Савельев-Трофимов А. Б. - Введение в физику лазеров - Принцип работы лазера (Лекция 2)

• Лазеры - это генераторы, которые используют нелинейные системы для усиления света.  

• Лазеры обычно состоят из активного элемента, источника питания и резонатора.  

• Потери в лазерах включают в себя дефракцию, дифракцию и полезные потери.  

• Линейные потери - это коэффициент потерь, который меньше единицы и не зависит от интенсивности.  

• Вводятся коэффициенты потерь и интенсивности на каждом проходе по резонатору.  

• График интенсивности показывает зависимость от времени и потерь.  

• В видео обсуждается экспоненциальная зависимость потерь в резонаторе лазера от числа обходов.  

• Для доказательства используется натуральный логарифм и время жизни фотона в резонаторе.  

• В видео рассматриваются три случая: когда коэффициент усиления меньше единицы на время жизни фотона, когда он равен единице, и когда он больше единицы.  

• В первом случае сигнал со временем будет убывать, во втором - расти, а в третьем - оставаться постоянным.  

• Обсуждаются условия генерации и порог генерации.  

• В видео обсуждаются два режима генерации: когда коэффициент усиления линейно зависит от интенсивности и когда он экспоненциально убывает.  

• Обсуждается зависимость коэффициента усиления от интенсивности и его поведение на бесконечности.  

• В лазерных системах существует два режима возбуждения: мягкий и жесткий.  

• В обоих режимах существуют стационарные точки, где система останавливается и амплитуда сигнала на выходе генератора постоянна.  

• Обсуждается усиление в двухуровневой системе, состоящей из одинаковых излучателей.  

• Вводится понятие населенности уровней и коэффициента Эйнштейна.  

• Учитывается взаимодействие системы с термостатом и влияние спонтанных и вынужденных переходов.  

• Обсуждается связь между коэффициентами Эйнштейна и излучением черного тела.  

• Учитывается влияние термостата на систему и определяется населенность уровней.  

• В видео обсуждается анализ двухуровневой системы, где рассматриваются спонтанные и вынужденные переходы между уровнями.  

• Приводится формула для плотности мощности излучения абсолютно черного тела, которая определяется отношением между коэффициентами Эйнштейна.  

• Обсуждается стационарное решение для двухуровневой системы и его связь с коэффициентом усиления.  

• В условиях оптической накачки невозможно получить инверсию населенности (н2 > н1) для двухуровневой системы.  

• В видео подчеркивается, что инверсию населенности можно получить при использовании других способов накачки, таких как столкновения или специальные методы.  

• В двухуровневой системе, находящейся вне термодинамического равновесия, интенсивность является константой.  

• В условиях оптической накачки, в двухуровневой системе усиление сигнала невозможно, так как населенность второго уровня всегда меньше единицы.  

• Трехуровневая система позволяет генерировать лазерное излучение за счет разделения накачки и генерации на разных частотах.  

• В трехуровневой системе переходы между уровнями должны иметь большую вероятность, чем переходы вниз.  

• В трехуровневой системе атомы на третьем уровне не живут, они быстро переходят на второй уровень.  

• В трехуровневой системе возможны переходы только в одном направлении, если расстояние между уровнями много больше кванта.  

• В трехуровневой схеме используется быстрый переход между уровнями, что позволяет накапливать инверсию населенности.  

• Трехуровневая схема имеет порог генерации и нелинейность коэффициента усиления.  

• В четырехуровневой схеме инверсия населенности возникает даже при одном атоме в возбужденном состоянии.  

• Коэффициент усиления определяется разницей между уровнями, а не линейно по интенсивности.  

• Четырехуровневая схема имеет меньший нагрев и более высокий кпд, но порог генерации отсутствует.