Широкополосные лазерные усилители и соотношение МакКамбера (Кузнецов)
Материал из Викитеки — свободной библиотеки
| 'Широкополосные лазерные усилители и соотношение МакКамбера' автор Дмитрий Юрьевич Кузнецов |
| Copyleft 2007 by Author |
Abstract. Соотношение МакКамбера в физике твердотельных лазеров можно вывести, не используя предположение о том, что все активные центры имеют одинаковое распределение подуровней. Область применимости соотношения МакКамбера та же, что и концепции эффективного сечения испускания.
Содержание |
[править] Введение
Эффективные сечения поглощения
и испускания
, няряду с временем жизни τ возбужденного состояния, являются основными параметрами при расчете твердотельного лазера. Допущение об эффективных сечениях позволяет обращаться с активной средой так как если бы она была сделана на основе двухуровневых атомов. Эта концепция так широко используется, что эффективные сечения называют просто сечение: сечение поглощения (absorption cross-section) и сечение испускания (emission cross-section).
Соотношение МакКамбера [1][2] выражает сечение испускания
через сечение поглощения
:
где
есть температура,
есть постоянная Вольцмана (Boltzmann constant) и
есть так называемая частота нулевой линии, при которой сечение испускания равно сечению поглощения. Соотношение (mc) подтверждено для различных лазерных сред [1][2][3][4][5].
Оригинальный вывод соотношения МакКамбера [1], как и его изложения в учебниках [2] предполагают, что все активные центры одинаковы. Этот вывод не может бытъ использован как естъ для материалов с широкой полосой усиления, в которых активные центры находясь в разных условиях, имеют различные энергии возбуждения. Это позволило интерпретировать результаты для Yb:Gd2SiO5 [6][7][8] как указание на то, что эффективные сечения для неоднородно–уширенных (речь идет о спектральных линиях) могут существенно отличатьсе от предсказаний, сделанных на основе соотношения МакКамбера. В частности, в трех независимых журналах представлены экспериментальные "свидетельства" того, что пик сечения поглощения
при длине волны 950 нм соответствует провалу сечения
.
Разумеется, среда с таким странным поведением эффективных сечений [6][7][8] была бы хороша не только для эффективного лазера, но и для вечного двигателя Второго рода (Perpetual Motion of Second Kind). Минимальная коррекция сечения испускания, которая делает среду совместимой со Вторым Началом Термодинамики была предложена [9][10] обсуждена и портверждена [11].
Разумеется, это нелепо, придумывать мысленный эксперимент каждый раз, когда надо проанализировать достоверностъ экспериментальных данных. Чтобы избежать таких конфузов, следует обобщить доказательство соотношения МакКамбера.
После доклада [9], участники попросили меня построить доказательство соотношения МакКамбера, которое не использивали бы допущение об "одинаковости" активных центров, и могло бы заменить спекуляции "вечными двигателами" [10] и анализ соответствующих мысленных экспериемнтов.
В этой работе я предлагаю такое доказательство. Ниже, я показываю, что соотношение МакКамбера следует из фундаментальныс свойств коэффициентов Эинштейна [12][13][14][15], и приложимо к любому материалу с медленными переходами межды двумя лазерными уровнями и быстрыми переходами внутри каждого их их подуровней.
[править] Активные центры
Схема уровней неоднородно–уширенной лазерной среды представлена на рисунке 1.
Рассмотрим два подмножества квантовых состояний: уровень 1 и уровень 2.
Предположим медленные оптические (излучательные) переходы между уровнями 1 и 2.
(Это свойство делает среду подходящей для эффективного лазера.)
Предположим быстрый обмен энергией между соседями, который ведет к быстрой термализации распределения возбуждений внутри каждого уровня.
Тогда, эффективный показатель преломления [16] и инкремент [5] определяются средними заселенностами
and
лазерных уровней и не зависят от способа возбуждения.
В этом случае, и только в этом случае, эффективные сечения поглощения
и испускания
имеют смысл.
[править] Термализация
Использование эффективных сечений предполагает термализацию кантовых состояний внутри каждого из лазерных уровней. Разумеется, заселеность лазерных уровней может быть далека от равновесной, что позволяет сделать лазер. Инкремент может быть представлен в виде
где
и
есть заселенности нижнего и верхнего лазерных уровней.
