Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 183
Текст из файла (страница 183)
40.21 схематическтл изобра- жены энергетические уровни сложной Рис. 40.21. СхемаэнеРгетичес- молекулы т). Верхняя группа уровней ких УРовттеи сложттой оРгатти относится к одному из возбужденных ческой молекулы состояний электронов молекулы, ниж- няя — к основному состоянтлю электронов. Каждая из указанных групп содержит уровни, отвечающие различным состояниям колебаний ядер молекулы. Вследствие болыпого числа колебательных степеней свободы структуры верхней и нижней групп уровней чрезвычайно сложны, однако для достижения наших целей нет необходимости в их конкретизации. Существенно лишь то обстоятельство, что спектр люминесценции состоит из большого чис- тт ) Основные сведения о спектрах и об энергетических уровнях молекул изложены в главах ХХХ~ъП1 и ХХХ1Х. ГЛ. Х1,.
ОПТИЧНСКИЕ КВАНТОВЫБ ГЕНЕРАТОРЫ 743 ла линий, соответствукпцих переходам молекулы с уровней верхней группы на уровни нижней, причем отдельные линии не разрешаются и в своей совокупности образуют непрерывный спектр люминесценции. Схематически это показано на нижней части рис. 40.21, где вертикальные отрезки отвечают боровским частотам переходов между индивидуальными уровнями, штриховая кривая изображает контур отдельной спектральной линии, а сплоп1ная кривая -- суммарный контур полосы люминесценции.
Общую картину процессов, происходящих при оптическом возбуждении молекул красителя, можно представить следующим образом. В результате поглощения фотона Лы,0,б молекула из основного состояния переходит на один или несколько (в зависимости от ширины спектра возбуждающего света) колебательных уровней возбужденного электронного состояния.
На. рис. 40.21 этот процесс обозна'1ен левой стрелкой, направленной вверх. Вследствие внутримолекулярных процессов и взаимодействия с растворителем молекула безызлучательно переходит на самые нижние уровни верхней группы, причем этот переход (верхняя волнистая стрелка) происходит за чрезвычайно короткие интервалы времени (10 11 — 10 12 с).
Последующее спонтанное или вынужденное испускание фотонов Йь.' сопровождается переходами с нижних колебательных уровней верхней группы на все колебательные уровни основного электронного состояния (прямые стрелки, направленные вниз). Как отмечалось ранее, совокупность перекрывающихся линий, связанных с этими электронно-колебательными переходами, и образует широкий сплоп1ной спектр люминесценции и усиления. По тем же причинам, которые указывались по отношению к верхней группе уровней, в основном электронном состоянии происходит быстрое затухание (за времена 10 11 — 10 1Я с) возбужденных колебательных состояний, вследствие чего их заселенность оказывается малой (нижние волнистые стрелки).
Таким образом, возникает инверсная заселенность уровней, соединенных прямыми стрелками, направленными вниз. Изложенная схема процессов сильно упрощена, и существует целый ряд факторов, в той или иной мере затрудняющих развитие генерации. К числу мешающих факторов относится, например, фотохимическое разложение молекул красителя при высоких значениях освещенности, нагревание раствора, приводящее к безызлучательному затуханию возбужденного электронного состояния, и многие другие. Однако все эти препятствия устраняются специальными методами ), и генерацшо удается осуществить с большим числом разных красителей (их насчитывается сейчас около 100) в импульсном и непрерывном режимах, в широкой области спектра (от 350,0 до 1000,0 нм) и с применением в ка'1естве источников возбуждающего излучения ксеноновых газоразряднь1х ламп и лазеров.
На рис. 40.22 приведена одна из оптических схем лазера на красителе, функционирую1цего в непрерывном режиме. Пучок возбуждаю- 1~ ) Применяется, например, прокачка раствора через кювету со скоростью, достигающей десятков м,'с. 744 ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОН'ГИКА щего света (сплошные линии) фокусируется зеркалом М1 на кювету с раствором крас1лтеля К.
Источником возбуждающего света служит аргоновый лазер непрерывного действия (на рисунке не показан). Частично прошедший возбуждающий свет возвращается в ккзвету Возбуждающее излучение Рис. 40.22. Оптическая схема лазера на красителе зеркалом М2. Зеркала М1, Ма, Мз образуют оптический резонатор лазера; штриховые линии изображают генерируемый пучок; кювету К следует ориентировать под углом Брюстера к оси резонатора для уменьшения потерь, связанных с отражением света от ее границ. Спектр излучения лазера, в котором использовался раствор красителя -- родамина 6-С, приведен на рис.
40.23 а. Ширина спектра в данном случае составляла, около двух панометров. Применение других красителей и увеличение мощности возбу-ждения позволяет еще больше увеличить ширину спектра лазерного излучения. Структура Х, нм 593,0 592,0 591,0 590,0 589,0 а Рис. 40.23. Спектр излучения лазера на красителе: а — без призмы Р; б, в, г — с призмой Р при различных ее ориентациях спектра, обусловленная дискретностью собственных частот резонатора, на рис, 40.23 а не разрешается. Светлые полосы, которые видны в спектре, вызваны поглощением света парами воды, всегда присутствующими в воздухе.
