Wie kommt es bei 3-Niveau-Lasern zu stimulierter Emission?

Mein Verständnis ist, dass wir in 3-Niveau-Lasern eine Ansammlung von Atomen aus dem Grundzustand der Energie hochpumpen E 1 zu einem aufgeregten Zustand E 3 mit Hilfe von monochromatischer Energiestrahlung E 3 − E 1 . Dann machen die Atome im angeregten Zustand einen schnellen und vorzugsweise strahlungslosen Übergang in einen metastabilen Zustand E 2 , danach kehren die Atome in den Grundzustand zurück und emittieren Energiephotonen E 2 − E 1 . Ist diese Emission spontan oder stimuliert? Wenn dies wirklich nur spontan ist, müssen die Photonen in verschiedene Richtungen austreten, was im Laser nicht zu sehen ist, also muss irgendwie eine stimulierte Emission auftreten ... Aber um stimulierte Strahlung zu erhalten, müssen wir die Atome in der metastabilen Ebene 2 mit Strahlung stimulieren von Energie E 2 − E 1 was wir nicht tun. (Wir pumpen nur von 1 nach 3, nichts von 1 nach 2). Wenn also überhaupt eine stimulierte Emission auftritt, wie tritt sie ohne einfallende stimulierende Strahlung auf?

Meine Vermutung ist, dass die metastabilen Zustände (aus anderen Gründen) dem angeregten Zustand sehr nahe kommen E 3 − E 1 ≈ E 2 − E 1 .So können wir die Atome mit nahezu monochromatischem Licht (mit geringer Dispersion) pumpen, so dass die entsprechende Frequenz der einfallenden Strahlung neben dem Pumpen auch stimulieren kann. Ist dies korrekt oder tritt die stimulierte Emission bei 3-Level-Lasern auf andere Weise auf?

Antworten (2)

Alles, was Sie tun müssen, ist, die stimulierte Emission in die richtige Richtung zu starten . Sobald es gestartet ist, wird es sich selbst tragen, wenn der Gewinn (Bevölkerung in Stufe 2) hoch genug ist.

Da stellt sich die Frage: Wie fängt es an?

Die Antwort ist spontane Emission . Es stimmt, dass spontanes Emissionslicht in alle Richtungen emittiert wird, aber eine dieser Richtungen geht direkt durch den Hohlraum in die richtige Richtung. Und wenn die Population von 2 hoch ist, was der Fall sein wird, wenn wir erwarten, genügend Verstärkung zu haben, um das Lasern zu unterstützen, wird es viele spontane Emission geben und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon in die richtige Richtung geht, ist sehr hoch.

Im Prinzip braucht man nur ein spontanes Photon.

Übrigens schlagen Sie vor, dass das Pumpen von 1 auf 2 die stimulierte Emission erzeugen würde, die Sie brauchen, um die Dinge in Gang zu bringen. Andererseits. Das Pumpen von 1 auf 2 erzeugt eine stimulierte Absorption , die ein Verlustmechanismus ist, kein Verstärkungsmechanismus.

Ich bekomme den ersten Teil und Ihre Antwort auf meine ursprüngliche Frage. Was den Vorschlag betrifft, was ich wirklich meinte, war, dass, wenn wir eine Reihe von Frequenzen angeben, ein Teil davon auch für die Stimulierung von Level 2 aufgebraucht werden könnte. Kann das passieren?
Ja, das kann passieren, aber leider bringt es uns nichts. Ich habe vor einiger Zeit eine ähnliche Frage beantwortet . Ihr Vorschlag ist in dieser Antwort unter dem Deckmantel des hochintensiven Pumpstrahls enthalten (der 1 -> 2 Übergänge antreibt). Die Antwort erklärt, warum uns das nicht gut tut und warum das Pumpen im 1--> 3-Übergang sein muss .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Bild, das ich hier zeige, ist in meiner Diplomarbeit zu finden und die Referenzen für die Daten sind darin ( Diplomarbeit hier ). Das linke Bild zeigt den Verstärkungsquerschnitt von Yb:YAG, typischerweise ein Quasi-Drei- oder Drei-Niveau-System, mit der Energiestruktur auf der rechten Seite. Links sind die verschiedenen Kurven für ein System im Grundzustand bei Raumtemperatur ( β = 0 ) bis zur vollständigen Inversion ( β = 1 ). Wenn Sie das System bei 969 nm (Low1 bis Up1) pumpen, haben Sie ein echtes 3-Niveau-System, das bei 940 nm gepumpt wird, ein Quasi-Drei-Niveau-System

Sie verwechseln also einige Begriffe und Konzepte von Lasern, und Ihre Frage würde sowohl für Lasersysteme mit vier als auch mit drei Ebenen gelten.