Вынужденное излучение можно характеризовать с помощью коэффициента Эйншейна [12][17][18][19]; плотность вероятности испускания спонтанного фотона на частоте ω может быть фыражена как
где
есть вероятность спонтаного излучение случайным активым центром на время на частоты, в предположении, что этот центр возбужден.
является эквивалентом коеффициента Эинштейн
. Я использую обозначение
, чтобы избежать путаницы сбязанной с тем, что
не имеет однозначного общепринятого смысла (см. замечания к Table 7.7 публикации [13]); не только значение, но и даже размерность коэффициентов Эинштейна зависят от использованной шкалы: частоты или длины волн.
[править] Скорость излучения
Скорость излучения (decay rate)
возбужденным уровнем может быть выражена в терминах коэффициента
:
Сечения
и
и коэффициент
не зависят от заселеностей
и
и плотности
фотонов частоты
. В этом приблишении, свойства активной среды определяются тремя функциями
,
и
, то есть нет нужды рассматривать детали нелинейного процесса, который привел к возбуждению среды; [20][21]; как инкремент, так и показатель преломления определяютсяined заселенностами
и
. Функции
,
и
являются экивалентами коэффициентов Эйнштейна, но имеют преимущество: их значения не зависят от системы обозначений.
В дальнейшем, я переписываю соотношения между коэффициентами Эйнштейна [12][13][14][15], принимая во внимамие структуру подуровней (рисунок.1).
[править] Принцип Детального Равновесия
Функции
,
и
частоты
связаны так же, как и коэффициенты Эйнштейна. Эти соотношения можно найти из Принципа Детального Равновесия.
Выражение (g) годится для неравновесного состояния, но в частном случае, оно справедливо и для термического состояния, когда вероятность испускания (спонтанного и вынужденного вместе) фотона на каждой частоте равна вероятности поглощения
.
Рассмотрим равновесное состояние. Пусть
есть груповая скорость света в среде.
Произедение
есть спектральная эффективность вынужденного излучения, а
эффективность поглощения. a(ω)n2 есть эффективность спонтанного излучения. (Отмечу, что в этом приближении нет такого понятия как спонтанное поглощение).
Баланс фотонов дает:
Перепишем это выражение в виде
Равновесное распределение фотонов подчинается законам черного излучения [13]:
Выражения (D1) и (D2) справедливы для любых частот
. Для идеализированных двухуровневых центров,
, и
, что ведет к соотношению a(ω) and the emission cross-section
[13]. (Обозначение "вероятность испускания" сохраняется для
, что есть вероятность излученияия фотона в малом спектральном интервале
в течение малого временного интервала
, при условии что в момент
атом возбужден.)
Соотношение (D2) является фундаментальным свойством спонтанного и вынужденного излучения. По–видимому, такое соотношение является единственным способом запретить спонтанное нарушение теплового равновесия в рамках простой модели процессов излучения.
[править] Приложение к различным центрам
Для каждого сайта с номером
, для каждого подуровня j, парциальнаш эффективность излучения
может быть выражена из рассмотрения идеализидованного двухуровнего атома [13]:
В пренебреении кооперативными эффектами, эмиссии аддитивны: для каждой концентрации
сайтов и для каждой заселенности
подуровня, одно и то же соотношение нежду
и
держится для эффективных сечений:
Сравнение (D1) и (D2) дает соотношение
Это соотношение эквивалентно соотношению МакКамбера (mc), если мы определим частоту ωZ "нулевой" линии как реюение уравнения
где индекс
указывает, что отношение заселеностек оценивасется в равновесном состоянии с температурой
.
Частота "нулевой" спектральной линии мошет быть предстаселна следующим образом:
Тогда соотношение (n1n2) становится эквивалентным соотношению МакКамбера (mc).
Таким образом, никаких специальных свойств подуровней не требуется для соотноюения МакКамбера; жто соотношение следует из предполошения о быстрых переходах вбутри каждого уровня. Таким образом, соотношение МакКамбера (mc) имеет ту же область применимости, что и сама концепция эффективных сечений.
[править] Равновесное отношение заселенностей
Частота "нулевой линии" определяется уравнением (oz) в терминах отношения
заселенностей лазерных уровней в равновесном состоянии с температурой T. Вообще гооря, частота
может зависеть от температуры. Эта зависимость может быть выражена явно в терминах энергий подуровней.
