低能态寿命期 Lower-state lifetime

2022-11-10 10:24:14 浏览:202

定义

在没有辐射的情况下较低激光水平的群体的寿命。

在激光增益介质中,受激发和自发发射都将激光活性离子或原子带入较低的激光能级。 如果大量种群可以在该水平上积累,因为它没有足够快地耗尽,激光辐射可以被重新吸收,使离子或原子回到上激光水平。 即使吸收的能量没有严格损失,这个过程也是有害的,因为它有效地降低了激光增益。 因此,可以增加阈值泵功率并降低功率效率。

具有中等大小的低状态生存期的案例

在许多固态激光增益介质中(特别是在四能级增益介质中),较低激光能级的群体永远不会很大,因为该能级太高于基态而无法在热平衡中具有显着的种群,并且因为该平衡很快达到,例如通过多声子跃迁。 较低激光电平寿命的典型值(称为低状态寿命、较低水平寿命或终端级寿命)在几皮秒到几十纳秒之间,而泵浦和激光过程通常在微秒甚至毫秒的时间尺度上工作。

对于连续波激光器,低态寿命(远低于高态寿命)的这种小值有效地抑制了激光跃迁的任何重吸收。 然而,当能量从增益介质中非常快速地提取时,仍然会发生显着的重吸收效应。 在调Q激光器中可能就是这种情况,其中这种现象可能导致卫星脉冲的形成[1,4],特别是在超短脉冲放大器(例如基于钛蓝宝石或稀土掺杂激光增益介质的再生放大器)中,在几皮秒甚至更短的时间内从增益介质中提取大量能量。 这种效应的一个明显特征是放大器增益和效率在短时间内放大脉冲的降低。 一种可能的对策是选择具有较小低态寿命的主晶体(或玻璃)。 (不幸的是,测量数据很少。 此外,啁啾脉冲放大有效地解决了这个问题,因为它大大增加了放大器内的脉冲持续时间。

在锁模激光器中,皮秒甚至纳秒范围内的低状态寿命通常没有显着影响,即使脉冲持续时间远低于低状态寿命。 这是因为与饱和能量相比,循环脉冲能量通常非常小,因此在脉冲放大期间,只有一小部分上状态群体被转移到较低的激光水平。

低状态生存期长的案例

一些固态增益介质具有激光跃迁,其中低状态寿命非常大 - 有时甚至几毫秒,可能大于高状态寿命。 这种情况的一个例子是 2.7 μm 跃迁 (4I11/2 → 4I13/2) 的 Er3+在氟化物光纤中。 在这里,没有多声子过程来减少较低的激光水平,泵浦辐射也不能影响这个群体。 在这种情况下,激光跃迁通常是自终止的。 避免这种情况的一种方法是利用合作激光。

参考文献

[1] T. Y. Fan, “Effect of finite lower level lifetime on Q-switched lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 24 (12), 2345 (1988), doi:10.1109/3.14358
[2] C. Bibeau et al., “Direct measurements of the terminal laser level lifetime in neodymium-doped crystals and glasses”, J. Opt. Soc. Am. B 12 (10), 1981 (1995), doi:10.1364/JOSAB.12.001981
[3] C. Bibeau et al., “Pulse length and terminal-level lifetime dependence of energy extraction for neodymium-doped phosphate amplifier glass”, IEEE J. Quantum Electron. 32 (8), 1487 (1996), doi:10.1109/3.511562
[4] S. P. Ng, “Satellite pulse generation in diode-pumped Q-switched Nd:GdVO4 lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 42 (7), 625 (2006), doi:10.1109/JQE.2006.875866

激光器

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