deci cavitatea este instabil.

Exerciiul 4.7: Laserul He-NeLungimea de undexactde ieire a laserului He-Ne este [ ]m6328,0 .Distana dintre oglinzi este .[ ]cm30

Limea liniei laser este [ ]Hz9

105, 1 .Calculai:1. Care este lungimea de undcentrala acestei linii.2. Cte moduri laser longitudinale sunt n aceastlime a liniei.

5


6/16

Rezumatul capitolului 4

Modurile laser longitudinale:Modurile optice longitudinale ntr-un laser descriu undele staionare de-a lungul axei optice a laserului.Undele staionare sunt create cnd douunde cu aceleai frecvene i amplitudini interfer n

timp ce se deplaseazn direcii opuse.Cavitatea laser este compus din oglinzi la capetele mediului activ. Aceste oglinzi reflect

radiaia electromagneticnapoi n cavitate din nou i iar din nou, pentru producerea undelor staionare.Oglinzile sunt noduri ale undelor staionare.

Frecvena modului laser longitudinal de bazeste: Lnc

=21

.

Frecvena modului m laser longitudinaleste:

=

Ln

cmm 2

.

Astfel, diferena dintre modurile longitudinale adiacenteeste egalcu frecvena modului longitudinal

de baz:Ln

cMS

=

2 .

Numrul modurilor longitudinale este determinat de lungimea cavitii i de indicele ei de refracie.Modurile laser transversale:

Modul transversal (TEM00) de bazeste unul Gaussian: Acesta are divergensczut. Poate fi focalizat ntr-un spot foarte mic. Coerena spaiala sa este cea mai bundin toate celelalte moduri. Permanena sa distribuie Gaussianse pstreazla trecerea sa prin alte sisteme optice.

Diagrama de stabilitate:Diagrama de stabilitate descrie parametrii geometrici ai cavitii laser:

11 1 R

Lg = ,

22 1

R

Lg = .

Condiia de stabilitate: 0 121


7/16

Principala tranziie din spectrul vizibil este de pe nivelul de energie E5pe nivelul de energie E2, ila emisie se produce radiaia roie cu lungimea de undde [ ]nm8,632 .

Forma liniei de fluorescenLinia de fluoresceneste descrisde distribuia intensitii radiaiei emisiei spontane n funcie de

frecven (sau lungimea de und), pentru tranziia laser specific. n figura 5.1 se arat tranziia dintrenivelele de energie E5i E2pentru laserul cu He-Ne.

Cnd tranziia se produce ntre nivelele nguste, linia de fluoresceneste ngust.ngustimea liniei de fluorescen (comparnd energia necesar) este realizat de inversia de

populaie.Forma ideala liniei de fluoresceneste un puls cu lime apropriatde zero, descrisn figura 5.2 a.

Fig. 5.2 a: Linia de fluorescendintre nivelele de energie nguste (ideale).

Fig. 5.2 b: Linia de fluorescendintre nivelele de energie late (reale).

n realitate, fiecare nivel de energie are o lime finit, descris n figura 5.2 b. Astfel, multetranziii ce au loc ntre diferite regiuni ale nivelului de energie laser superior pe diferite regiuni alenivelului de energie laser inferior. Toate aceste tranziii, reprezentate n funcie de frecven, determinforma liniei de fluorescenartatn figura 5.3.

Limea liniei de fluorescenToate liniile tranziiilor spontane posibile, reprezentate n funcie de frecven, produc forma

continua liniei de fluorescence este descrisn figura 5.3.

Fig. 5.3 Linia de fluorescen

Limea liniei de fluoresceneste numitbandde fluorescen, i este msura limii liniei defluorescenla jumtatea nlimii maxime:

FWHM=Full Width atHalfMaximum.Expresia matematica limii liniei de fluorescenLimea liniei de fluorescen este exprimarea lungimilor de und, sau frecvenelor, ntre dou

puncte de pe graficul emisiei spontane lajumtate din nlimea maxim.

2121

21

1212

=

===

ccccc.

7


8/16

Limea liniei ( ) este mult mai micdect fiecare dintre lungimile de und ( )21 , 1 .

Exemple numerice:

8


9/16

[ ] [ ]Hzst 88 1010 == [ ] [ ]Hzst 44 1010 == .

Cnd timpul de viaeste mare pentru un nivel energetic specific, de pe care se produce tranzi ia,limea liniei este mic.

