3847:
31:
297:
977:
820:
308:
is reached quickly. Stimulated emissions between upper and lower groups, essential for gain, require the upper levels to be more populated than the corresponding lower ones. This situation is called population-inversion. It is more readily achieved if unstimulated transition rates between the two
2061:
1955:
828:
2325:
2923:
2831:
1389:
3223:
1276:
684:
2233:
2147:
1845:
1764:
1662:
1580:
3121:
3313:
may slightly reduce the efficiency because some regions are pumped well, but the pump is not efficiently withdrawn by the signal in the nodes of the interference of counter-propagating waves.
2614:
2543:
2739:
2678:
3040:
3304:
3265:
1960:
1854:
304:
The simplest model of optical gain in real systems includes just two, energetically well separated, groups of sub-levels. Within each sub-level group, fast transitions ensure that
1166:
1133:
1095:
1053:
1015:
972:{\displaystyle ~W_{\rm {d}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ep}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {es}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}+{\frac {1}{\tau }}~}
381:
413:
1441:
625:
676:
567:
2470:
2435:
2397:
2361:
515:
479:
2966:
313:. Population inversions are more easily produced when only the lowest sublevels are occupied, requiring either low temperatures or well energetically split groups.
2238:
1496:
1470:
443:
2836:
2744:
3310:
1283:
815:{\displaystyle ~W_{\rm {u}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ap}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {as}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}~}
3129:
1176:
2155:
2069:
1769:
1688:
1585:
1503:
324:
If the externally provided energy required for the signal's amplification is optical, it would necessarily be at the same or higher
73:
of photons through electronic or molecular transitions to a lower energy state from a higher energy state previously populated by a
3433:
McArthur, D. A.; Tollefsrud, P. B. (15 February 1975). "Observation of laser action in CO gas excited only by fission fragments".
3044:
The state of gain medium can be characterized with a single parameter, such as population of the upper level, gain or absorption.
3807:
341:
3059:
345:
3479:
D.Kouznetsov; J.F.Bisson; K.Takaichi; K.Ueda (2005). "Single-mode solid-state laser with short wide unstable cavity".
3546:
2548:
2477:
681:
The rate of transitions of an active center from the ground state to the excited state can be expressed like this:
2683:
2622:
3716:
2056:{\displaystyle ~I_{\rm {so}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {s}}}{(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\tau }}~}
1950:{\displaystyle ~I_{\rm {po}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {p}}}{(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\tau }}~}
2971:
3270:
3231:
1138:
1100:
1062:
1020:
982:
3772:
351:
17:
386:
3576:
3228:
For efficient operation, both intensities—pump and signal—should exceed their saturation intensities:
3871:
1673:
1394:
576:
630:
523:
2440:
2405:
1056:
120:
337:
238:
163:
3876:
3746:
3566:
3337:
2366:
3634:
2333:
2320:{\displaystyle ~D=\sigma _{\rm {pa}}\sigma _{\rm {se}}-\sigma _{\rm {pe}}\sigma _{\rm {sa}}~}
487:
451:
143:
2936:
3741:
3624:
3612:
3539:
3490:
3442:
3322:
257:
2918:{\displaystyle ~V={\frac {(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\sigma _{\rm {as}}}{D}}~}
2826:{\displaystyle ~U={\frac {(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\sigma _{\rm {ap}}}{D}}~}
8:
3792:
3651:
3571:
3342:
3309:
The estimates above are valid for a medium uniformly filled with pump and signal light.
1475:
1449:
1384:{\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{1}}{{\rm {d}}t}}=-W_{\rm {u}}n_{1}+W_{\rm {d}}n_{2}~}
422:
305:
273:
260:
occurs. The preparation of this state requires an external energy source and is known as
70:
3494:
3446:
3218:{\displaystyle ~E={\frac {\omega _{\rm {s}}}{\omega _{\rm {p}}}}{\frac {1-V/p}{1+U/s}}~}
3327:
1271:{\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{2}}{{\rm {d}}t}}=W_{\rm {u}}n_{1}-W_{\rm {d}}n_{2}}
277:
264:. Pumping may be achieved with electrical currents (e.g. semiconductors, or gases via
256:
In order to fire a laser, the active gain medium must be changed into a state in which
89:
3812:
3686:
3661:
180:
3822:
3787:
3767:
3736:
3498:
3450:
234:
108:
3416:
3850:
3731:
3721:
3532:
281:
242:
216:
3827:
3817:
3777:
3726:
3644:
3597:
3581:
1171:
Then, the kinetic equation for relative populations can be written as follows:
269:
265:
220:
3518:
3467:
825:
While the rate of transitions back to the ground state can be expressed like:
3865:
3782:
3762:
3703:
3629:
3332:
285:
261:
230:
74:
3502:
3802:
3671:
3666:
3607:
3400:
2228:{\displaystyle ~G_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}}}}~}
2142:{\displaystyle ~A_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}}}}~}
62:
43:
39:
3832:
3693:
3676:
3656:
2472:
of pump and signal, the gain and absorption can be expressed as follows:
3681:
1677:
310:
249:
35:
3478:
1840:{\displaystyle ~n_{1}={\frac {W_{\rm {d}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}.}
1759:{\displaystyle ~n_{2}={\frac {W_{\rm {u}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}~}
3797:
3639:
3619:
3602:
317:
224:
130:
100:
96:
3454:
3126:
Within the same model, the efficiency can be expressed as follows:
1657:{\displaystyle ~G=N_{2}\sigma _{\rm {se}}-N_{1}\sigma _{\rm {sa}}~}
1575:{\displaystyle ~A=N_{1}\sigma _{\rm {pa}}-N_{2}\sigma _{\rm {pe}}~}
204:
189:, e.g. silicate or phosphate glasses, doped with laser-active ions;
151:
116:
112:
212:
173:
170:
167:
124:
85:
30:
3481:
296:
196:
136:
104:
3555:
1059:
of absorption at the frequencies of the signal and the pump,
445:
be concentration of active centers in the solid-state lasers.
