Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 175
Текст из файла (страница 175)
Вполне ясно, что для пучков, распространяющихся наклонно по отношению к оси резонатора, потери будут больше, чем для осевых пучков. Поэтому порог генерации для наклонных пучков выше, чем для осевых. Кроме того, следует помнить об ограниченности запаса энергии активной среды, способного перейти в вынужденное излучение. Поскольку для осевых пучков потери меньше, чем для наклонных, их интенсивность нарастает быстрее, для них стационарные условия достигалотся раныпе, чем для наклонных. Поэтому осевые пучки могут при благоприятных обстоятельствах использовать указанный запас энергии целиком, не оставив практически ничего на долю наклонных пучков. ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА 712 Из сказанного должно быть ясно, что световые пучки, выходящие из квантового генератора, могут обладать очень малой расходимостью. Минимальный телесный угол, в котором сосредоточен поток, не может, конечно, быть меныпе величины, определяемой дифракцией на зеркале, т.е.
(Л7.0), где Х1 — диаметр пучка. Это минимальное значение реализуется во многих случаях и оно действительно очень мало. Например, для Л = 500 нм и .0 = 5 мм имеем (Л/.0)~ = 10 тогда как для некогерентных источников света телесный угол порядка 2я — 4я. Эта сторона вопроса более подробно рассматривается в 3 229. Усиление спонтанного излучения в активном резонаторе и в конечном счете его превращение в генератор когерентного излучения имеет глубокую аналогию с процессами, развивающимися в автоколебательных системах, при самовозбуждении в них генерации.
В таких системах важнейшую роль играет положительная обратная связь колебательной системы с источником энергии, поддерживающим в ней колебания. Сравнительно простой механизм индуктивной положительной обратной связи можно проследить на примере генератора колебаний с электронной лампой. В счучае оптического квантового генератора зеркальный резонатор создает положительную обратную связь между полем излучения и источником его энергии — активной средой ').
Зеркала. резонатора обеспечивают многократное распространение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. Зто необходимо и для самовозбуждения генерации, и для ее поддержания. Однако роль резонатора в работе лазера не исчерпывается повышением плотности энергии поля в активной среде. Согласно указанной выше аналогии для возникновения автоколебательного режима обратная связь должна быть положительной. Другими словами, должна иметь место строгая синфазность колебаний, уже существующих в системе и «приходящихся по каналу обратной связи. Подобные соображения применимы и к оптическим квантовым генераторам, о чем будет идти речь в 3 228.
229. Из приведенного вьппе описания принципа работы лазеров видно, что оптические квантовые генераторы основаны на трех фундаментальных идеях, родившихся в различных областях физики. Первая идея сформулирована Эйшптейном, который постулировал возможность процесса вынужденного испускания в рамках теории теплового некогерентного излучения. Вторая фундаментальная идея — применение термодинамически неравновесных систем, в которых возможно усиление, а не поглощение электромагнитных волн (В.А.
Фабрикант, 1940 г.). Наконец, третья идея, имеющая радиофизические корни, использование положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в автоколебательную, т.е. в генератор когерентных электромагнитных волн. За разработку нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн и создание молекулярных генераторов и усилителей советским физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову в 1959 г.
была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. Н.Г. Басову, ') Применение зеркал — не единственный способ осуществления обратной связи в лазерах. Некоторые другие методы мы рассмотрим в 3 233. гл. хь. оптичвскив квАнтовын гннв1 Атогы 713 А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу была присужде- на Нобелевская премия (по физике). 9 226. Описание устройства и работы рубинового оптического квантового генератора Для создания активной среды необходимо селективное возбуждение ее атомов, обеспечивающее инверсную заселенность хотя бы одной пары их энергетических уровней. Возможны различные способы создания инверсной заселенности.
Поскольку в предшествующем изложении подробно обсуждались процессы излучения и поглощения света, начнем с описания оптического метода селектиеного еозбужденил атомов среды ). Примером оптического квантового генератора, в котором используется оптический метод возбуждения, может служить рубиновый лазер. Отметим, что этот генератор был исторически первым квантовым генератором, излучающим в видимой области спектра (Мейман, 1960 г.). Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия А120а (корунд), в который при его выращивании введена окись хрома Сг20з обычно в количестве нескольких сотых долей процента.
Окись хрома изоморфно входит в кристаллическую решетку корунда. В результате введения примеси ионов хрома прозрачный кристалл корунда приобретает розовую окраску. В спектре белого света, прошедшего через кристалл рубина, легко заметить две широкие полосы поглощения, расположенные в зеленой и фиолетовой областях спектра. Поглощение в этих участках спектра и определяет розовую окраску рубина. Если кристалл рубина осветить сине-зеленым излучением, то он светится красным светом, отсутствующим в первичном световом пучке и представляющим собой фотолюминесценцию ионов хрома.