2. Lrgirea Doppler.Deplasarea Dopplereste un fenomen bine cunoscut n micarea undei.Se produce cnd sursa este n micare relativfade receptor.Frecvena detectat este deplasat cu o cantitate determinat de viteza relativ dintre sursi

receptor.Cnd moleculele gazului sunt n micare constant n direcii ntmpltoare, fiecare molecul

emite luminatta timp ct este n micare relativpe axa laserului n direcie diferit. Aceastdeplasarea distribuiei frecvenei produce lrgirea liniei laser.

Lrgirea Doppler se produce n special n laserii cu gaz, ca rezultat a deplasrii moleculelorgazului.

Aceste influiene sunt n special n laserii cu gaz la presiune sczut.3. Lrgirea datoritpresiunii (ciocnirilor)

Lrgirea datoritpresiunii (ciocnirilor)se produce n special n laserii cu gaz.Aceasta este cauzatdatoritciocnirilor moleculelor gazului.

Lrgirea datorit presiunii este mecnismul ce produce o deplasare mare n laserii cu gaz cupresiune mai mare dect 10 .[ ]torrCnd crete presiunea, deplasarea crete.La presiune constant , cnd temperatura( )P ( )T crete:

TRnVP = VconstP = . crete cnd Tcrete.

Cnd volumul ( crete, numrul ciocnirilor scade. Astfel, lrgirea datoritpresiunii (ciocnirilor) scade.)VExemple numerice:

1. La temperatura camerei, limea liniei laserului cu CO2cu presiunea gazului de 10 este de[torr] [ ]MHz55 .2. La temperatura camerei, limea liniei laserului cu CO2cu presiunea gazului de 100 este de[torr] [ ]MHz500 .

3. Peste , rata de creterea lrgirii este n jur de[torr100 ] [ ]MHz5,6 pentru fiecare cretere a presiunii cu [ ]torr1 .Mrirea limii liniein figura 5.5 este descrisefectul creterii limii liniei de fluorescen.

Fig. 5.5: Lrgirea limii liniei de fluorescen

Poate fi observat un exemplu numeric n exemplul 5.1.Exemplul 5.1: Laserul He-Ne tipic:Frecvena centrala radiaiei emise: [ ]Hz141074,4 .Limea liniei unui singur mod longitudinal: [ ] [ ]HzKHz 310=1 .Limea liniei cavitii optice: [ ] [ ]HzMHz 610=1 .

8Limea naturala liniei: [ ] [ ]HzMHz 10=100 .9

Limea Doppler: [ ] [ ]HzMHz 105,1 =1500 .5.2 Ctigul unei bucleDe fiecare dat la trecerea radiaiei laser prin mediul activ, aceasta este amplificat, cum s-a

explicat la inversia de populaie(seciunea 2.6).

9


10/16

Contrar amplificrii radiaiei, sunt i multepierderi:1. Pierderile de mprtiere i absorbie pe oglinzile de la capete.2. Radiaia de ieire prin cuplorul de ieire.3. Pierderile prin absorbie i mprtiere din mediul activ, i prin prile laterale ale laserului.4. Pierderile prin difracie cauzate de dimensiunile finite ale componentelor laser.

Aceste pierderi determinca o parte din radiaie snu ia parte la funcionarea laserului.O condiie necesarpentru funcionare este ca ctigul total sfie mai mare dect toate pierderile.Ctigul bucleieste definit ca ctigul net(amplificarea minus pierderile) al radiaiei transmise la

transversarea laserului ntr-o trecere complet (bucl). Aceasta este determinat de relaia dintreintensitatea radiaiei de la un anumit plan (perpendicular pe axa laserului) i intensitatea radiaiei la unplan asemntor dupparcurgerea unei bucle prin laser.

Ctigul buclei ( ) LGn figura 5.6 descrie drumul parcurs de radiaia ce tranverseazcavitatea laser.Drumul este divizat n seciuni numerotate de la 1 la 5, punctul 5 coincide cu punctul 1.

Fig. 5.6: Drumul parcurs de radiaia ce tranverseazcavitatea laser.

Prin definiie ctigul buclei(ciclului) este dat de:1

5

E

EGL =

=LG ctigul buclei,

=1E Intensitatea radiaiei la nceputul buclei,

=5E Intensitatea radiaiei la sfritul buclei.

