عتبة الليزر

الموسوعة الحرة

في علم الليزر ، يُعرف عتبة الليزر بأنها أدنى مستوى إثارة يهيمن عنده الانبعاث المحفز على خرج الليزر بدلاً من الانبعاث التلقائي . تحت هذه العتبة، ترتفع قدرة خرج الليزر ببطء مع زيادة الإثارة. أما فوقها، فيزداد ميل منحنى القدرة مقابل الإثارة بشكل كبير . كما يصبح عرض خط انبعاث الليزر أصغر بكثير فوق العتبة مقارنةً بما هو عليه تحتها. عند تجاوز العتبة، يُقال إن الليزر يعمل . مصطلح "التشغيل الليزري" مشتق من كلمة "ليزر"، وهي اختصار وليست اسمًا .

نظرية

يتم الوصول إلى عتبة الليزر عندما يتوازن الكسب البصري لوسط الليزر تمامًا مع مجموع جميع الخسائر التي يتعرض لها الضوء في دورة واحدة داخل تجويف الليزر البصري . ويمكن التعبير عن ذلك، بافتراض التشغيل في حالة الاستقرار، على النحو التالي:

R1R2خبرة⁡(2زعتبةل)خبرة⁡(-2αل)=1{\displaystyle R_{1}R_{2}\exp(2g_{\text{threshold}}\,l)\exp(-2\alpha l)=1}.

هناR1{\displaystyle R_{1}}وR2{\displaystyle R_{2}}هي انعكاسات المرآة (الطاقة)،ل{\displaystyle l}هو طول وسط التضخيم،خبرة⁡(2زعتبةل){\displaystyle \exp(2g_{\text{threshold}}\,l)}يمثل هذا المكسب الحدي للطاقة ذهابًا وإيابًا، وخبرة⁡(-2αل){\displaystyle \exp(-2\alpha l)}يمثل هذا فقد الطاقة ذهابًا وإيابًا. لاحظ أنα>0{\displaystyle \alpha >0}تُقسّم هذه المعادلة الفقد في الليزر إلى فقد موضعي ناتج عن المرايا، والذي يتحكم فيه المجرب، وفقد موزع مثل الامتصاص والتشتت. وعادةً ما يكون تحكم المجرب في الفقد الموزع محدودًا.

يكون الفقد البصري ثابتًا تقريبًا لأي ليزر معين (α=α0{\displaystyle \alpha =\alpha _{0}})، وخاصة بالقرب من العتبة. وبناءً على هذا الافتراض، يمكن إعادة ترتيب شرط العتبة على النحو التالي [ 1 ]

زعتبة=α0-12لln⁡(R1R2){\displaystyle g_{\text{threshold}}=\alpha _{0}-{\frac {1}{2l}}\ln(R_{1}R_{2})}.

منذR1R2<1{\displaystyle R_{1}R_{2}<1}بما أن كلا الحدين على الجانب الأيمن موجبان، فإن كلا الحدين يزيدان من قيمة معامل الكسب المطلوب. وهذا يعني تقليل قيمة معامل الكسب.زعتبة{\displaystyle g_{\text{threshold}}}يتطلب ذلك خسائر موزعة منخفضة ومرايا ذات انعكاسية عالية. مظهرل{\displaystyle l}يشير المقام إلى أن كسب العتبة المطلوب سينخفض ​​بزيادة طول وسط الكسب، لكن هذا ليس هو الحال عمومًا. ويعتمد ذلك علىل{\displaystyle l}الأمر أكثر تعقيداً لأنα0{\displaystyle \alpha _{0}}يزداد عمومًا معل{\displaystyle l}بسبب خسائر الانعراج .

