Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Следует также упомянуть аппаратуру различного практического назначения, в которой в качестве ясточняка излучения, задающего, преобразующего я отображающего информацию, используются лазеры. Современным требованиям получения информации о свойствах возмущенной среды ялн проведения прецизионных измерений различных величин могут удовлетворять некоторые оптические методы„ согласно которым пучок лазерного излучения можно рассматривать как оптический сигнал с определенными частотой, фазой, амплитудой, полярязацяей и направлением распространения. При взаимодействии излучения со средой может изменяться любой яз этих параметров. Например, поляризация определяется апязотропнымя свойствами, а фаза— геометрией я показателем преломления среды взаимодействия.
Необходимо учитывать также высокую степень когерентностя, монохроматячяостя я спектральной плотности энергии вынужденного излучения. Несколько в стороне от данного научного направления находится голография — метод получения объемного изображения объекта, основанный на интерференции электромагнитных волн.
Однако без ' См.; Материалы ХХЧ11 съезда Коммунистической партии Советского Союза,— М., 1988,— С. 283, 287, 288. ;г х нааку у В.?. Краткая историческая справка когерентного излучения лазеров практическая направленность голографии вряд ли была возможной. Границы квантовой электроники и лазерной техники определить очень трудно. Это характерно для всех быстро развивающихся наук. Тем не менее, сформулируем предмет лазерной техники, некоторые основы которого будут освещены в дальнейшем. Лазерная техника — зто совокупность научно обоснованных методик расчета, технических решений н средств, позволяющих оптимальным образом создавать схемы н конструкции квантовых приборов, основанных иа использовании лазерного излучения.
Указанная область науки и техники молода, многогранна и перспективна. Собственно этим и объясняется название книги. Другое, не менее важное обстоятельство, определившее название и содержание книги,— это многочисленные технические приложения лазеров. Всестороннее обобщение этих приложений и потребовало издания учебника «Основы лазерной техники». В 1964 г. на церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме акад. А.
М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 г., фундаментом квантовой электроники следует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 г.». Сущность этого явления заключается в том, что возбужденные атомы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны.
Однако только много лет спустя появилась мысль использовать это явление практически. В авторском свидетельстве СССР № 123209 от 18.06.51 г., выданном В. А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио диапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем иа верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям>.
Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «квантовое усиление». Явление вынужденного излучения легло в основу современной квантовой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Дж. Вебером был предложен квантовый усилитель. В 1956 г. Н. Бломбер ген теоретически разработал вопрос о парамагнитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г.
Г. Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройства, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазои радиоволн и назывались лазерами. Первый молекулярный генератор (мазер) был разработан в 1954 г. в Физическом институте АН СССР им. П. Н. Лебедева в Москве Рис. В.(. Эффект Штарка дли молекул аммиака (а) н кван- товый стандарт частоты (б) Н. Г.
Басовым, А. М. Прохоровым и одновременно и независимо Ч. Таунсом, Д. Гордоном и Х. Цайгером в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Это событие официально принято считать началом становления квантовой электроники как науки. Теория мазера была развита Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и оказала значительное влияние на последующие работы в этой области [13]. Для описания физического процесса колебаний молекулы азота и флюктуации зарядов и их связи с комплексной восприимчивостью )( и диэлектрической постоянной е ими предложено уравнение колебаний напряженности электрического поля Е в резонаторе [29] г(»Е мо бЕ 'зо 2 — + — о — + — Е= 0 от е где юз — круговая резонансная частота колебаний атома азота в молекуле аммиака (ИН») при наличии колебаний поля в резонаторе; (,) — добротность резонатора.
Молекула р(Н» представляет собой автоколебательную систему, стабильность колебаний которой обеспечивается процессом самонастройки частоты. Атом азота совершает колебания между положеянями 1 н 2 через плоскость основавия молекулы ИН„в узлах которой расположены атомы водорода (рис. В.Г, а). Эти колебания происходвт со строго определенной частотой 23 870 МГц. Радиоволны поля резонатора этой же частоты, поглощаемые азотом, поддерживают эти колебания. Нроггесс поглощения определяется' нелинейной зависимостью частоты от параметра квантовой системы — диэлектрической проницаемости е = е, (м, Е, Г) — )ея (м, Е, 1).