Calculul ctigului unei bucle ( )LG frpierderiUn drum de la punctul 1 la punctul 2, radiaia trece prin mediul activ, i este amplificat.Definim:

=AG ctigul mediului activ(trecnd prin lungimea a mediului activ). Atunci:L 12 EGE A = .Pentru simplificare considerm clungimea mediului activ este egal cu lungimea cavitii, astfel

nct mediul activ atinge lungimea cavitii laser.n drumul de la punctul 2 la punctul 3, radiaia este reflectatde oglinda cu reflectivitate

ridicat (totalde 100%). Aceasta determin:1R 11213 EGRERE A == .

n drum de la punctul 3 la punctul 4, radiaia trece din nou prin mediul activ, i esteamplificat. Deci: .1

2134 EGREGE AA ==

n drumul de la punctul 4 la punctul 5, radiaia este reflectatde cuplajul de ieire (oglindade extracie). Deci: 1

221425 EGRRERE A ==

Aceasta completeazbucla (ciclul).Calculul ctigului unei bucle ( )LG cu pierderiSe considercaceste pierderi se produc uniform de-a lungul lungimii cavitii ( .)Ln analogie cu formula Lambert pentru pierderi (ce au fost explicate n seciunea 2.3), definim

coeficientul de pierderi ( ) , i l utilizm ca sputem definifactorul de absorbie : LeM = 2 =factorul pierderilor, descrie partea relativ de radiaie care rmne n cavitate dup toate

pierderile n urma parcurgerii unei bucle n interiorul cavitii.

Toate pierderile n urma parcurgerii unei bucle n interiorul cavitii sunt 1 (ntotdeaunamai mici ca 1).= coeficientul de pierderi(n uniti inverse lungimii).

=L2 lungimea de parcurscare este dublul lungimii cavitii.10


11/16

Introducndfactorul de pierderi ( )M n ecuaia pentru : .5E MEGRRE A = 12

215

Pentru aceasta calculm ctigul buclei:1

5

E

EGL = MGRR A =

221 .

Aici am considerat distribuia uniform a coeficientului pierderilor ( ) , acum definim coeficientulctigului ( ) , i considerm ctigul mediului activ ( )AG are distribuie uniformde.a lungul lungimii cavitii.

LA eG

+=

nlocuind n ecuaia anterioara ctigului buclei:

( )L

L eRRG

+

=

2

21 .Calculul ctigului de prag ( ) thLG

( )LL eRRG

+= 221

Cnd ctigul buclei ( este mai mare dect 1)LG ( )1>LG , intensitatea fasciculului va crete dupo revenire trecnd prin laser.

Cnd ctigul buclei este mai mic dect 1( LG ) ( )1L 3. Coeficientul de ctig ( ) :

LA eG

+

=

( ) LGA =ln

( ) ( ) [ ]131063,130

05,1lnln === cmL

GA

Coeficientul de ctig ( ) este mai mare dect coeficientul pierderilor ( ) , cum se presupunea.Exemplul 5.3: Calculul pierderilor din cavitate

Laserul cu He-Ne funcioneazn condiia de prag.Coeficienii de reflexie ai oglinzilor sunt: i9999,0 , 97,0 .

Lungimea laserului este 50 .[ ]cm

Ctigul mediului activ este 1 .02,Calculai:1. Factorul de pierderi .2. Coeficientul de pierderi ( ) .

11


12/16

Soluie la exemplul 5.3:

Deoarece laserul funcioneazn condiia de prag, 1=LG .

Utiliznd acceastvaloare n ctigul buclei: G MGRR AL ==2

211 .1. Factorul de pierderi :

9919,002,197,0999,0

1122

21

=

=

=AGRR

M .

Cum se observ 1< .

DacG , acest laser funcioneazdeasupra pragului.1>L 2. Coeficientul de pierderi ( ) este calculat pentru factorul de pierderi:

LeM = 2 LM = 2ln

( ) [ ]151013,8100

9919,0ln

2

ln =

=

= cmL

M .

Atenie: Dacfactorul de pierderi era mai mic dect 0 , atunci , i condiia de oscilaienu era ndeplinit.

9919, 1


13/16

5.3 Holuriarse n curba ctigului laserCtigul mediului activdepinde de inversia de populaie, i forma liniei de fluorescen.Acest ctig este influenat de propriul proces laser, deoarece procesul laser modific condiiile

inversiei de populaie.Emisia stimulat produce o golire a nivelului de energie laser superior, i reduce inversia de

populaie. Astfel, ctigul este redus pnla creterea din nou a populaiei nivelului de energie superior.Diagrama nivelelor de energiepentru un laser cu 4 nivelen figura 5.7, este descriso diagramde nivele de energie a unui laser cu 4 nivele (similar cu

figura 2.7 din seciunea 2.12).

Fig. 5.7: Diagrama nivelelor de energie n laserul cu 4 nivele

Cnd oglinzile cavitii lipsesc,atunci nu avem efect laser, inversia de populaiermne aproapeconstant. Numai emisia spontancontinude pe nivelul de energie E3pe E2. Asfel, ctigul mediuluiactiv ( este aproape constant.)AG

Acest ctig este denumit ctigul de semnal mic(cnd nu se produce efect laser), i acesta estectigul maxim al mediului activ.