При наблюдении свечения рубина через спектроскоп можно увидеть в красной области спектра линию с длиной волны Л = 694,3 нм 2). Изучение люминесценции рубина позволило составить следующее схематическое представление о механизме ее возникновения и об энергетических уровнях ионов хрома, введенных в кристаллическую решетку кристаллов корунда. На рис. 40.5 широкими полосами показаны энергетические уровни ионов хрома Ез и Ег. Переходы на них из основного состояния .Е1 соответствуют упомянутым выше широким полосам поглощения кристалла рубина в видимой области спектра. Процессы поглощения энергии света ионами хрома символиче- ы ) Вместо термина «оптический метод возбуждения» иногда используется термин «оптическая накачка»., заимствованный из американской научной литературы.
) В спектроскоп с большой дисперсией можно наблюдать две близко расположенные красные спектральные линии с длинами волн 694,3 и 692,9 нм. Интенсивность второй линии меныпе первой. При наптем схематическом описании наблюдаемых явлений мы не будем обсуждать пи эту подробность, ни сверхтопкую структуру каждой линии в отдельности и зависимость их длин волн от температуры. 714 ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА ски представлены стрелками, направленными от нормального нижнего энергетического уровня ионов Е1 к верхним уровням Еа, Ез. В ре- зультате поглощения света ионы Е хрома переходят с нижнего уровня на верхние. Длительность существования т этих возбужденБезызлуч атель- ных состояний ионов хрома мала 3 '' ' ' ' "' ные переходы и составляет примерно 10 ~ с.
Однако только незначительЕз' ная часть ионов хрома возвращая Ег ется обратно в основное состояние Е1, непосредственно излучая поглощенные ими фотоны. Опыт ~Ю 'с' г5 СЭ Р. показывает, что болыпая часть возбужденных ионов хрома сначала отдает часть своей энергии Е1 кристаллической решетке корунда без излучения света. В результате Рис.
40.5. Схема энергетических такой передачи энергии кристалуровней иона хрома лу ионы переходят в состояние с энергией Ег. Этому безызлучательному переходу соответствуют волнистые стрелки на рис, 40.5 между уровнями Еа, .Е„' и Бг. Длительность возбужденного состояния Е ионов хрома составляет 3 10 с ), т.е. она во много раз — 3 11 больше, чем для состояний Еа или Е'.
Возвращение ионов хрома с уровня Ег на основной уровень Е1 совершается путем излучательных переходов, и создэлощих ту красную люминесценцию кристаллов рубина, о которой было сказано вьппе. Описанная схематически структура энергетических уровней ионов хрома в кристаллах рубина и длительное существование возбужденного состояния с энергией Ег благоприятствовали созданию первого оптического квантового генератора. ??ринципиально эту задачу можно разрешить следующим образом.
Мощное освещение рубина белым светом возбуждает ионы хрома, которые приобретают энергию Ез, Езз, а затем без излучения быстро переходят на метастабильный уровень Ег. Благодаря большой длительности его существования, на уровне Ег происходит «накопление» ионов хрома. При достаточно большой освещенности рубина их концентрация на. уровне Бг будет больше,, чем на уровне Е1, т.е. возникнет среда с инверсной заселенностью энергетических уровней Ег и Е1. Для возникновения генерации когерентного излучения при переходах Ег -+ Е1 необходимо поместить рубин в резонатор и удовлетворить тому условию самовозбуждения генерации ао(а1)Б ) которое было выведено выше (см.
~ 225). Поэтому рубиновый лазер устроен следующим образом (рис. 40.6). Изготовляют цилиндрический рубиновый стержень ? диаметром в несколько миллиметров и ') Возбужденные состояния со столь большой длительностью существования называются метастабильными. Г~1. Х1,. ОНТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ 1'ЕНЕРАТОРЫ 715 длиной в несколько сантиметров с плоскими торцами, тщательно полированными и строго перпендикулярными оси цилиндра.
Один из торцов покрывают плотным слоем металла с высоким коэффициентом отражения, например, серебра. Другой торец рубинового стержня покрывают полупрозра1ным слоем того же серебра. В результате Рис. 40.6. Схема рубинового лазера стержень и два параллельных друг другу зеркала на его торцах образуют оптический резонатор '). Необходимая освещенность рубинового стержня осуществляется лампой Р (см. рис. 40.6), помещенной вместе со стержнем в специальный зеркальный осветитель (на рис. 40.6 осветитель не показан), концентрирующий свет лампы на рубине. Этот осветитель 3, имеющий форму эллиптического цилиндра с зеркальной поверхностью, изображен вместе с рубиновым стержнем и лампой, но в другой проекции, на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
