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Active laser medium

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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may slightly reduce the efficiency because some regions are pumped well, but the pump is not efficiently withdrawn by the signal in the nodes of the interference of counter-propagating waves.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: 1045: 1007: 969: 812: 668: 617: 559: 507: 471: 435: 405: 373: 302: 278:chemical reactions 181:solid-state lasers 47: 3859: 3858: 3813:Optical amplifier 3662:Solid-state laser 3373:Hecht, Chapter 22 3295: 3285: 3276: 3256: 3246: 3237: 3214: 3210: 3168: 3135: 3112: 3108: 3065: 3031: 3025: 2977: 2957: 2914: 2910: 2842: 2822: 2818: 2750: 2730: 2689: 2669: 2628: 2605: 2601: 2554: 2534: 2530: 2483: 2461: 2446: 2426: 2411: 2388: 2372: 2352: 2339: 2316: 2244: 2224: 2220: 2161: 2138: 2134: 2075: 2052: 2048: 1966: 1946: 1942: 1860: 1832: 1775: 1755: 1751: 1694: 1653: 1591: 1571: 1509: 1487: 1481: 1461: 1455: 1432: 1400: 1380: 1323: 1289: 1216: 1182: 1157: 1153: 1144: 1124: 1106: 1086: 1068: 1044: 1026: 1006: 988: 968: 964: 951: 898: 834: 811: 807: 754: 690: 636: 616: 582: 529: 506: 493: 470: 457: 434: 428: 392: 372: 357: 322:signal frequency. 162:); and not often 16:(Redirected from 3884: 3872:Laser gain media 3849: 3848: 3823:Optical isolator 3788:Injection seeder 3768:Beam homogenizer 3747:Ultrashort pulse 3737:Lasing threshold 3549: 3542: 3535: 3526: 3525: 3507: 3506: 3489:(8): 1605–1619. 3476: 3470: 3465: 3459: 3458: 3430: 3424: 3414: 3408: 3398: 3392: 3389: 3383: 3380: 3374: 3371: 3365: 3358: 3305: 3303: 3302: 3297: 3293: 3286: 3278: 3274: 3266: 3264: 3263: 3258: 3254: 3247: 3239: 3235: 3224: 3222: 3221: 3216: 3212: 3211: 3209: 3205: 3190: 3186: 3171: 3169: 3167: 3166: 3165: 3155: 3154: 3153: 3143: 3133: 3122: 3120: 3119: 3114: 3110: 3109: 3107: 3103: 3102: 3101: 3090: 3086: 3085: 3084: 3073: 3063: 3041: 3039: 3038: 3033: 3029: 3023: 3016: 3015: 3006: 2995: 2994: 2985: 2975: 2967: 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Index

Gain medium

Ruby
Er:YAG
Nd:YAG
gain
laser
stimulated emission
pump source
crystals
rare-earth
ions
neodymium
ytterbium
erbium
transition metal
titanium
chromium
yttrium aluminium garnet
Y
Al
O
yttrium orthovanadate
sapphire
caesium cadmium bromide
Cs
Cd
Br
solid-state lasers
Glasses

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