Cnd oglinzile cavitii sunt introduse napoi n laser,apare efectul laser, i inversia de populaiescade, astfel ctigul scade. n acest caz, ctigul este ctig de saturaie, i este ntotdeauna mai micdect ctigul de semnal mic.

Curba ctigului mediului activ cu i fr holuri arsen figura 5.8, sunt prezentate distribuia ctigului de semnal mic i ctigul de saturaie n funcie

de frecven.

Fig. 5.8: Curba ctigului mediului activ cu i fr holuri arse

Curba ctigului de semnal micapare identiccu forma liniei de fluorescen(figura 5.3), cu unmaxim la frecvena modului de baz ( )0 .

Valoarea ctigului de saturaie scade pentru fiecare mod laser, de la ctigul de semnal mic lactigul de prag .( )thAG

Acest proces este numit hole burning n curba de ctig.Concluzie:

n orice moment, mare parte din energie nmagazinat n mediul activ nu este utilizat pentruproducerea radiaiei de ieire a laserului.

Ctigul de saturaie n laserul cu undcontinuntr-un laser continuu, energia este extras continuu din mediul activ. Astfel sunt create ctig

constant i puterea de ieire constant.Am vzut n seciunea 5.2 cctigul de pragera definit de ctigul mediului activ, pentru carectigul buclei este egal cu 1.

13


14/16

Aceasta explic dependena ctigului de prag de reflectivitile oglinzilor i pierderile dininteriorul cavitii. n momentul cnd se produce efect laser, sunt generate holurile de ardere n curbactigului, la frecvenele modurilor laser longitudinale. Aceste holuri reduc valoarea ctigului de lactigul de semnal mic la ctigul de saturaie.

Concluzie:

n timpul funcionrii n mod continuu, ctigul de saturaie este egal cu ctigul de prag:

( )MRR

G thA

=21

1.

Ctigul i puterea de ieire a laserului n undcontinu(CW)Pentru acelai laser, creterea pompajului produce creterea ctigului de semnal mic, dar

ctigul de saturaie este neafectat, i rmne egal cu ctigul de prag ( )thAG .Puterea de ieire a laserului va certede la ambele creteri a ctigului de semnal mic i inversia

de populaie.Creterea pompajului produce holuri n curba de ctig ce va fi umplut repede, deoarece

numrul atomilor excitai este mare.Figura 5.9 aratinfluiena puterii de intrare n laserul cu undcontinude urmtorii factori:

1. Ctigul mediului activ.2. Ctigul buclei.

3. Puterea de ieire a laserului.

Fig. 5.9: Ctigul i puterea de ieire n funcie de timp pentru un laser n undcontinu.

La timpul t mecanismul de excitare este activat. Aceasta determincreterea ctigului mediuluiactiv i a ctigului buclei.

1

La timpul ctigul mediului activ este egal cu ctigul de prag, i ctigul buclei este egal cu 1.Procesul laser ncepe, i puterea de ieire a laserului ncepe screasc.

2t

La timpul puterea de intrare atinge valoarea staionar(puterea de intrare constant). Ctigul

mediului activ este puin peste prag, i ctigul buclei este puin peste 1.3t

Puterea de ieire pentru laserii n undcontinuurc,pnla t , cnd atinge valoarea staionar.Atunci ctigul mediului activ este egal cu ctigul de prag, i ctigul buclei este egal cu 1.

4

Laserul n undcontinu

n laserul cu und continu la o stare de efect laser staionar, ctigul buclei ( )LG estentotdeauna 1.

La aceast stare, valoarea ctigului pentru fiecare mod laser longitudinal este cobort de la

valoarea ctigului de semnal mic la ctigul de prag ( )thAG care este egal cu ctigul de saturaie.Creterea pompajului produce o cretere a puterii de ieire a laserului.Sistemul va fi stabilizat la putere ridicatcnd ctigul buclei va fi egal cu ctigul de prag.

14


15/16

Concluzii pentru laserul n undcontinu:

1. Ctigul de saturaie a mediului activ este egal cu ctigul de prag .( )thAG2. Ctigul buclei n starea de funcionare staionareste tot timpul egal cu 1.