قياس الخسائر الداخلية

يعتمد التحليل أعلاه على افتراض أن الليزر يعمل في حالة مستقرة عند عتبة التشغيل. مع ذلك، لا يمكن تحقيق هذا الافتراض بشكل كامل. تكمن المشكلة في أن قدرة خرج الليزر تتغير بشكل كبير تبعًا لوجود الليزر فوق أو تحت العتبة. فعندما يكون الليزر قريبًا جدًا من العتبة، يمكن لأدنى اضطراب أن يُحدث تقلبات هائلة في قدرة خرج الليزر. ومع ذلك، يمكن استخدام هذه الصيغة للحصول على قياسات دقيقة للخسائر الداخلية لليزر كما يلي: [ 2 ]

تستخدم معظم أنواع الليزر مرآة عاكسة للغاية، وأخرى (تُسمى مُقترن الإخراج ) عاكسة جزئيًا. وتُحقق المرايا العازلة عادةً انعكاسات تزيد عن 99.5% . ويمكن تبسيط التحليل بأخذR1=1{\displaystyle R_{1}=1}ويمكن بعد ذلك الإشارة إلى انعكاسية موصل الإخراج.ROC{\displaystyle R_{\text{OC}}}ثم تُبسط المعادلة أعلاه إلى

2زعتبةل=2α0ل-ln⁡ROC{\displaystyle 2g_{\text{threshold}}\,l=2\alpha _{0}l-\ln R_{\text{OC}}}.

في معظم الحالات، ستكون طاقة الضخ المطلوبة للوصول إلى عتبة الليزر متناسبة مع الجانب الأيسر من المعادلة، أيPعتبة∝2زعتبةل{\displaystyle P_{\text{threshold}}\propto 2g_{\text{threshold}}\,l}(ينطبق هذا التحليل بنفس القدر عند النظر في طاقة العتبة بدلاً من قدرة العتبة. وهذا أكثر أهمية بالنسبة لأشعة الليزر النبضية). يمكن إعادة كتابة المعادلة على النحو التالي:

Pعتبة=ك(ل-ln⁡ROC){\displaystyle P_{\text{threshold}}=K(\,L-\ln R_{\text{OC}}\,)}،

أينل{\displaystyle L}يتم تعريفها بواسطةل=2α0ل{\displaystyle L=2\alpha _{0}l}وك{\displaystyle K}ثابت. تسمح هذه العلاقة للمتغيرل{\displaystyle L}سيتم تحديد ذلك تجريبياً.

لاستخدام هذا التعبير، يجب الحصول على سلسلة من كفاءات الميل من الليزر، حيث يتم الحصول على كل ميل باستخدام انعكاسية مختلفة لمقرن الإخراج. يتم تحديد عتبة القدرة في كل حالة من خلال نقطة تقاطع الميل مع المحور السيني. ثم يتم رسم عتبات القدرة الناتجة مقابل-ln⁡ROC{\displaystyle -\ln R_{\text{OC}}}تشير النظرية المذكورة أعلاه إلى أن هذا الرسم البياني خط مستقيم. يمكن تمثيل البيانات بخط مستقيم، ومن ثم إيجاد نقطة تقاطع هذا الخط مع المحور السيني. عند هذه النقطة، تكون قيمة س مساوية لخسارة الرحلة ذهابًا وإيابًا.ل=2α0ل{\displaystyle L=2\alpha _{0}l}تقديرات كمية لـزعتبة{\displaystyle g_{\text{threshold}}}ويمكن بعد ذلك صنعها.

من الميزات الجذابة لهذا التحليل أن جميع القياسات تتم مع تشغيل الليزر فوق عتبة الليزر. وهذا يسمح بإجراء قياسات ذات خطأ عشوائي منخفض، ولكنه يعني أيضًا أن كل تقدير لـPعتبة{\displaystyle P_{\text{threshold}}}يتطلب الأمر استقراءً.

يُقدّم كتاب دبليو. كوشنر مناقشة تجريبية جيدة حول تحديد كمية فقدان الليزر. [ 3 ]

مراجع

  1. ^ ياريف ، أمنون (1989). الالكترونيات الكمومية (  الطبعة الثالثة). وايلي. رقم ISBN 0-4716-0997-8.
  2. ↑ فيندلاي، د.؛ كلاي، ر. أ. (1966). "قياس الفقد الداخلي في ليزرات رباعية المستويات". رسائل الفيزياء . 20 (3). إلسيفير بي في: 277-278 . رمز Bibcode : 1966PhL....20..277F . doi : 10.1016/0031-9163(66)90363-5 . ISSN 0031-9163 . 
  3. ↑ دبليو. كوشنر، هندسة الليزر ذي الحالة الصلبة ، سلسلة سبرينغر في العلوم البصرية، المجلد 1، الطبعة الثانية، سبرينغر-فيرلاغ 1985، رقم ISBN 0-387-18747-2.