Если вместо зеркала ЛХз установить призму Р (аналогичную тем, которые применяются в спектральных приборах) и расположить зеркало М4 так, как показано штриховой линией на рис. 40.22, то спектр излучен1ля лазера резко сужается (рис. 40.23 б — г). Причина его сужения кроется, очевидно, в зависимости отклонения пучка призмой от длины волны.
При заданной ориентации зеркала М4 и при отражении ГЛ. Х1,1. !1ЕЛ1ЛНКЙ!1АЯ О1!'!'ИКА света от определенной части его поверхности, ограниченной диафрагмой В, возврат в активную часть объема кюветы будет обеспечен лишь для света с какой-то определенной длиной волны. Для излучения с другими длинами волн потери будут болыпе, так как для них условие цикличности выполняется, очевидно, при отражении от участков зеркала, частично или полностью закрытых диафрагмой О.
Если теперь вращать призму вокруг оси, перпендикулярной к плоскости чертежа, то указанные благоприятные условия будут реализовываться для различных длин волн. Таким способом можно в широком интервале плавно изменять частоту лазерного излучения. Фотографии рис. 40.236 — г и получены при трех различных ориента; циях призмы Р. Оптические квантовые генераторы с плавной перестройкой частоты служат основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой. Пусть, например, требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект и прошедп!его через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения.
Перестраивая частоту лазерного излучения, можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функпию длины волны. Разреша!оп1ая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например, 10 з см 1, обеспечивает такую же разрешающую способность, как дифракционная решетка с рабочей поверхностью длиной 5 м, а изготовление таких больших решеток предста; вляет почти неразрешимую задачу.
В данной главе мы изложили физические принципы, положенные в основу устройства оптических квантовых генераторов, разобрали некоторые их общие свойства и описали три типа лазеров — рубиновый, гелий-неоновый и лазер на красителях. Помимо указанных, существует боль1пое число других лазеров, отличающихся по тем или иным свойствам, а именно способами возбуждения активной среды, спектральной областью, в которой находится излучение, мощностью, коэффициентом полезного действия, временными характеристиками и т.д.
и т.п. В зависимости от зада.1и, решаемой с помощью лазеров, выбирают тот или иной тип лазера, с оптимальным набором характеристик. Глава Х11 НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА Былие уже отмечались исследования С.И. Вавилова зависимости коэффициента поглощения от интенсивности поглощаемого света (см. главы ХХЪ|П, ХЬ). В книге «Микроструктура света», обобщая свои наблюдешля, относягциеся к 20 гг., и последующие опь1ты, Вавилов писал: «Нелинейность в поглощающей среде должна наблюдаться не только в отноптении абсорбции.
Последняя связана с дисперсией, ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА 746 поэтому скорость распространения света в среде, вообще говоря, также должна зависеть от световой мощности. По той же причине в общем случае должна наблюдаться зависимость от световой мощности, т.е. нарушение принципа суперпозиции, и в других оптических свойствах среды — в двойном лучепреломлении, дихроизме, вращательной способности и тд.». 11оследующее развитие нелинейной оптики, обусловленное экспериментальным исследованием распространения лазерного излучения, не только подтвердило общие соображения Вавилова о многообразии возможных нелинейных явлений, но и привело к обнаружению всех перечисленных им конкретных эффектов.
Поэтому Вавилов по праву признан основоположником нелинейной оптики. Напомним, что причину нелинейных явлений Вавилов усматривал в изменении числа молекул или атомов, способных поглощать свет, т.е. изменений, обусловленных переходом атомов и молекул в возбужденное состояние и конечной длительностью пребывания в этих состояниях. Помимо указанной причины, к нелинейным явлениям приводит и ряд других причин; часть из них будет рассмотрена ниже, В соответствии с этим и совокупность нелинейных явлений, обнаруженных при исследовании распространения лазерного излучения, оказалась еще более многообразной. Некоторые из них — вынужденное рассеяние Манделыптама — Бриллюэна, многофотонное поглощение и ионизация (см.
З 157), нелинейный фотоэффект (см. ~ 179) — описаны выше. В данной главе рассмотрены явления, сводящиеся, в общих чертах, к изменению направления распространения и спектрального состава излучения. й 232. Самофокусировка Одним из основных законов оптики является закон прямолинейного распространения света в однородной среде, выполняющийся в тех случаях, когда по тем или иным причинам дифракционные эффекты несущественны. В нелинейной оптике указанный закон, вообьце говоря, имеет дополнительные ограничения применимости.
Пусть показатель преломлешля зависит от интенсивности света при достаточно больших ее значениях. Если освещенность в поперечном сечении пучка неравномерна, то и показатель преломления не будет постоянной величиной, что эквивалентно неоднородности среды. В неоднородной же среде лучи не прямолинейны и отклоняются в ту сторону, где показатель преломления больше. На рис. 41.1 приведена схема опыта., в котором наблюдается указанное явление. Параллельный пучок света падает на слой Х~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
