Коефіцієнт корисної дії лазера.

Загальний коефіцієнт корисної дії лазера h_S визначимо як відношення потужності лазерного проміння Р_ген, генерованого ним, до повної споживаної потужності Р_S :

.

Повна споживана потужність Р_S є сумою потужностей джерела накачки, системи управління та допоміжних систем, до яких відносять системи охолодження і інше. Цей ККД на технічному жаргоні називають “ККД від розетки”. В той же час ККД лазерної генерації визначається відношенням потужності лазерного проміння до потужності, введеної в активне лазерне середовище, тобто потужності накачки Р_нак

.

Очевидно, що ККД джерела накачки істотно менший одиниці і, враховуючи всі фактори для різних джерел накачки, змінюється від 0,2 до 0,95. Система управління і допоміжні системи можуть бути створені по більш чи менш економній схемі споживання електроенергії з використанням енергозаощадливих чи ні компонентів. Все це знижуватиме загальний ККД лазера. Щоб проаналізувати канали втрати енергії, споживаної лазером, корисно ввести ККД окремих його складових. Ми не будемо тут їх розглядати, оскільки вони специфічні і конкретні не лише для лазерів на різних активних середовищах, а також для різних типів одного АС.

Розглянемо більш детально h_ген. При розгляді процесів заселення ВЛР неодноразово підкреслювалося, що його швидкість заселення М_і пропорційна густині потужності накачки s_нак, а згідно (3.19) коефіцієнт підсилення слабкого сигналу k₀ пропорційний М_і. Отже,

, (3.37)

де g - коефіцієнт пропорційності. Згідно рис.3-8, h_ген росте зі збільшенням s_нак, а при рівне нулю, і з подальшим зниженням s_нак стає негативним. Таким чином, значення h_ген визначає сума коефіцієнтів втрат в резонаторі. Для даного значення k₀ можна визначити , по ньому обчислити оптимальний коефіцієнт відбиття вихідного дзеркала і встановивши його в лазері, досягти максимального значення Р_ген, а отже і h_ген. Щоб працювати в умовах максимального значення h_ген, необхідно для кожного значення s_нак встановлювати вихідне дзеркало з оптимальним для неї коефіцієнтом відбиття, що в лазерах, призначених для промисловості, робити неможливо. Тому в них встановлюється вихідне дзеркало з таким коефіцієнтом відбиття, яке є оптимальним для середнього значення діапазону потужностей, в якому повинен працювати лазер. Це ілюструється залежностями відносної потужності генерації від коефіцієнта підсилення слабкого сигналу, показаними на рис.3-10.

Рис.3-10. Залежність відносної потужності генерації від коефіцієнта підсилення слабкого сигналу. 1 – розрахована для значення k_r, оптимального для k₀=0,3см^-1 та r_S=0,03см^-1; 2 – розрахована для значення k_r, оптимального для кожного значення k₀ та r_S=0,03см^-1.

Перша з них розрахована для сталого значення k_r, оптимального для k₀=0,3см^-1 та r_S=0,03см^-1, а друга для k_r , оптимального для кожного значення k₀ та r_S=0,03см^-1. Ці залежності практично збігаються в діапазоні зміни k₀ від 0,1до 0,5см^-1. При малих значеннях k₀ вони істотно різні, бо поріг генерації у другої залежності суттєво менший, ніж у першої (k₀=0,03 см^-1 та »0,1 см^-1), але так і повинно бути, оскільки в цьому випадку коефіцієнт радіаційних втрат вибирається оптимальним для кожного значення k₀.

Для характеристики процесу генерації лазерного пучка конкретним лазером користуються диференціальним ККД h_диф:

.

Диференціальний ККД не залежить від конкретного значення потужності накачки, якщо стан активного середовища при зміні s_нак залишається сталим, наприклад, його температура і її розподіл. Нехай ця умова виконується, тоді диференціюючи (3.33.2), в якому замість k₀ підставимо його значення через s_нак - gs_нак, одержимо:

.

Отже, диференціальний ККД лазера прямо пропорційний інтенсивності насичення, коефіцієнту перетворення густини потужності накачки в коефіцієнт підсилення слабкого сигналу і тим більший, чим менші сумарні шкідливі втрати порівняно з коефіцієнтом радіаційних втрат.

Контрольні запитання.

1.Сформулюйте закон Ламберта – Бугера – Бера в диференціальній і інтегральній формі. При яких умовах справедливі названі форми цього закону?

2.При яких умовах поглинання світла в середовищі змінюється його підсиленням? Що таке інверсна населеність? Чи можна створити нагріванням інверсну населеність?

3. Коли відмінний від нуля коефіцієнт підсилення?

4.Чому при оптичній накачці не можна одержати лазерної генерації на дворівневій схемі, а при накачці електричним струмом можна? Для чого використовують трьох - і чотирьох рівневі схеми генерації? Назвіть вимоги до часу життя збуджених рівнів і їх розміщення по енергіям.

5.Що таке коефіцієнт підсилення слабкого сигналу? Від чого він залежить?

6.Як змінюється коефіцієнт підсилення при поширенні світлового пучка в збудженому середовищі?

7.Що таке інтенсивність насичення? Від чого вона залежить? Вона є характеристикою стану активного середовища чи потужності накачки?

8.На що витрачається енергія світлового пучка, який генерується в активному середовищі лазера?

9.Чому при визначенні середнього коефіцієнта підсилення в активному середовищі лазера ми маємо право користуватися інтегральним законом Ламберта – Бугера – Бера?

10.Напишіть ф-лу для потужності генерації в активному середовищі W_ген та потужності лазерного проміння, генерованого лазером Р_ген. Яка між ними різниця.

11.Намалюйте залежності Р_ген від коефіцієнта підсилення слабкого сигналу і коефіцієнта радіаційних втрат. Поясніть фізичну суть характерних точок цих залежностей: чому при k₀=0 потужність лазерного випромінювання від’ємна, а при k₀=k_r+r_S, - рівна нулю; чому при k_r=0 Р_ген=0, а W_ген в таких умовах рівна нулю чи ні.

12.Як визначити максимально можливу питому потужність лазерного випромінювання для даного лазера?

13.Дайте визначення загального ККД лазера, ККД лазерної генерації та диференціального ККД лазера. Чим вони відрізняються, що вони конкретно характеризують.