Как возникает вынужденное излучение в трехуровневых лазерах?

Насколько я понимаю, в трехуровневых лазерах мы накачиваем совокупность атомов из основного состояния энергии. Е 1 в какое-то возбужденное состояние Е 3 с помощью монохроматического излучения Энергии Е 3 − Е 1 . Затем атомы в возбужденном состоянии совершают быстрый и желательно безызлучательный переход в метастабильное состояние Е 2 , после чего атомы возвращаются в основное состояние, испуская фотоны энергии Е 2 − Е 1 . Является ли это излучение спонтанным или вынужденным? Если это действительно только спонтанно, то фотоны должны исходить в разных направлениях, чего не видно в лазере, поэтому вынужденное излучение должно происходить каким-то образом ... Но для получения вынужденного излучения нам нужно стимулировать атомы на метастабильном уровне 2, с излучением энергии Е 2 − Е 1 чего мы не делаем.(Прокачиваем только от 1 до 3, ничего от 1 до 2). Итак, если стимулированное излучение вообще происходит, то как оно происходит без какого-либо входящего стимулирующего излучения?

Я предполагаю, что, поскольку метастабильные состояния считаются очень близкими к возбужденному состоянию (по другим причинам), поэтому Е 3 − Е 1 ≈ Е 2 − Е 1 Таким образом, мы можем накачивать атомы почти монохроматическим светом (с небольшой дисперсией), так что соответствующая частота падающего излучения может также стимулировать наряду с накачкой. Правильно ли это или вынужденное излучение происходит каким-то другим образом в трехуровневых лазерах?

Ответы (2)

Все, что вам нужно сделать, это запустить вынужденное излучение в правильном направлении. Как только он начнется, он будет самоподдерживающимся, если прирост (население на уровне 2) достаточно высок.

Тогда возникает вопрос: как это начинается?

Ответ — спонтанное излучение . Это правда, что свет спонтанного излучения излучается во всех направлениях, но одно из этих направлений проходит прямо через резонатор в правильном направлении. И если популяция 2 высока, что будет, если мы ожидаем достаточного усиления для поддержки генерации, будет много спонтанного излучения, и вероятность того, что один фотон пойдет в правильном направлении, очень высока.

В принципе, вам нужен только один спонтанный фотон.

Между прочим, вы предполагаете, что перекачка с 1 на 2 будет производить вынужденное излучение, необходимое для начала работы. Напротив. Накачка от 1 до 2 вызывает стимулированное поглощение , которое является механизмом потери, а не механизма усиления.

Я получаю первую часть и ваш ответ на мой первоначальный вопрос. Что касается предложения, я на самом деле имел в виду, что если мы дадим диапазон частот, то часть этого может быть использована и для стимуляции уровня 2. Это может случиться?
Да, такое может случиться, но, к сожалению, нам это ни к чему. Я ответил на аналогичный вопрос некоторое время назад. Ваше предложение находится в этом ответе под видом высокоинтенсивного луча накачки (управление 1 -> 2 переходами). Ответ объясняет, почему это не приносит нам никакой пользы, и почему прокачка должна быть в переходе 1-> 3.

введите описание изображения здесь

Изображение, которое я показываю здесь, можно найти в моей диссертации, и ссылки на данные находятся в ней ( тезис здесь ). На левом изображении показано поперечное сечение усиления Yb:YAG, обычно квази-трех- или трехуровневой системы, с энергетической структурой справа. Слева различные кривые относятся к системе в основном состоянии при комнатной температуре ( β "=" 0 ) до полной инверсии ( β "=" 1 ). Если вы накачиваете систему на 969 нм (от Low1 до Up1), у вас есть настоящая трехуровневая система, накачанная на 940 нм, квази-трехуровневая система.

Итак, вы путаете некоторые термины и понятия лазеров, и ваш вопрос относился бы как к четырех-, так и к трехуровневым лазерным системам.

Во-первых: как объяснил Гарип, нужно понимать, что вынужденное излучение происходит только при точной разнице энергий, как в вашем случае Е 2 − Е 1 например, и что устройство, построенное вокруг вашей среды, создает положительную обратную связь для усиления: один фотон спонтанно испускается в направлении вашего лазерного резонатора и отражается обратно в среду, позволяя этому фотону теперь вызывать стимулированное излучение той же энергии.

Во-вторых, если вы сможете прояснить эту путаницу, связанную с тем, что стимулированное излучение действительно имеет место для одной энергии, тогда вы поймете, что ваш второй вопрос является продуктом этой путаницы.

Видите ли, вам не нужен насос или какой-либо другой механизм, чтобы начать процесс затравки для стимулированного усиления, потому что вы строите резонатор вокруг своей среды, чтобы обеспечить положительную обратную связь, чтобы поймать любой спонтанно испускаемый фотон, который случайно испускается в направление резонатора лазера.

В системе вы хотите отделить поглощение накачки за счет вынужденного поглощения, как упомянул Гарип, от фактического лазера на более высокой длине волны (по нескольким техническим причинам). См. случай с изображением, которое я вам показал. Я накачиваю на 969 нм, длину волны (или частоту, если преобразовать) на узкой линии, поглощающей большую часть света... Теперь в системе происходит инверсия населенностей: я перевожу электроны с уровня Low1 на уровень Up1. . Это создает дисбаланс между популяциями Up1 и Low3 (длина волны, на которой я использовал свой лазер), при этом Up1 имеет больше электронов, чем Low3. Теперь между этими уровнями начинает происходить спонтанное излучение, если какой-либо фотон оказывается в направлении моего резонатора, то он усиливается, так как этот фотон будет много раз проходить через усиливающую среду,

Некоторые интересные технические характеристики Yb:YAG, работающего на длине волны 1030 нм и накачиваемого на длине волны 969 нм:

- Вы можете достичь только 50%-ной инверсии между Low1 и Up1, при которой среда становится прозрачной: на каждый поглощенный фотон в среднем приходится один стимулируемый.

- При накачке на этой длине волны разница между энергиями фотонов накачки и энергии лазера составляет всего 6%, что делает эту разницу одной из самых низких среди всех современных твердотельных лазеров. Это обеспечивает малый вклад тепловой энергии в систему после распада уровня Low3 в уровень Low1.

Надеюсь, это помогло устранить еще одну путаницу.

Спасибо за всю информацию. Итак, если я правильно понял... один из исходящих фотонов, образующихся в процессе спонтанного излучения, действует как падающее излучение, которое запускает вынужденное излучение, заставляя атомы из метастабильного состояния переходить в основное состояние, верно?
@ManasDogra точно.
Как возникает вынужденное излучение в трехуровневых лазерах?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v