Насыщение усиления

 

Такой оптическое устройство, как активная среда лазера, не может поддерживать постоянное усиление для произвольно высокого уровня входной мощности усилителя, потому что это будет требовать добавления произвольного количества мощности к усиленному сигналу. С ростом уровня входной мощности усиление будет падать; этот феномен называется насыщением усиления.

В случае с активной средой лазера, насыщение не сразу достигает уровня, соответствующего входной оптической мощности, и устанавливается в соответствии с входной оптической мощностью, потому что активная среда лазера аккумулирует некоторое количество энергии, и накопленная энергия определяет усиление. Например, внезапное увеличение входной мощности активной среды лазера уменьшит усиление только на определенный отрезок времени, потому что количество ионов активного вещества лазера уменьшается только с определенной конечной скоростью. Это имеет большое значение для динамики лазера.

 

Общее уравнение для коэффициента усиления:

Где g –коэффициент усиления (предполагается, что он низкий), g_ss – усиление малых сигналов (для исходной интенсивности накачки), g – время релаксации усиления, P – мощность усиленного пучка, а E_sat – насыщение усиления активной среды. Стоит отметить, что exp(g) – это коэффициент усиления по мощности, и его не следует путать с g.

В состоянии равновесия (т.е., для длительного масштаба времени с постоянной мощностью накачки излучателя и потерями в резонаторе), коэффициент усиления рассчитывается следующим образом:

где P_sat – это мощность насыщения. Следует отметить, что по умолчанию скорость накачки считается постоянной величиной, то есть эффекты усиления накачки отсутствуют. Это предположение справедливо в большинстве случаев, но есть исключения.

Ось х – усиление при насыщении /усиление при малом уровне входного сигнала

Ось у – мощность сигнала/мощность насыщения

 

Рис. 1. Зависимость усиления при насыщении от мощности сигнала в состоянии равновесия

Например, усиление уменьшается до половины усиления при малом уровне входного сигнала, если мощность сигнала равняется мощности насыщения. 

Вычислить коэффициент усиления для высокого уровня входного сигнала сложнее, в сущности, это связано с тем, что интенсивность света в усилителе значительно варьируется. Наиболее простым подходом является деление усилителя с высоким коэффициентом усиления на ряд усилителей, которые можно рассматривать приблизительно как усилители с низким коэффициентом усиления.

Поперечное распределение интенсивности пучка лучей лазера может изменять параметры насыщения: активные ионы лазера на внешних частях луча требуют насыщения для большей мощности оптического излучения. Этот эффект влечет за собой изменение кривой насыщенности, как показано, например, на Рис. 1 и 2.

В случае оптического усиления импульса малой длительности (длительностью гораздо ниже времени жизни возбужденного состояния), спонтанным излучением во время усиления импульса, можно пренебречь. Влиянием оптической накачки обычно тоже можно пренебречь (в отличие от импульсной накачки высокой интенсивности). После излучения импульса коэффициент усиления уменьшается согласно закону, ехр(–E_p/ E_sat), где E_p – энергия импульса. Например, усиление уменьшается до 1 / e ≈ 37% исходной величины, если E_p = E_sat.

 

Ось x – усиление после импульса/исходное усиление

Ось y – энергия импульса/энергия насыщения

 

Рис.2. Уменьшение коэффициента усиления среды в результате излучения импульса малой длительности

 

Эффективный коэффициент усиления под действием импульса является некой средней величиной, потому что коэффициент усиления уменьшается во время импульсного усиления. Этот средний коэффициент может быть рассчитан, учитывая сокращение накопленной энергии в активной среде.  

 

 

Важным вопросом является однородность или неоднородность среды насыщения усилителя. Насыщение усилителя однородной среды означает, что спектр коэффициента усиления  не изменяется под воздействием насыщения. 

К примеру, к этим случаям относятся те, при которых активные ионы лазера имеют одинаковый спектр излучения. В некоторых усилительных средах, особенно в таких разупорядоченных средах, как стекло, ионы лазера могут занять различные места в решетке, и различные локальные электрические поля влияют на длину волны и силу различных переходов. Это может привести к неоднородному насыщению (Рис. 3), где спектральная форма изменяется; как правило, коэффициент усиления на длине волны генерации лазера насыщается больше, чем коэффициент усиления  другой длине волны.