Связь между диэлектрической проницаемостью, напряженностью электрического поля Е и поляризацией Р устанавливается уравнением вЕ = Е+ 4пР. Активной средой аммиак был выбран не случайно. Радиоспектросконическими исследованиями в спектре )чНз были обнаружены энергетические уровни (квантовые состояния), разность энергии между которыми Еь — Е, лежит в области СВЧ-диапазона длин волн (Л = 1,26 см), у которых наблюдается наибольшая мощность колебаний на частоте квантового перехода чз 23 870 МГц. Молекулы Ь)Нз, выходя из источника 7 (рис.
В.1, б), образуют направленный в сторону сортнрующей системы (квадрупольного конденсатора 2) молекулярный пучок. Сортирующая система удаляет молекулы, имеющие нижнее энергетическое состояние Е„оставляя и фокусируя в объемном резонаторе 3 молекулы, имеющие верх. нее энергетическое состояние Ея (см.
рис. В.1, а). В сортнрующей системе неоднородное электрическое поле Е на оси равно нулю и увеличивается с расстоянием от оси. В результате молекулы )ЧНз, находящиеся на верхнем энергетическом уровне Е„перемещаются по оси системы, а молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне Е„рассеиваются. Инвертированные уровни Е, и Ет соответствуют двум противоположным ор пента. циям днпольного момента молекулы (ЧНз. Во внешнем электрическом поле Е сортирукнцей системы происходит физический эффект Штарка (1913 г.), заключающийся в смещеяни н расщеплении энергетического уровня иа подуровни под воздействием электрического поля.
Векторы дипольных момеятов молекул на верхнем уровне энер. гни Ез будут направлены против поля Е н зиергия уровня увеличится прояорциоиально напряженности поля Е. Знергня нижнего уровня Е, уменьшится на стольно же нз-за ориентации моментов соответствующих молекул по направлению поля. Отсортированные молекулы пролетают объемный резонатор. Часть из них за время пролета совершает акт вынужденного излучения на частоте квантового перехода ча = 23 870 МГц н этим усиливает электромагнитное поле внутри резояатора. Следующие, влетающие в резонатор новые порции молекул взаимодействуют уже с усиленным полем.
Таким образом осуществляется положительная обратная связь, объединяющая акты излучения множества молекул, пролетающих через объемный резонатор, т. е. реализуется условие, без которого невозможна работа квантового генератора. Резонатор, увеличивая время взаимодействия излучения с активной средой, осуществ. ляет усиление и формирует излучение электромагнитных волн требуемой стабильной частоты где ч — частота спектральной линии; чэ = чэ — собственная (резонансная) частота резонатора. Добротмоопш Резонатора 4) — отношение запасенной энергии электромагнитного поля к средней энергии, теряемой колебательной системой за один период колебаний.
Приведем еще одну характеристику квантового генератора — добротность спектральной линии Я„. Это отношение резонансной частоты тз спектральной линии к ее ширине Аэм на уровне половинной интенсивности: Я = ээ/Ачм. Величину (т — та)lт = т) принято называть расстройкой резонатора. Для генератора на молекулах аммиака т) 10 ". При пролете некоторого расстояния в резонаторе пучок молекул теряет инверсию населенностей и при дальнейшем движении начинает поглощать энергию резонатора. Отработанный аммиак откачивается насосом и поглощается специальным адсорбентом. Следующий этап развития квантовой электроники связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн.
В 1958 г. Ч. Таунс, А. Л. Шавлов н А.М. Прохоров показали возмож- ность использования явлений вынужденного усиления в поле оптических излучений. О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1959 г. советским ученым Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они же и американский ученый Ч. Таунс удостоилнсь присуждения Нобелевской премии по физике и за фундаментальные труды в области квантовой электроники. Первый действующий лазер на рубиновом стержне был создан Т. Майманом в 1960 г., а 13.06.61 г. ему был выдан патент № 3353115.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
