閥值增益（Threshold Gain）

閥值增益（Threshold gain）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

考慮一般雷射介質，具有端鏡面之光學共振腔，就像是法布里-比洛光共振腔。共振腔內填入介質使得能夠產生雷射發射並建立一穩定狀態，也就是連續操作之穩定狀態，有效的假設在共振腔內可形成固定電磁 (EM) 振盪並達到穩定狀態，其中光共振腔可視為光共振器。

考慮在共振腔內某點具內部光能量P_i之電磁波並朝向一端之鏡面方向前進，此鏡面標示為1，另一端鏡面標示為2，當行進至標示為1之鏡面時電波會被反射並朝向鏡面2方向行進；同樣的，行進至標示為2之鏡面時，電磁波會被反射，假設其回至出發點之最後光功率為P_f。在穩定情況下，振盪的情況不會促進而能量也不會衰減，這表示P_f必須等於P_i，因此在整個來回的過程中不會有光功率損耗，這表示淨往返光學增益 g_op 必須為1，則G_op=P_f/P_i=1。

由於鏡面1與鏡面2之反射率R1與R2會減少在共振腔中之光功率，此外亦有其他種類的損耗如部分的吸收即在介質傳播過程中的散射，這些所有的損耗均可由受激發射加以補償因此可有效的在介質中提供一個光增益。在波的傳播過程中，其功率會以exp(gx)因子增加，然而，在光共振腔介質中仍有許多損耗抑制著受激發射增益，例如在非同質性區域及缺陷的散射，雜質或自由載子吸收以及其他的損耗現象。這些損耗會使功率以exp(-γx)因子衰減，其中γ為介質之衰減或損耗係數，γ表示所有在共振腔內及其管壁上的損耗但不包括通過端鏡面的傳播損耗及在能階間受激發射相關的吸收。當增益係數的值使得P_f/P_i=1，此時的g即為閥值增益g_th。
一開始必須使介質增益係數g高於g_th時，才能在共振腔內經由振盪至g=g_th的穩定狀態。此可類比與電子振盪電路所存在的整體增益，當電路達到穩定狀態時，其值為1且振盪的情況可以維持住。但當電路開關打開時，整體增益會大於1，由一個小雜訊電壓開始振盪，然後放大，也就是擴大直到整體增益到1且達到穩定狀態操作為止。而鏡面的反射率對閥值居量反轉非常重要，因其與閥值增益有關。當發射出同調發射之雷射元件即為一雷射振盪器。

參考資料：光電子學與光子學-原理與應用