النبض الذاتي

النبض الذاتي ظاهرة عابرة في ليزرات الموجة المستمرة . يحدث النبض الذاتي في بداية عمل الليزر . عند تشغيل المضخة، يرتفع كسب الوسط الفعال ويتجاوز قيمة الحالة المستقرة. يزداد عدد الفوتونات في التجويف، مما يؤدي إلى انخفاض الكسب إلى ما دون قيمة الحالة المستقرة، وهكذا. ينبض الليزر؛ وقد تكون قدرة الخرج عند الذروات أكبر بعدة مراتب من القدرة بين النبضات. بعد عدة ذروات قوية، يقل سعة النبض، ويتصرف النظام كمذبذب خطي مع تخميد. ثم يتلاشى النبض؛ وهذه هي بداية تشغيل الموجة المستمرة .

النموذج البسيط للنبض الذاتي يتعامل مع العدد${\displaystyle X}$عدد الفوتونات في تجويف الليزر${\displaystyle ~Y~}$من الإثارات في وسط التضخيم . يمكن وصف التطور بالمعادلات التالية:

${\displaystyle ~{\begin{aligned}{{\rm {d}}X}/{{\rm {d}}t}&=KXY-UX\\{{\rm {d}}Y}/{{\rm {d}}t}&=-KXY-VY+W\end{aligned}}}$

أين ${\displaystyle ~K=\sigma /(st_{\rm {r}})~}$ثابت الاقتران، ${\displaystyle ~U=\theta L~}$معدل استرخاء الفوتونات في تجويف الليزر ، ${\displaystyle ~V=1/\tau ~}$معدل استرخاء استثارة الوسط المكسب ، ${\displaystyle ~W=P_{\rm {p}}/({\hbar \omega _{\rm {p}}})~}$معدل الضخ ؛ ${\displaystyle ~t_{\rm {r}}~}$هو زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا للضوء في رنان الليزر ، ${\displaystyle ~s~}$هي مساحة المنطقة المضخوخة ( بافتراض تطابق جيد للنمط )؛${\displaystyle ~\sigma ~}$يمثل المقطع العرضي للانبعاث عند تردد الإشارة${\displaystyle ~\omega _{\rm {s}}~}$. ${\displaystyle ~\theta ~}$يمثل معامل النقل لمقرن الإخراج . ${\displaystyle ~\tau ~}$هو عمر إثارة وسط التضخيم . ${\displaystyle P_{\rm {p}}}$هي قدرة المضخة الممتصة في وسط الكسب (والذي يفترض أنه ثابت).

تظهر هذه المعادلات في شكل مماثل (مع رموز مختلفة للمتغيرات) في الكتب المدرسية المتعلقة بفيزياء الليزر ، على سبيل المثال، كتاب أ. سيجمان. ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}X_{0}&={\frac {W}{U}}-{\frac {V}{K}}\\Y_{0}&={\frac {U}{K}}\end{aligned}}}$

يحدث اضمحلال النبضات الصغيرة مع المعدل

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma &=KW/(2U)\\\Omega &={\sqrt {w^{2}-\Gamma ^{2}}}\end{aligned}}}$

أين

${\displaystyle w={\sqrt {KW-UV}}}$

عمليًا، قد يكون هذا المعدل أصغر بكثير من معدل تكرار النبضات. في هذه الحالة، يتحدد اضمحلال النبض الذاتي في الليزر الحقيقي بعمليات فيزيائية أخرى، لم تُؤخذ في الحسبان في المعادلات الأولية المذكورة أعلاه.

قد يكون النظام العابر مهمًا لأجهزة الليزر شبه المستمرة التي تحتاج إلى العمل في النظام النبضي، على سبيل المثال، لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 2 ]}

كان يُعتقد أن الحلول العددية الوحيدة موجودة للنبضات القوية، أو ما يُعرف بالارتفاع المفاجئ . ويُمكن حدوث الارتفاع المفاجئ القوي عندما${\displaystyle U/V\ll 1}$أي أن عمر الإثارات في الوسط النشط كبير مقارنةً بعمر الفوتونات داخل التجويف. ويمكن حدوث الارتفاع المفاجئ في الإشارة عند انخفاض معدل التفريغ الذاتي للنبضات، وذلك في كلا المعاملين المقابلين.${\displaystyle u}$و${\displaystyle ~v^{}~}$ينبغي أن يكون صغيراً.

يوضح الشكل 4 الهدف من تصميم مذبذب تودا على المنصة البصرية. تمثل المنحنيات الملونة إشارات ذبذبية لنبضتين من ليزر الحالة الصلبة ذي الرقاقة الدقيقة شبه المستمر والمضخّم بالديود على سيراميك Yb:YAG ، كما هو موضح في المرجع ^{[ 3 ]} . يمثل المنحنى الأسود السميك التقريب ضمن النموذج البسيط باستخدام مذبذب تودا ، حيث لا يوجد سوى توافق نوعي.

تغيير المتغيرات

${\displaystyle {\begin{aligned}X&=X_{0}\exp(x)\\Y&=Y_{0}+X_{0}y\\t&=z/w\end{aligned}}}$

يؤدي ذلك إلى معادلة مذبذب تودا . ^{[ 4 ] [ 3 ]} عند اضمحلال ضعيف للنبض الذاتي (حتى في حالة النبضات القوية)، يمكن تقريب حل المعادلة المقابلة باستخدام دالة أولية. خطأ هذا التقريب لحل المعادلات الأولية صغير مقارنةً بدقة النموذج.

عادة ما يظهر نبض خرج الليزر الحقيقي في النظام العابر انحرافًا كبيرًا عن النموذج البسيط أعلاه، على الرغم من أن النموذج يقدم وصفًا نوعيًا جيدًا لظاهرة النبض الذاتي.

• ليزرات الحالة الصلبة
• قرص ليزر

• كوشنر، ويليام. هندسة الليزر في الحالة الصلبة ، الطبعة الثانية. سبرينغر-فيرلاغ (1988).

• https://web.archive.org/web/20070514062058/http://www.tcd.ie/Physics/Optoelectronics/research/self_pulse.php (النبض الذاتي في ليزرات أشباه الموصلات)