Wzmocnienie (laser)

W fizyce laserowej wzmocnienie lub wzmocnienie to proces, w którym ośrodek przekazuje część swojej energii emitowanemu promieniowaniu elektromagnetycznemu , co powoduje wzrost mocy optycznej. Jest to podstawowa zasada działania wszystkich laserów . Ilościowo wzmocnienie jest miarą zdolności ośrodka laserowego do zwiększania mocy optycznej.

Definicja

Wzmocnienie można zdefiniować jako pochodną logarytmu potęgi $przechodzącej$ ośrodek. Współczynnik, o który wiązka wejściowa jest wzmacniana przez ośrodek, nazywany jest wzmocnieniem i jest reprezentowany przez G.

${\ Displaystyle G = {\ Frac {\ rm {d}} {{\ rm {d}} z}} \ ln (P) = { \frac {{\rm {d}}P/{\rm {d}}z}{P}}}$

gdzie $współrzędną$ w kierunku propagacji. To równanie pomija wpływ profilu poprzecznego belki.

W quasi-monochromatycznym przybliżeniu przyosiowym wzmocnienie można uwzględnić za pomocą następującego równania

$= \ Delta _ {\ perp} E + 2 \ nu E+iGE}$ ,

gdzie jest odmianą współczynnika załamania światła (która ma być mała), ${\ displaystyle ~ \ nu ~}$

${\ displaystyle ~ E ~}$ jest polem złożonym, związanym z fizycznym polem elektrycznym ${\ displaystyle ~ E _ {\ rm {phys}} ~}$ z relacją ${\ Displaystyle ~ E _ {\ rm {fizyka}} = {\ rm {Re}} \ lewo ({\ vec {e}} E \ exp (ikz-i \ omega t) \ prawej) ~}$ , gdzie ${\ Displaystyle ~ {\ vec {e}} ~}$ jest wektorem polaryzacji, ${\ Displaystyle ~ k ~}$ jest liczbą falową, ${\ Displaystyle ~ \ omega ~ }$ to częstotliwość, ${\ Displaystyle ~ \ Delta _ {\ rm {\ sprawca}} = \ lewo ({\ Frac {\ częściowe ^ {2}} {\częściowy x^{2}}}+{\frac {\częściowy ^{2}}{\częściowy y^{2}}}\right)~} jest$ przekrojowym laplacem; ${\ displaystyle ~ {\ rm {Re ~}}}$ oznacza część rzeczywistą.

Zysk w systemie quasi-dwupoziomowym

W prostym quasi-dwupoziomowym systemie zysk można wyrazić za pomocą populacji stanów niższych i wzbudzonych: ${\ Displaystyle ~ N_ {1} ~}$ i ${\ Displaystyle ~ N_ {2} ~}$

${\ Displaystyle ~ G = \ sigma _ {\ rm {e}} N_ {2} - \ sigma _ {\ rm {a}} N_ {1} ~}$

gdzie $i$$.$ i absorpcji W przypadku medium nie pompowanego wzmocnienie jest ujemne.

Wzmocnienie w obie strony oznacza wzmocnienie pomnożone przez długość propagacji emisji lasera podczas pojedynczej podróży w obie strony. W przypadku wzmocnienia zmieniającego się wzdłuż długości, wzmocnienie w obie strony można wyrazić za pomocą całki sol $\ Displaystyle g = \ int G {\ rm {d}} z}$ . Ta definicja zakłada albo płaski profil wiązki laserowej wewnątrz lasera, albo pewne efektywne wzmocnienie, uśrednione w przekroju poprzecznym wiązki.

Współczynnik wzmocnienia można zdefiniować $\rm {w}}}$ stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej ${\ Displaystyle ~ P _ {\ rm$${$$}$ :

${\ Displaystyle ~ K = P _ {\ rm {na zewnątrz}} / P _ {\ rm {w}}}$ .

Jest to związane z zyskiem; ${\ Displaystyle ~ K = \ exp \ lewo (\ int G {\ rm {d}} z \ prawej) ~}$ .

Wzmocnienia i współczynnika wzmocnienia nie należy mylić ze współczynnikiem powiększenia. Powiększenie charakteryzuje skalę powiększenia obrazu; takie powiększenie można zrealizować za pomocą elementów pasywnych, bez wzmocnienia .

Alternatywna terminologia i notacja

Nie ma ustalonej terminologii dotyczącej wzmocnienia i absorpcji. Każdy może swobodnie używać własnych notacji i nie jest możliwe omówienie wszystkich systemów notacji w tym artykule.

W radiofizyce wzmocnienie może oznaczać logarytm współczynnika wzmocnienia.

W wielu artykułach na temat fizyki laserów, które nie używają zdefiniowanego powyżej współczynnika wzmocnienia $,$ wzmocnienie nazywa się współczynnikiem wzmocnienia , analogicznie do współczynnika absorpcji , który w rzeczywistości wcale nie jest współczynnikiem trzeba to pomnożyć przez długość propagacji (grubość), zmienić signum, wziąć odwrotność wykładniczą i dopiero wtedy otrzymać współczynnik tłumienia próbki.

Niektóre publikacje używają terminu przyrost zamiast wzmocnienia i ubytku zamiast współczynnika absorpcji , aby uniknąć dwuznaczności , wykorzystując analogię między przyosiową propagacją fal quasi-monochromatycznych a ewolucją w czasie układu dynamicznego.

Zobacz też

• Wzmocnienie w obie strony , wzmocnienie pomnożone przez długość propagacji emisji lasera podczas pojedynczej podróży w obie strony
• Laser dyskowy
• Efektywne przekroje
• Relacja McCumbera