Рассмотрим сперва среду с одиналовыми активными центрами (рисунок 2). Пусть
есть полное число подуровней.
Пусть
нумерует эти подуровни.
Пусть первые
подуровней принадлежат нижнему уровню, что соответствует значерниям
.
Следующие
подуровней принадлежат верхнему уровню, соответствуя значениям
.
Пусть
будет энергия
го подуровня. Тогда равновесное отношение заселенностей
что и заляется искмым явным представлением для среды с одинаковыми активными центрами.
[править] Сайты
Дла среды с расличными центрами или сайтами, (рисунок .1), пусть
нумерует эти сайты.
Пусть
будет концентрасия
х сайтов, а
будет энергия
го подуроня
го сайта. Тогда
При низких температурах,
и только нулевые слагаемые дают важный вклад. (Это типичный случай для Yb в качестве активного допанта.) Тогда частота "нулевой линии" соответствует энетгии между нижайшими подуровнами каждого уровня.
[править] Теория и эмпирика
Использование формальных выражений (mono) и, особенно (multi) требует знания этергий подуровней. Более практичным может быть определение сечения испускания из спектра спонтанного излучения, который легче измерить.
Использыя уравнение (comparison), получаем:
Интеграл от
может быть преверен из уравнения (tau), поскольку время
соинтанного излугения известно. Тогда частота "нулевой линии" может быть определена из сравенния отношения сечений и элспоненты в правои части уравенения (n1n2). Отклонение от кинстанты правой части уравнения
явлается мерой погрешности описания процесса в терминах эффективных сечений. Значимое отклонение, доложенное в нескольких независиных журналах[6][7][8][10][9] может указывать на то, что единое эффективное сечение испускания
для данной среды не существует, и требуется более детальный анализ кинетики возбусдений тазличных сайтов.
Пока нет очевидных подтветшдений, что такое нарушение соотнопения МакКамбера имеер место для Yb:Gd2SiO5. Вопиющее нарушение соотношения Маккамбера на чрафиках [6][7][8] ацлается, по–видимому, следстием методической ошибки при измерениях σe, связанной с неправильным учетом переизлучения на частотах, близких к "нулевой частоте".
[править] Заключение
Соотношение МакКамбера (mc) следует из быстрого перераспределения возбуждения между подуровнями. Только в этом случае можно пользоваться эффективными сечениями.
Предложенное доказательство соотношения МакКамбера применимо к средам с разлийными "сайтами".
Это приближение может быть нарушено при низких концентрациях активных центров, а также в случае возбуждения очень короткими импульсами. В обоих случаях, различные "сайты" взаимодействуют с электромагнитным полем быстрее, чем друг с другом; и среда не может быть харектерихована однозначно с помощю эффективного сечения
излучения; Такие сечения должны быть рассмотрены для каждого "сайта", и должна быть рассмотрена кинетика переноса возбуждений между сайтами,
Эффективнуе сечения и соотношение МакКамбера имеют одну и ту же область применимости. Отклонение от константы правой части уравенния (check) указывает на ошибку измерения эффективных сечений.
[править] Благoдарность
Спасибо Жану–Франсуа Бисону (Jean-François Bisson), Сузанне Фридрих–Торнтон (Susanne T. Fredrich-Thornton), Кену Уеде (Ken-ichi Ueda), Акире Ширакаве (Akira Shirakawa) и Александру Каминскому (Alexander Kaminskii) за помощь и обсуждения.
[править] References
- ↑ 1,0 1,1 1,2 D.E.McCumber. Einstein relations connecting broadband emission and absorption spectra. PRB 136 (4A), 954-957 (1964)
- ↑ 2,0 2,1 2,2 P.C.Becker, N.A.Olson, J.R.Simpson. Erbium-doped fiber amplifiers: fundamentals and theory (Academic, 1999).