Laserul pulsat

Laserul pulsat este pompat la intensitate ridicatpentru o scurtperioadde timp.Drept consecin, ctigul mediului activ, i ctigul buclei sunt mult ridicate dect pentru laserul

n undcontinu, n felul acesta puterea de ieire este ridicat.Vom explicaprincipiul de funcionare al laserului cu solid n impulsuri, spre exemplu laserul cu

rubin. Seciunea 7.3 dezvoltlaserul n impulsuri.Forma pulsului de ieire a laserului n impulsuri cu rubinFigura 5.10 descrie forma unui singur puls de ieire al laserului cu rubin, comparat cu pulsul de

pompaj de la o lampflash.

Fig. 5.10: Un singur puls de ieire al laserului cu rubin, comparat cu pulsul de pompaj de la o lampflash

Pulsul laser de ieire este n jur de 1 milisecund(10-3secunde), i acesta este compus din sute saumii de pulsuri scurte.

Fiecare din pulsurile scurte este denumitpic (spike), i este de ordinul a microsecundei (10-6secunde).Picurile apar aleatoriu n timp, i diferfiecare unul fade altul n durati puterea picului.n mod normal numai pulsul ntreg este msurat, frsconsiderm fiecare pic.

Puterea medie per pulseste calculatcronometrnd pulsul complet, i msurndu-i energia.n figura 5.10 se poate vedea cpulsul laser ncepe dupun timp scurt duppulsul de pompaj.

Acesta este timpul necesar mediului activ sajungla valoarea de prag pentru efect laser.Analiza unui puls singular pentru laserul cu corp solid

Limea liniei unui fascicul laser cu corp solid este mai mult dect [ ]GHz30 [ ]Hz10103 . Fiecare linieare sute de moduri longitudinale n ea. Pentru fiecare din aceste moduri, se aplicprocesul descris n figura 5.11.

n figura 5.11 se descrie un caz simplu de pompaj constant al mediului activ care ncepe la timpul .1t

1.nceperea de la , ctigul mediului activ i ctigul buclei cresc rapid ca rezultat a pompajuluicontinuu puternic.

1t

2.La timpul , ctigul mediului activ ajunge la valoarea de prag, i ctigul buclei ajunge la 1 nceputul efectului laser. Ctigul mediului activ i ctigul buclei continuscreascpncnd putereade ieire nu are atinsvaloarea de saturaie care determinholul ars n curba de ctig.

2t

3.Pnla timpul , valoarea ridicata ctigului buclei determinpulsul intens a radiaiei laser. Astfel,

ctigul mediului activ coboarpnla valoarea de prag. Cnd ctigul buclei este sub 1, efectul laserse oprete, i ntregul proces ncepe din nou ct timp pompajul continu.

3t

15


16/16

Fig. 5.11: Ctigul i puterea de ieire pentru un laser cu corp solid

Fiecare mod laser longitudinal ncepe la timp diferit, cu un foton diferit. Acolo este o competi ie

ntre modurile longitudinale la energia din interiorul mediului activ. Astfel, avem natura ntmpltoare apicurilor: Fiecare pic are propria puterei durat.5.4 Rezumatul capitolului 5

1. Efectul lasereste posibil numai la acele lungimi de undpentru care mediul activ are emisie spontan.2. Linia de fluorescendescrie intensitatea de fluorescenn funcie de frecven.3. Limea liniei de fluoresceneste msuratcnd linia de fluoresceneste la jumtate din nlimea maxim.4. Curba de ctig a mediului activdepinde de limea liniei emisiei spontane a tranziiei laser specifice.5. Limea liniei laser conine multe moduri laser longitudinale, i este determinatde partea superioar

a curbei ctigului laser fade valoarea de prag: ( ) 1=LG .6. Condiia efectului lasereste cnd ctigul total va fi mai mare dect pierderile totale.7. Ctigul buclei ( este ctigul net (ctigul minus pierderile) de radiaie ntr-o trecere complet

prin cavitatea laser.

)LG

MGRRG AL =2

21 =factorul de pierderi prin absorbie, descrie partea relativde radiaie care rmne n cavitate

duptoate pierderile dintr-o transversare completa buclei din interiorul cavitii.Toate pierderile dintr-o transversare complet a buclei din interiorul cavitii sunt 1

(ntotdeauna mai mici dect 1).LeM = 2

= coeficientul pierderilor(n uniti 1/lungime).=L2 lungimea buclei, care este dublul lungimii cavitii.

Pentru laserul n undcontinu, condiia ctigului de prag a bucleieste

( ) MGRRG AthL ==2

211 ( )LeRR += 221 .

16

Date post:	04-Jun-2018
Category:	Documents
Upload:	emi-cocan
View:	229 times
Download:	0 times

Curs 4 Spectroscopie Si LASERI 2007

Documents