Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 110
Текст из файла (страница 110)
Очевидно, должно выполняться равенство л' = лги 1 т„, и, следовательно, л„ч, ~,~„Чз, т„, »с ( Физические основы квантовой электроники бгЗ в среде, нерезонансного поглощения и т. д. Коэффициент отражения каждого из зеркал г, „, = 955в Диаметр зеркал много больше диаметра светового пучка, так что дифракцион- ными потерями можно пренебречь, и, = игк ехр — г (1.3.1) где и,,'к — энергия типа колебаний в момент г = О. Из (1.3.1) следует, что энергия, теряемая за время й, равна О» г(игк = игк 0 (1,Зйа) Рассматриваемый тип колебаний, как две волны, бегущих навстречу друг другу, причем энергия каждой нз них равна и, .
!2. Потери каждой из волн на проход за счет поглоще- ния в среде (бЛ ~1) "~ь . лбл игк — ехр( — ()/) — — = — (1 — ()2) — — = — — ()7. ° игк и,к 2 2 2 2 (1.3.2) Потери для этой же волны на проход за счет пропускания зеркала (1.3.2а) — (игк ~ 2)(1 — г,„ч,) Полные потери за один проход (т. е, за врел~я г„= 2 !с) каждой из волн определяются суммой (1.3.2) и (1,3.2а), Энергия, теряемая каждой волной в среднем в единицу времени — 'х ~()бе(1 — г;„„,)~— (1.3.3) а обеими волнами за время М -игк((У.
е(1 — г;„ч,)1 Й. (1.3.4) С лругой стороны, выражение (1.3.4) должно совпадать с выражением (1.3.!а). Приравнивая их, получаем азь' ,Гйб ((-,„н,)~ тк = Д„/гс. (!.3.5) Полставляя значения параметров из условий задачи, находим Цк = 7х10', тг и 2х10 с. Решение Получим формулу для добротности типа колебаний открытого резонатора, учитывающую потери в зеркалах и в среде, заполняющей резонатор. По определению добротности, если и,к — энергия типа колебаний в резонаторе, то Часть И Квантовая и оптическая электроника 524 Контрольные вопросы Что якое каантоаая эяектроьнька'? э Как аы понимаете споьпаниый квантовый переход? 3 Как аы понимаете аыиужденный каантоаый переход? 4. Что такое аероятность спонтанного испускания и как ее выразить? '!то такое вероятность аьшужленного испускания и как ес аыразшь? б, Что такое разрешеипыс и зшьрешеьшые квантовые переходы? 7, Как определяется Лорснцеаа форма липино 8.
Какие факторы влияют на уширсние спектральной линии? 9. Опишите процесс оптической накачки. 19. Что собой прелстааляет акпьаная каантоаая среда? 11. Как аы себе предстааляете отрицательную температур> в каанпэаой системе? рекомендуемая литература Карлов Н. В. Лекции по каанэоаой электронике. Учебное пособие. — Мс Наука, 1983. Пихтин А. Н. Физические основы каантоаой элетароннки и оптоэлектроники, Учебное пособие. — Мл Высишя школа, 1983. Страхоаский Г М., Успенский А. В. Основы квантовой электроники.
Учебное пособие. — М..' Высьная школа,!979. Успенскни А. В. Сборььььк задач по квинтовой элоктронике. Учебное пособие. — Мс Высьная школа, 1976. 2. Принципы работы лазера Лазеры или оптические кванлювые генераторы представляют собой источник когерентного электромагнитного излучения оптического или близкого к нему диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов или молекул. Слово лазер происходит от английского )азег ()ляЬ1 Апзр1!Всабоп Ьу 51!щц!а1ег) Ет)за|оп ог" Каг)!а!1оп, усиление света вынужденным излучением). Если во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных атомов, то в лазерах все атомы когерентно излучают кванты света, тождественно равные между собой по частоте, направлению распространения, поляризации. Эйнштейн открыл явление вынужденного излучения семь десятилетий назад, однако лазеры сразу не появились. Этого не случилось и половину века спустя.
Их сделали только тогда, когда стало ясно, что любой усилитель в радиоэлектронике входит в режим генерации, если в системе создается положительная обратная связь. В тот момент, когда впервые догадались поместить возбужденную квантовую систему с инверсной населенностью»ровней в резонатор Фабри — Перо, создающий положительную обратную связь в системе, родился лазер.
Первый лазер был создан в 1960 году, В качестве активного вещества использовался кристалл рубина. В основе работы лазеров лежит явление вынужденного излучения под действием внешнего электромагнитного поля, усиление и формирование потока излучения. Энергия возбуждения квантовой системы осуществляешься путем накачки — импульсного или постоянного воздействия на активную среду электромагнитным излучением определенной частоты.
Возбуждение активной среды может осуществляться по трех- или чегырехуровневой схеме !Рис. 2.1). Примером трехуровневой схемы является рубин А1,О, ч Сг ". Содержание атомов хрома составляет — 0,05%. Красный цвет кристалла рубина обусловлен расположением энергетических уровней атомов хрома в рубине. Возбуждение атомов хрома в рубине осуществляется за счет оптической накачки.
