Материал подготовлен Александром Колесниковым
Время жизни возбужденного состояния верхнего лазерного уровня
Получение лазерного излучения в среде: лазерное усиление связано с населенностью возбужденного состояния, из-за которого может происходить вынужденное излучение. Но даже без вынужденного излучения, время жизни населения этого верхнего уровня конечно из-за спонтанного излучения и, возможно, из-за дополнительных эффектов гашения. Как правило, населенность верхнего состояния убывает экспоненциально с определенным параметром времени распада возбужденного состояния (время жизни верхнего состояния), предполагая отсутствие накачки и вынужденного излучения. Точнее, время жизни - это время, после которого эта населенность снизилось на 1 / е (≈ 37%) от первоначального значения.
Спонтанное излучение приводит к флуоресценции, время жизни которой (время жизни флуоресценции), конечно же, равно времени жизни верхнего энергетического состояния.
В идеале, распад населенности верхнего энергетического уровня обусловлен лишь неизбежным спонтанным излучением. В данных условиях инверсное время жизни (которое также называется радиационным временем жизни) есть:
Это уравнение показывает, что распад быстр для лазерных переходов с большим сечением, и это обуславливает большую полосу усиления.
Скорость распада повышается, если есть дополнительные переходы на другие нижележащие уровни энергии. Кроме того, время жизни верхнего энергетического состояния может быть уменьшено за счет процессов тушения, связанных, например, с девозбуждением на примесях или дефектах кристалла, или переходом энергии между различными ионами лазера.
Распад населенности верхнего энергетического уровня не обязательно носит экспоненциальный характер; часто наблюдается не экспоненциальный распад (в частности, при проведении измерений с достаточно коротким импульсом накачки). Например, некоторые процессы гашения приводят к быстрому распаду, до тех пор, пока населенность верхнего уровня высока, но имеет малое влияние на последующие стадии процесса распада.Для некоторых типов активной среды, таких как Cr:forsterite и Cr:YAG, время жизни верхнего уровня сильно зависит от температуры. Причиной может быть “помощь фононов” в безызлучательной релаксации, которая становится сильнее при высоких температурах.
Эффективное время жизни верхнего лазерного уровня может быть определено условиями генерации, которые включают эффект вынужденного излучения. Для четырехуровневой лазерной среды, эффективное время жизни верхнего уровня снижается, например, из-за “фактора двух”, когда лазер накачивается дважды выше пороговой мощности накачки.
Обратите внимание, что нижний лазерный уровень может иметь конечное время жизни, так называемое время жизни нижнего энергетического состояния.
В случае полупроводниковых приборов (полупроводниковые оптические усилители и лазеры), время жизни верхнего энергетического состояния обычно называется временем жизни носителей.
Типичные значения времени жизни для различных сред
Времена жизни верхних уровней для различных видов лазерных сред отличаются значительно:
- Предполагая существование диполь-разрешенных переходов, возбужденные уровни атомов или ионов, как правило, имеют времена жизни порядка наносекунд.
- Время жизни носителей, в зоне проводимости прямой запрещенной зоны полупроводников (которые используются в полупроводниковых лазерах) также обычно несколько наносекунд.
- Активные среды, легированные редкоземельными металлами, обычно работают на слабо разрешенных переходах, что приводит к гораздо дольшему времени жизни: от нескольких микросекунд (например, для титан-сапфировой активной среды) и примерно до 8-10 миллисекунд (например, для легированных эрбием активных волокон).
Обратите внимание, что пороговые мощности для различных активных сред отличаться гораздо меньше, чем времена жизни верхних состояний этих сред, так как долгие времена жизни верхних уровней означают малые значения сечений излучения, а пороговая мощность зависит от σ–тау.
Важность параметра времени жизни для физики лазеров
Долгое время жизни верхних энергетических состояний в лазерных активных средах означает, что значительная инверсная населенность может быть обеспечена при помощи относительно низкой мощностью накачки. Эффективность среды и, следовательно, пороговая мощность накачки лазеров также зависят от излучения лазерного сечения (помимо других факторов); пороговая мощность накачки обратно пропорциональна соотношению времени жизни верхнего состояния и излучению лазерного сечения, называемого соотношением σ–, по крайней мере на четырёхуровневых лазерах.
Время жизни верхних состояний также влияет на лазерную динамику, например, на релаксационные колебания и тенденцию к образованию так называемых спайков (пиков осцилляции лазера).
Для длительного времени жизни верхних состояний желательно, чтобы среда непрерывно накачивалась лазерами с модуляцией добротности, потому что она дает возможность сохранить большее количество энергии.
Измерение времени жизни верхнего энергетического состояния
Время жизни верхнего состояния можно измерить, например, путем заполнения верхнего лазерного уровня путем возбуждения коротким лазерным импульсом и мониторинга ослабления флуоресценции. (Прерывание непрерывного света накачки для получения импульсной также возможно, как вариант, но переключение при этом гораздо медленнее, а достижимый уровень населенности существенно ниже).
Обратите внимание, что в сильно легированной среде измеренное времени жизни верхнего энергетического состояния может быть увеличено за счет реабсорбции флуоресценции. Этот эффект особенно усиливается за счет захвата излучения из-за полного внутреннего отражения на поверхности среды [1, 2]. Реабсорбционные эффекты могут быть ослаблены с помощью слабо легированного вещества в виде порошка, погруженного в жидкость с сопоставимым показателем преломления, или преимущественно записью флуоресценции от грани образца с использованием диафрагмы. Обратите внимание, что флуоресценционное ослабление становится неэкспоненциального в ситуациях со значительной реабсорбцией. Неэкспоненциальное ослабление может также вознкнуть вследствие иных причин.
