Ganancia de ida y vuelta

La ganancia de ida y vuelta se refiere a la física de los láseres y a las cavidades láser (o resonadores láser ). Es la ganancia, integrada a lo largo de un rayo, que realiza un recorrido completo dentro de la cavidad.

En el funcionamiento en onda continua , la ganancia de ida y vuelta compensa exactamente tanto el acoplamiento de salida de la cavidad como sus pérdidas de fondo.

Generalmente, la ganancia de ida y vuelta puede depender de la frecuencia, de la posición e inclinación del rayo, e incluso de la polarización de la luz . Por lo general, podemos suponer que en algún momento, a una frecuencia de operación razonable, la ganancia${\displaystyle ~G(x,y,z)~}$es función de las coordenadas cartesianas${\displaystyle ~x~}$,${\displaystyle ~y~}$, y${\displaystyle ~z~}$. Entonces, suponiendo que la óptica geométrica es aplicable, la ganancia de ida y vuelta${\displaystyle ~g~}$se puede expresar de la siguiente manera:

${\displaystyle ~g=\int G(x(a),y(a),z(a))~{\rm {d}}a~}$,

dónde${\displaystyle ~a~}$es la trayectoria a lo largo del rayo, parametrizada con funciones${\displaystyle ~x(a)~}$,${\displaystyle ~y(a)~}$,${\displaystyle ~z(a)~}$; la integración se realiza a lo largo de todo el rayo, que se supone que forma el bucle cerrado.

En modelos simples, la distribución plana de la bomba y la ganancia${\displaystyle ~G~}$Se supone que es constante. En el caso de la cavidad más simple, la ganancia de ida y vuelta es${\displaystyle ~g=2Gh~}$, dónde${\displaystyle ~h~}$es la longitud de la cavidad; se supone que la luz láser va hacia adelante y hacia atrás, lo que lleva al coeficiente 2 en la estimación.

En el funcionamiento continuo de onda estacionaria de un láser, la ganancia de ida y vuelta está determinada por la reflectividad de los espejos (en el caso de una cavidad estable ) y el coeficiente de magnificación en el caso de un resonador inestable ( cavidad inestable ).

El parámetro de acoplamiento${\displaystyle ~\theta ~}$La salida de un resonador láser determina qué parte de la energía del campo láser en la cavidad sale en cada recorrido. Esta salida puede estar determinada por la transmitancia del acoplador de salida o por el coeficiente de magnificación en el caso de una cavidad inestable . ^{[ 1 ]}

La pérdida de fondo , de la pérdida de ida y vuelta${\displaystyle ~\beta ~}$Determina qué parte de la energía del campo láser se vuelve inutilizable en cada viaje de ida y vuelta; puede ser absorbida o dispersada.

En la autopulsación , la ganancia tarda en responder a la variación del número de fotones en la cavidad. Dentro del modelo simple, la pérdida de ida y vuelta y el acoplamiento de salida determinan los parámetros de amortiguación del oscilador equivalente de Toda . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

En el funcionamiento en estado estacionario, la ganancia de ida y vuelta${\displaystyle ~g~}$compensar exactamente tanto el acoplamiento de salida como las pérdidas:

${\displaystyle ~\exp(g)~(1-\beta -\theta )=1~}$.

Suponiendo que la ganancia es pequeña (${\displaystyle ~g~\ll 1~}$), esta relación se puede escribir de la siguiente manera:

${\displaystyle ~g=\beta +\theta ~}$

Dicha relación se utiliza en estimaciones analíticas del rendimiento de los láseres. ^{[ 4 ]} En particular, la pérdida de ida y vuelta${\displaystyle ~\beta ~}$puede ser uno de los parámetros importantes que limitan la potencia de salida de un láser de disco ; en el escalado de potencia, la ganancia${\displaystyle ~G~}$debe disminuirse (para evitar el crecimiento exponencial de la emisión espontánea amplificada ), y la ganancia de ida y vuelta${\displaystyle ~g~}$debe permanecer mayor que la pérdida de fondo${\displaystyle ~\beta ~}$; esto requiere aumentar el espesor de la lámina del medio de ganancia ; a cierto espesor, el sobrecalentamiento impide el funcionamiento eficiente. ^{[ 5 ]}

Para el análisis de procesos en medio activo, la suma${\displaystyle ~\beta +\theta ~}$También se puede llamar "pérdida". ^{[ 1 ]} Esta notación genera confusiones en cuanto uno se interesa en qué parte de la energía es absorbida y dispersada, y qué parte de dicha "pérdida" es realmente la salida deseada y útil del láser.