208:
186:
66:
1672:
In many cases the gain medium works in a continuous-wave or
200:
3524:
192:
92:
3116:{\displaystyle ~E={\frac {I_{\rm {s}}G}{I_{\rm {p}}A}}~}
481:
be concentration of active centers in the ground state.
3273:
3234:
3132:
3062:
2974:
2939:
2839:
2747:
2686:
2625:
2551:
2480:
2443:
2408:
2369:
2336:
2241:
2158:
2072:
1963:
1857:
1772:
1691:
1588:
1506:
1478:
1452:
1397:
1286:
1179:
1168:
is rate of the spontaneous decay of the upper level.
1141:
1103:
1065:
1023:
985:
831:
687:
633:
579:
526:
490:
454:
425:
389:
354:
1498:
at the signal frequency can be written as follows:
291:
1849:The dynamic saturation intensities can be defined:
320:of optical signals, the lasing frequency is called
3432:
3298:
3259:
3217:
3115:
3034:
2960:
2917:
2825:
2733:
2672:
2608:
2537:
2464:
2429:
2391:
2355:
2319:
2227:
2141:
2055:
1949:
1839:
1758:
1656:
1574:
1490:
1464:
1435:
1383:
1270:
1160:
1127:
1089:
1047:
1009:
971:
814:
670:
619:
561:
509:
473:
437:
407:
375:
248:Liquids, in the form of dye solutions as used in
3863:
3047:
3423:, 2nd Edition (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
573:The relative concentrations can be defined as
3540:
2609:{\displaystyle ~G=G_{0}{\frac {p-V}{1+p+s}}~}
2538:{\displaystyle ~A=A_{0}{\frac {U+s}{1+p+s}}~}
3521:Encyclopedia of Laser Physics and Technology
3468:Encyclopedia of laser physics and technology
2734:{\displaystyle ~s=I_{\rm {s}}/I_{\rm {so}}~}
2673:{\displaystyle ~p=I_{\rm {p}}/I_{\rm {po}}~}
336:The simple medium can be characterized with
300:Simplified scheme of levels in a gain medium
276:). More exotic gain media can be pumped by
309:groups are slow, i.e. the upper levels are
3547:
3533:
1683:The steady-state solution can be written:
1135:are the same for stimulated emission, and
1667:
295:
80:Examples of active laser media include:
29:
3808:Multiple-prism grating laser oscillator
3348:
14:
3864:
3035:{\displaystyle ~A/A_{0}+G/G_{0}=1~.\ }
3528:
3299:{\displaystyle ~{\frac {s}{U}}\gg 1~}
3260:{\displaystyle ~{\frac {p}{V}}\gg 1~}
2933:The following identities take place:
2363:, and absorption never exceeds value
3362:The Laser Guidebook: Second Edition.
1161:{\displaystyle ~{\frac {1}{\tau }}~}
1128:{\displaystyle ~\sigma _{\rm {ep}}~}
1090:{\displaystyle ~\sigma _{\rm {es}}~}
1048:{\displaystyle ~\sigma _{\rm {ap}}~}
1010:{\displaystyle ~\sigma _{\rm {as}}~}
517:be concentration of excited centers.
1472:at the pump frequency and the gain
376:{\displaystyle ~\omega _{\rm {p}}~}
24:
3472:
3162:
3150:
3098:
3081:
2900:
2897:
2882:
2879:
2864:
2861:
2808:
2805:
2790:
2787:
2772:
2769:
2722:
2719:
2702:
2661:
2658:
2641:
2453:
2418:
2308:
2305:
2293:
2290:
2275:
2272:
2260:
2257:
2213:
2210:
2195:
2192:
2127:
2124:
2109:
2106:
2035:
2032:
2017:
2014:
1997:
1976:
1973:
1929:
1926:
1911:
1908:
1891:
1870:
1867:
1825:
1810:
1797:
1744:
1729:
1716:
1645:
1642:
1617:
1614:
1563:
1560:
1535:
1532:
1362:
1337:
1314:
1295:
1252:
1227:
1207:
1188:
1116:
1113:
1078:
1075:
1036:
1033:
998:
995:
944:
927:
924:
912:
891:
874:
871:
859:
841:
800:
783:
780:
768:
747:
730:
727:
715:
697:
408:{\displaystyle ~\omega _{\rm {s}}}
399:
364:
25:
3888:
3512:
3461:
2327:is determinant of cross-section.
