Physique Question #1368
Russell J. Wells Jr. (Genre: mâle, Àge: 56 années) de Dearborn Hts., Mich. sur 31 mars 2003 demande:
Pourquoi l'efficacité de la plupart des tous les lasers est-elle limitée à .1% à 30% ? Quels sont les facteurs limiteurs ? Quelles sont quelques manières étant recherchées pour augmenter l'efficacité ?
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La réponse
La réponse courte ici serait que les lasers de semi-conducteur fonctionnent typiquement avec des efficacités au-dessus de 50%, plus près de 70%, ainsi la manière la plus facile d'augmenter l'efficacité est de trouver un laser de semi-conducteur qui remplacera votre gaz ou laser à semi-conducteurs.
L'interpellateur semble plus intéressé par des limites fondamentales, cependant. Il y a une limite intrinsèque de quantum sur l'efficacité de n'importe quel laser. Pour l'amplification léger par l'émission stimulée du rayonnement (laser) à se produire, on doit avoir le _gain_ optique (pour l'amplification), et pour avoir le gain, on doit avoir l'inversion_ de _population dans le milieu de gain. L'inversion de population se rapporte à une situation dans laquelle un état de grande énergie de quantum plus fortement est occupé qu'un état inférieur d'énergie. Pour créer un tel état, il est nécessaire d'impliquer d'autres états de quantum, en général deux autres, dans un processus de cascade qui est comme suit :
a) De l'énergie est pompée dans le système, 0 - > 3 (des états sont numérotés par ordre d'énergie croissante) ;
b) Le système détend, 3 - > 2, libérant l'énergie sous forme de chaleur ou de lumière non-laser ;
c) Le système subit l'émission stimulée, libérant la lumière de laser et faisant la transition 2 - > 1 ;
d) Le système détend encore, 1 - > 0, et libère encore l'énergie sous forme de chaleur ou de lumière non-laser.
Les processus (b) et (d) sont où les inefficacités intrinsèques se trouvent. On doit toujours pomper plus d'énergie dans le système (E3-E0) qu'un sort dans le rayonnement de laser (E2-E1). Une condition importante additionnelle est que les processus (b) et (d) doivent se produire beaucoup plus rapidement que le processus (c), et ceci signifie dans la pratique que la plupart des lasers qui dépendent des transitions atomiques ont des efficacités relativement basses de quantum.
Les lasers de semi-conducteur ont des efficacités élevées de quantum parce que la technologie de semi-conducteur nous permet de machiner les niveaux de quantum du milieu de gain avec une flexibilité beaucoup plus grande que les atomes laissent, pour construire les systèmes dans lesquels l'acte simple de passer le courant par le dispositif force les électrons dans l'inversion de population pendant qu'ils atteignent la jonction entre deux matériaux semi-conducteurs différents.
Au delà de ces inefficacités intrinsèques, il y a des inefficacités techniques qui interviennent également. L'absorption et les miroirs imparfaits dans la cavité sont l'évidente. Il y a également l'efficacité à laquelle la source d'énergie de pompe peut être couplée dans le milieu de gain de laser. Il y a eu d'énormes améliorations récentes sur cet avant, car les gens remplacent la décharge électrique et des sources de pompe de flashlamp avec la diode de laser pompent des sources. Une fois utilisées comme source de pompe, des diodes de laser peuvent être concentrées efficacement sur le milieu de gain pour l'extraction maximum d'énergie, l'amélioration des efficacités au-dessus de flashlamp pompe par des facteurs de deux ou plus.
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