El umbral de láser es el nivel de excitación más bajo en el que la salida de un láser está dominada por la emisión estimulada en lugar de la emisión espontánea . Por debajo del umbral, la potencia de salida del láser aumenta lentamente al aumentar la excitación . Por encima del umbral, la pendiente de potencia frente a excitación es órdenes de magnitud mayor. El ancho de línea de la emisión del láser también se vuelve órdenes de magnitud más pequeño por encima del umbral que por debajo. Por encima del umbral, se dice que el láser es láser . El término "láser" es una formación posterior de "láser", que es un acrónimo , no unagente sustantivo .
Teoría
El umbral de láser se alcanza cuando la ganancia óptica del medio láser se equilibra exactamente con la suma de todas las pérdidas experimentadas por la luz en un viaje de ida y vuelta de la cavidad óptica del láser . Esto se puede expresar, asumiendo un funcionamiento en estado estacionario, como
- .
Aquí y son las reflectividades del espejo (poder), es la longitud del medio de ganancia, es la ganancia de potencia del umbral de ida y vuelta, y es la pérdida de potencia de ida y vuelta. Tenga en cuenta que. Esta ecuación separa las pérdidas en un láser en pérdidas localizadas debidas a los espejos, sobre los cuales el experimentador tiene control, y pérdidas distribuidas como la absorción y la dispersión. El experimentador normalmente tiene poco control sobre las pérdidas distribuidas.
La pérdida óptica es casi constante para cualquier láser en particular (), especialmente cerca del umbral. Bajo este supuesto, la condición de umbral se puede reorganizar como [1]
- .
Desde , ambos términos del lado derecho son positivos, por lo que ambos términos aumentan el parámetro de ganancia de umbral requerido. Esto significa que minimizar el parámetro de gananciarequiere bajas pérdidas distribuidas y espejos de alta reflectividad. La apariencia deen el denominador sugiere que la ganancia de umbral requerida se reduciría alargando el medio de ganancia, pero este no es generalmente el caso. La dependencia de es más complicado porque generalmente aumenta con debido a pérdidas por difracción .
Midiendo las pérdidas internas
El análisis anterior se basa en el funcionamiento del láser en un estado estable en el umbral del láser. Sin embargo, esta no es una suposición que pueda satisfacerse por completo. El problema es que la potencia de salida del láser varía en órdenes de magnitud dependiendo de si el láser está por encima o por debajo del umbral. Cuando está muy cerca del umbral, la perturbación más pequeña puede provocar grandes oscilaciones en la potencia del láser de salida. Sin embargo, el formalismo se puede utilizar para obtener buenas mediciones de las pérdidas internas del láser de la siguiente manera: [2]
La mayoría de los tipos de láser utilizan un espejo que es muy reflectante y otro (llamado acoplador de salida ) que es parcialmente reflectante. Las reflectividades superiores al 99,5% se alcanzan habitualmente en espejos dieléctricos . El análisis se puede simplificar tomando. La reflectividad del acoplador de salida se puede denotar. La ecuación anterior luego se simplifica a
- .
En la mayoría de los casos, la potencia de bombeo necesaria para alcanzar el umbral de láser será proporcional al lado izquierdo de la ecuación, es decir. (Este análisis es igualmente aplicable para considerar la energía umbral en lugar de la potencia umbral. Esto es más relevante para láseres pulsados). La ecuación se puede reescribir:
- ,
dónde es definido por y es una constante. Esta relación permite que la variable por determinar experimentalmente.
Para utilizar esta expresión, se debe obtener una serie de eficiencias de pendiente a partir de un láser, y cada pendiente se obtiene utilizando una reflectividad de acoplador de salida diferente. El umbral de potencia en cada caso viene dado por la intersección de la pendiente con el eje x. Los umbrales de potencia resultantes se grafican contra. La teoría anterior sugiere que este gráfico es una línea recta. Se puede ajustar una línea a los datos y la intersección de la línea con el eje x encontrado. En este punto, el valor x es igual a la pérdida de ida y vuelta.. Estimaciones cuantitativas de entonces se puede hacer.
Una de las características atractivas de este análisis es que todas las mediciones se realizan con el láser operando por encima del umbral del láser. Esto permite mediciones con un error aleatorio bajo, sin embargo, significa que cada estimación de requiere extrapolación.
En el libro de W. Koechner se ofrece una buena discusión empírica sobre la cuantificación de la pérdida por láser. [3]
Referencias
- ^ Yariv, Amnon (1989). Electrónica cuántica (3ª ed.). Wiley. ISBN 0-4716-0997-8.
- ^ Findlay, D .; Clay, RA (1966). "La medición de pérdidas internas en láseres de 4 niveles". Letras de física . Elsevier BV. 20 (3): 277–278. doi : 10.1016 / 0031-9163 (66) 90363-5 . ISSN 0031-9163 .
- ^ W. Koechner, Ingeniería láser de estado sólido , Serie Springer en Ciencias ópticas, Volumen 1, Segunda edición, Springer-Verlag 1985, ISBN 0-387-18747-2 .