2066:The absorption at strong signal:
1680:of populations to be negligible.
331:
292:Example of a model of gain medium
34:Laser rods (from left to right):
27:Source of optical gain in a laser
3846:
3845:
3364:McGraw-Hill, 1992. (Chapter 22)
1436:{\displaystyle ~n_{1}+n_{2}=1~}
620:{\displaystyle ~n_{1}=N_{1}/N~}
3717:Amplified spontaneous emission
3426:
3410:
3394:
3385:
3376:
3367:
3354:
2888:
2852:
2796:
2760:
2041:
2005:
1935:
1899:
1391:However, these equations keep
671:{\displaystyle ~n_{2}=N_{2}/N}
562:{\displaystyle ~N_{1}+N_{2}=N}
268:) or with light, generated by
13:
1:
3048:Efficiency of the gain medium
2928:
2465:{\displaystyle ~I_{\rm {s}}~}
2430:{\displaystyle ~I_{\rm {p}}~}
69:. The gain results from the
7:
3773:Chirped pulse amplification
3407:(Academic, New York, 1990).
3316:
61:) is the source of optical
10:
3893:
3577:List of laser applications
3554:
3403:and L. W. Hillman (Eds.),
3841:
3755:
3702:
3590:
3562:
2330:Gain never exceeds value
2152:The gain at strong pump:
1676:regime, causing the time
2392:{\displaystyle ~A_{0}U~}
1057:effective cross-sections
338:effective cross-sections
121:yttrium aluminium garnet
3503:10.1364/JOSAB.22.001605
3435:Applied Physics Letters
2356:{\displaystyle ~G_{0}~}
510:{\displaystyle ~N_{2}~}
474:{\displaystyle ~N_{1}~}
266:high-voltage discharges
239:indium gallium arsenide
164:caesium cadmium bromide
88:, typically doped with
3567:List of laser articles
3338:List of laser articles
3300:
3261:
3219:
3117:
3036:
2962:
2961:{\displaystyle U-V=1~}
2919:
2827:
2735:
2674:
2610:
2539:
2466:
2431:
2393:
2357:
2321:
2229:
2143:
2057:
1951:
1841:
1760:
1658:
1576:
1492:
1466:
1437:
1385:
1272:
1162:
1129:
1091:
1049:
1011:
973:
816:
672:
621:
563:
511:
475:
439:
409:
377:
301:
284:, or with high-energy
46:
3391:Hecht, Chapters 18–21
3301:
3262:
3220:
3118:
3037:
2963:
2920:
2828:
2736:
2675:
2611:
2540:
2467:
2432:
2402:At given intensities
2394:
2358:
2322:
2230:
2144:
2058:
1952:
1842:
1761:
1668:Steady-state solution
1659:
1577:
1493:
1467:
1438:
1386:
1273:
1163:
1130:
1092:
1050:
1012:
974:
817:
673:
622:
564:
512:
476:
440:
410:
378:
299:
144:yttrium orthovanadate
33:
3742:Population inversion
3405:Dye Laser Principles
3382:Hecht, Chapters 7-15
3349:References and notes
3323:Population inversion
3311:Spatial hole burning
3271:
3232:
3130:
3060:
3052:The efficiency of a
2972:
2937:
2837:
2745:
2684:
2623:
2549:
2478:
2441:
2406:
2367:
2334:
2239:
2156:
2070:
1961:
1855:
1770:
1689:
1586:
1504:
1476:
1450:
1395:
1284:
1177:
1139:
1101:
1063:
1021:
983:
829:
685:
631:
577:
524:
488:
452:
423:
387:
352:
274:semiconductor lasers
272:or by other lasers (
258:population inversion
223:, or metal vapors; (
3793:Laser beam profiler
3712:Active laser medium
3652:Free-electron laser
3572:List of laser types
3495:2005JOSAB..22.1605K
3447:1975ApPhL..26..187M
3343:List of laser types
1491:{\displaystyle ~G~}
1465:{\displaystyle ~A~}
438:{\displaystyle ~N~}
306:thermal equilibrium
195:, e.g. mixtures of
71:stimulated emission
51:active laser medium
3328:Laser construction
3296:
3257:
3215:
3113:
3056:can be defined as
3032:
2958:
2915:
2823:
2731:
2670:
2606:
2535:
2462:
2427:
2389:
2353:
2317:
2225:
2139:
2053:
1947:
1837:
1756:
1654:
1572:
1488:
1462:
1433:
1381:
1268:
1158:
1125:
1087:
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