Возбужденные атомы хрома переходят в полосу поглощения Е„их время жизни там составляет - 10 ' с. В атомных масштабах соотношение времен 10 с и !0 с является вечностью и поэтому на метастабильном уровне накапливается большое число !больше половины всех) возбужденных атомов. Метастабильный уровень становится населенным, и в квантовой системе возникаег инвеРсиа населенностей УРовней по отношению к основномУ УРовню Еь На пРактике накачка рубина осуществляется лампой, обеспечивающей вспышку белого цвета, Энергетические полосы хрома в рубине позволяют использовать до 15% света лампы-вспышки.
При содержании атомов хрома в рубине 0,05% концентрация хрома составляет примерно 1О" атомов ! см', Обычно возбуждается их половина, т. е. 5х!0" см '. Наличие фотона Ез — Е, с частотой т = - ' позволяет стимулировать лазерную генерацию, заключающуюся й Часть!П. Квантовая и оптическая электроника )2.1) в) б) Рис.
2л, процессы инвврсии населенности и генерации в трех- и четырехуровневых системах уществуют лазеры, работающие по четырехуровневой схеме (рис. 2.!, б), Лазер на стек: е примесью )чц или на основе кристалла алюмоиттриевого граната с ионами ь)о ~ляется примером четырехуровневой схемы. энергетическом спектре такого типа лазеров между метастабильным уровнем Е, и ,новным уровнем Е, имеется уровень Ез с небольшой заселенностью возбужденными омами. Лазерный переход между уровнями Е, и ) з позволяет генерировать излучение Е,— Е, частотой ч = - . По четырехуровневой схеме работает также ряд лазеров на газо- Ь ~х средах.
эложительиая оброткая связь осушесгвлястся с помощью двух зеркал, образующих ~терферометр Фабри — Перо, который и является оптическим открытым резонатором. резонаторе могут возбуждаться колебания только определенной длины волны и опреленной структуры. Частоты этих колебаний называются резолшлскььчи и соответствуют бственным частотам резонатора. Возникающие колебания имеют опрелеленную сгрук Ру или моду, которая соответствует собственному типу колебаний резонатора (от ланского яооиз — мера, способ). Мода может быль интерпретирована как стационарная нфигурация электромагнитного поля, электрическая сосгавляющая которой может быть зисана в виде: (2.2) Ейгд) = Еь(/1г)ехрфдп), : ьэ — собственная частота резонатора.
зонатор характеризуется доброллюстьсо гф которая представляет собой отношени~ засенной в резонаторе энергии к средней энергии за б,бх периода колебаний. Лоброт сть можно выразить через эффективное время жизни фотонах„~а в моде о-- вынужденном излучении при переходе ансамбля возбужденных атомов хрома с уровня 2 на уровень Еь Лазерный переход Е, -+ Е, позволяет ~ енерировать излучение с частотой Е,— Е, Ь 2. Принципы работы лазера 527 Электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, отражаются и интерферируют между собой. Коэффициент отражения зеркал достаточно высок, так что в пространстве резонатора могут существовать электромагнитные колебания строго определенной длины волны. На поверхности идеально отражающих зеркал (- 100оь) амплитуда световых колебаний должна быть равна нулю.
При этом фаза отраженной волны совпадает с фазой падающей только в том случае, когда длина резонатора т'. = л —, 2 где л — целое число (рис. 2.2). Такая система зеркал называется открытым резонатором, с который резонирует на собственных частотах у = †. В действительности существуют 2Е с ю не резонансные линии, а резонансные полосы шириной 2ту, = — =1,5к10 Гц для резо2т'. натора длиной в 1 м, В пределах спектральной линии активной лазерной среды укладывается от десятка до нескольких тысяч собственных колебаний резонатора1рис. 2,3, а). Такой резонатор называется многочастотным.
Спектр собственных частот лазера определяется собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектральной линии. Одновременно излучение лазера характеризуется поперечным распределением электромагнитного поля — поперечными медлил. Эти колебания называются трансверсальными электромагнитными колебаниями и обозначаются ТЕМ„„,т, где индекс и указывает число полуволн на длине резонатора, а индексы и и л характеризуют число изменений направления поля вдоль осей х и у, соответственно. На рис.
2.3, 6 приведены фотографии трансверсальных мод на зеркалах лазера. Так как величина индекса т) значительно больше индексов тл и л, то индекс д обычно опускается. Мода ТЕМ„ является аксиальной. Остальные колебания представляют собой неаксиальные моды. Рис. 2.2.
Активное вещества в плоском резонаторе и возникновение интерференционнщо усиления волн 3 — зеркала; Ь вЂ” длина резонатора; х — длина волны уснлнввемога излучения (масштаб не соблюден) Для получения сверхкоротких лазерных импульсов используют метод синхронизации мод. С этой целью в импульсных лазерах синхронизация мод осуществляется с помоцкью Часть !11. Квантовая и оптическая электроник 528 помешаемого в реюнатор нелинейного фильтра, который просветляется под воздействи ем излучения.
В лазерах непрерывного действия синхронизация иод осуществляется пт тем модуляции энергетических потерь или фазы поля излучения на частоте, близкой к ~астоте межмодовых биений. В режиме синхронизации мод лазер излучает периодиче. экую последовательность сверхкоротких импульсов с частотой, близкой к межмодовон частоте (100 — 500 мрц).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