Erstens: Wie Garyp erklärte, müssen Sie verstehen, dass die stimulierte Emission nur bei der genauen Energiedifferenz auftritt, wie in Ihrem Fall E 2 − E 1 zum Beispiel und dass das um Ihr Medium herum gebaute Gerät ein positives Feedback für die Verstärkung erzeugt: Ein Photon wird spontan in Richtung Ihres Laserhohlraums emittiert und zurück in das Medium reflektiert, wodurch dieses Photon nun angeregt werden kann Emission der gleichen Energie.

Zweitens, wenn Sie diese Verwirrung beseitigen können, dass stimulierte Emission tatsächlich für eine einzelne Energie auftritt, dann verstehen Sie, dass Ihre zweite Frage ein Produkt dieser Verwirrung ist.

Sie sehen, Sie brauchen keine Pumpe oder irgendeinen anderen Mechanismus, um den Seeding-Prozess für die stimulierte Verstärkung zu starten, weil Sie einen Resonator um Ihr Medium bauen, um die positive Rückkopplung zu ermöglichen, um jedes spontan emittierende Photon einzufangen, das zufällig emittiert wird Richtung der Laserkavität.

In einem System möchten Sie die Absorption der Pumpe durch stimulierte Absorption, wie Garyp erwähnte, vom eigentlichen Laser bei einer höheren Wellenlänge entkoppeln (aus mehreren technischen Gründen). Sehen Sie sich den Fall des Bildes an, das ich Ihnen gezeigt habe. Ich pumpe bei 969 nm, einer Wellenlänge (oder Frequenz, wenn Sie es umrechnen) auf einer Linie, die schmal ist und das meiste Licht absorbiert ... Jetzt bekommt das System eine Besetzungsinversion: Ich nehme Elektronen vom Low1-Niveau zum Up1-Niveau . Dies erzeugt ein Ungleichgewicht zwischen den Populationen von Up1 und Low3 (der Wellenlänge, bei der ich meinen Laser betrieben habe), wobei Up1 mehr Elektronen als Low3 hat. Jetzt beginnt eine spontane Emission zwischen diesen Ebenen, wenn ein Photon zufällig in Richtung meines Hohlraums ist, wird es verstärkt, da dieses Photon viele Male durch das Verstärkungsmedium geleitet wird.

Einige interessante technische Merkmale von Yb:YAG, das bei 1030 nm arbeitet und bei 969 nm gepumpt wird:

- Man kann zwischen Low1 und Up1 nur eine 50%ige Inversion erreichen, wodurch das Medium an diesem Punkt transparent wird: Für jedes absorbierte Photon wird im Durchschnitt auch eines stimuliert.

-Beim Pumpen bei dieser Wellenlänge beträgt die Differenz der Energien der Pumpphotonen zu denen des Lasers nur 6 % und ist damit eine der geringsten Differenzen aller aktuellen Festkörperlaser. Dies stellt eine geringe Ablagerung thermischer Energie in dem System sicher, nachdem das Low3-Niveau auf das Low1-Niveau abgeklungen ist.

Ich hoffe, dies hat dazu beigetragen, weitere Verwirrung zu beseitigen.

Danke für die ganzen Infos. Also, wenn ich das richtig verstanden habe ... eines der ausgehenden Photonen, die im spontanen Emissionsprozess gebildet werden, fungiert als einfallende Strahlung, die die stimulierte Emission startet und bewirkt, dass Atome aus dem metastabilen Zustand in den Grundzustand übergehen, richtig?
@ManasDogra genau.
Wie kommt es bei 3-Niveau-Lasern zu stimulierter Emission?
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