- ↑ R.S.Quimby. Range of validity of McCumber theory in relating absorption and emission cross sections,J. Appl. Phys.92, 180-187 (2002) doi:10.1063/1.1485112 ; http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JAPIAU000092000001000180000001
- ↑ R.M.Martin, R.S.Quimby. Experimental evidence of the validity of the McCumber theory relating emission and absorption for rare-earth glasses", JOSAB, 23, (9): 1770-1775 (2006)
- ↑ 5,0 5,1 D. Kouznetsov, J. -F. Bisson, K. Takaichi, K. Ueda. High-power single mode solid state laser with short unstable cavity. JOSAB 22, 1605-1619 (2005), http://josab.osa.org/abstract.cfm?id=84730
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 W. Li, H. Pan, L. Ding, H. Zeng, W. Lu, G. Zhao, C. Yan, L. Su, J. Xu. Efficient diode-pumped Yb:Gd2SiO5 laser. APL 88, 221117 (2006), http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APPLAB000088000022221117000001
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 W. Li, H. Pan, L. Ding, H. Zeng, G. Zhao, C. Yan, L. Su, J. Xu. Diode-pumped continuous-wave and passively mode-locked Yb:Gd2SiO5laser. Optics Express 14, 686-695 (2006) http://www.opticsexpress.org/search.cfm
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 C. Yan, G. Zhao, L. Zhang, J. Xu, X. Liang, D. Juan, W. Li, H. Pan, L. Ding, H. Zeng. A new Yb-doped oxyorthosilicate laser crystal: Yb:Gd2SiO5. Solid State Communications 137, 451-455 (2006), doi:10.1016/j.ssc.2005.12.023, http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVW-4HYTYFW-3&_user=10&_coverDate=02%2F28%2F2006&_alid=615430684&_rdoc=1&_fmt=summary&_orig=search&_cdi=5545&_sort=d&_docanchor=&view=c&_ct=1&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=b6673cac47762a0184b56a206d31ccd6
- ↑ 9,0 9,1 9,2 D. Kouznetsov. Broadband laser materials and the McCumber relation. 5th Asia Pacific Laser Symposium, presentation VI-12 (Guillin, China, Nov.23-27, 2006);
- ↑ 10,0 10,1 10,2 D. Kouznetsov. Comment on Efficient diode-pumped Yb:Gd2SiO5 laser. APL 90, 066101 (2007), http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APPLAB000090000006066101000001&idtype=cvips&gifs=yes
- ↑ G.Zhao, L.Su, J.Xua, and H.Zeng. Response to Comment on Efficient diode-pumped Yb:Gd2SiO5 laser (Appl. Phys. Lett. 90, 066101 2007). - APL 90, 066103 (2007), http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APPLAB000090000006066103000001&idtype=cvips&gifs=yes
- ↑ 12,0 12,1 12,2 R. C. Hilborn. ``Einstein coefficients, cross sections, f values, dipole moments, and all that". Am. J. Phys. 50, 982-946 (1982), http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=AJPIAS&CURRENT=NO&ONLINE=YES&smode=strresults&sort=rel&maxdisp=25&threshold=0&pjournals=AJPIAS&pyears=2001%2C2000%2C1999&possible1=982&possible1zone=fpage&fromvolume=50&SMODE=strsearch&OUTLOG=NO&viewabs=AJPIAS&key=DISPLAY&docID=1&page=1&chapter=0
- ↑ 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 \bibitem{e2} A. Thorne, U. Litzen, S. Johansson. {\em Spectrophysics: principles and applications.} (Springer-Verlag, 1999)
- ↑ 14,0 14,1 H. Haken. {\em Laser Theory}. (Springer-Verlag, 1984)
- ↑ 15,0 15,1 P. W. Millobi, J. H. Eberly. {\em Lasers}. (John Wiley & Sons, 1988)
- ↑ J.-F. Bisson and D. Kouznetsov. Saturation Broadening and Kramers-Kronig Relations in Quasi-Three-Level Lasers". J. of Lightwave Techn.
- ↑ A.Thorne, U.Litzen, S.Johansson. Spectrophysics: principles and applications. (Springer-Verlag, 1999)
- ↑ H.Haken. {\em Laser Theory}. (Springer-Verlag, 1984)
- ↑ P.W.Millobi, J.H.Eberly. {\em Lasers}. (John Wiley \& Sons, 1988)
- ↑ J.-F.Bisson, D.Kouznetesov. Comments on "Study of the Complex Atomic Susceptibility of Erbium-Doped Fiber Amplifiers". Journal of Lightwave Technology, v. 26, No.4, p. 457-459 (2008) http://ieeexplore.ieee.org/search/wrapper.jsp?arnumber=4451260
- ↑ D.Kouznetsov. Broadband laser materials and the McCumber relation. Chinese Optics Letters, 2007, v.5, p.S240-S242 http://col.org.cn/abstract.aspx?id=COL05S1S240-3

.