Schwellenleistung der Pumpe

Die Pumpschwellenleistung des Lasers bezieht sich auf die Pumpleistung, wenn die Laserschwelle erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verlust im Laserresonator gleich der Kleinsignalverstärkung. Ähnliche Schwellenleistungen gibt es bei anderen Lichtquellen wie Raman-Lasern und optischen parametrischen Oszillatoren.

Abbildung 1. Ausgangsleistung im Vergleich zur Eingangsleistung in einem optisch gepumpten Laser. Die Pumpenschwellenleistung beträgt 5 W und der Steigungswirkungsgrad beträgt 50 %. Es ist zu beachten, dass die Kurve unterhalb der Pumpschwellenleistung aufgrund des Effekts der verstärkten spontanen Emission ebenfalls leicht ansteigt.

Bei optisch gepumpten Lasern kann die Schwellenpumpleistung entweder als Eingangspumpleistung oder als absorbierte Pumpleistung definiert werden. Bei Anwendungen ist die Eingangspumpenleistung wichtiger. Für die Beurteilung der Verstärkungseffizienz des Verstärkungsmediums ist jedoch die absorbierte Pumpleistung nützlicher.
Die niedrige Pumpschwellenleistung kann erreicht werden, wenn der Hohlraumverlust des Resonators gering und die Verstärkungseffizienz hoch ist. Hohe Verstärkungswirkungsgrade werden typischerweise mit Verstärkungsmedien mit kleiner Modenfeldfläche und hohem Ï-Ï-Produkt (Emissionsquerschnitt und Lebensdauerprodukt der oberen Ebene) erzielt. Das Ï-Ï-Produkt wird durch die Übertragungsbandbreite begrenzt. Daher weisen Breitband-Verstärkungsmedien tendenziell höhere Laserschwellen auf.
Für ein einfaches Medium mit vierfacher Laserverstärkung können wir die Pumpschwellenleistung mit einer Formel berechnen:

Dabei ist Irt der Verlust im Resonator, hvp die Photonenenergie der Pumpquelle, A die Strahlfläche im Laserkristall, ηp die Pumpeffizienz, Ï2 die Lebensdauer der oberen Ebene und Ïem ist die Größe des Emissionsquerschnitts.
Für eine gegebene Pumpleistung beinhaltet die Optimierung der Laserausgangsleistung typischerweise einen Kompromiss zwischen hoher Steilheitseffizienz und niedriger Laserschwellenleistung. In den meisten Fällen beträgt die Pumpleistung im Betriebszustand ein Vielfaches der Pumpschwellenleistung. Die Wahl der optimalen Pumpschwellenleistung ist einer der Parameter des Laserdesigns.
Die Kurve der Ausgangsleistung gegenüber der Laserpumpleistung ist nicht immer so einfach wie in Abbildung 1 dargestellt. Beispielsweise wird bei Lasern mit hohem Resonatorverlust die Schwellenpumpleistung durch Extrapolation der ungefähren Linearität der Kurve bei hoher Leistung auf Null unter definiert die Kurve.
Es gibt spezielle Laser, etwa Einzelatomlaser, die keine Laserschwelle haben und daher schwellenlose Laser genannt werden.