Презентация на тему Оптика твердотельных лазерных систем и сверхсильных полей

ОПТИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ И СВЕРХСИЛЬНЫХ ПОЛЕЙ

Леонид Николаевич Сомс

Leonid.soms@gmail.com
+7 911 706 15 47

Физические основы создания твердотельных лазерных систем .

Курс молодого бойца

Физические основы создания твердотельных лазерных систем .

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

Дискретность спектров

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

Больцмановское распределение по энергиям

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

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение

коэффициент Эйнштейна для вынужд. перехода

плотность энергии

Поглощение (1)

Поглощение (2)

Поглощение (3)

Вынужденное излучение / усиление (1)

Вынужденное излучение (2)

Усиление (3)

Термодинамическое равновесие (1)

Термодинамическое равновесие (2)

В состоянии теплового равновесия:

Спонт.изл.

Вынужд.изл.

Поглощение

Термодинамическое равновесие (3)

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

Насыщение поглощения (непр.сигнал)

Насыщение усиления короткого импульсного сигнала

Насыщение усиления короткого импульсного сигнала

Форма линий поглощения и усиления 1. Естественная ширина линии

Форма линий поглощения и усиления 2. Однородное уширение

Форма линий поглощения и усиления 2. Однородное уширение

Обычно для ТТЛ:

Форма линий поглощения и усиления 3. Неоднородное уширение

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

Насыщение поглощения: однородно уширенная линия

Неоднородно уширенная линия

Инверсия населенностей

Усиление: нужно инвертировать населенность уровней

Инверсия населенностей

Трехуровневая спектроскопическая схема

Инверсия населенностей

Четырехуровневая спектроскопическая схема

Инверсия населенностей

Четырехуровневая спектроскопическая схема

Формирование инверсной населенности

Формирование инверсной населенности

Формирование инверсной населенности

«Квазитрехуровневые схемы»

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;

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)

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.