Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 94
Текст из файла (страница 94)
В 50-х годах ХХ нека были созданы устройства, которые позволили усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона на осноне такого вынужденного излучения. Эти устройства получили название мазеров. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Мктотасе АтрЬг гсагюп Ьу 511ти)агег1 Етгзяоп ог" Яайа6оп — усиление микроволн за счет вынужденного излучения. За работы по созданию мазеров советским ученым Н. Г. Басову и А.
М. Прохорову, а также американскому ученому Ч. Х. Таунсу в 1964 году была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году американским физиком Т. Г. Мейманом был создан квантовый прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Щйг АтрЦ1саг1оп Ьу 5г1ти!аге«1 Етгхвюп ог" Яайапоя — усиление света за счет вынужденного излучения). Лазеры также называют оптическими квантовыми генераторами (ОКГ).
497 11.1. Лазерное усиление 11 ° 1 ° Лазерное усиление Е,— Е, ч= И (11.1) Такой переход электронов не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению спонтанного (некогерентного) излучения (переходы 1-3 на рисунке), при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается среднестатистическими параметрами. зверев накзчзи Е„ Пие. 11.1 Одновременно со спонтанными переходами существует вероятность вынужденных переходов из энергетического состояния Е, в Е, (переходы 4 и 5 на рис. 11.1).
Такие переходы называют лазерными. Они связаны с действием вынуждающих фотонов, при этом все активные атомы излучают практически одновременно и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызвали, то есть происходит когерентное (вынужденное) излучение, совпадающее по направлению, частоте, фазе н поляризации с вынуждающим излучением. Вынужденные переходы возникают под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает или близка к частоте перехода, определяемой формулой (9.11).
Следует заметить, что на вынужденный переход не затрачивает- Процесс лазерного усиления упрощенно состоит в следующем. Под воздействием внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход сопровождается испусканием нового фотона, энергия которого равна энергии внешнего фотона. Если создать систему возбужденных атомов и пропускать через нее оптическое излучение, то возможно усиление излучения, которое называется лазерным усилением.
Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее, считая, что за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Е„часть электронов с нижних равновесных уровней Е, перешла на более высокие уровни Е„ а затем оказалась на уровне возбуждения Е, (рис. 11.1).
Возвращение этих электронов с уровня Е, на уровень Е, сопровождается испусканием фотонов с частотой 498 Глава 11. Введение в квантов ю электронику ся энергия внешнего поля, которая является лишь стимулятором процесса. Вы- нужденные переходы (как и спонтанные) носят статистический характер. Помимо спонтанных и вынужденных переходовеуществуют переходы из Е, в бо- лее высокие энергетические состояния, сопровождающиеся поглощением энергии (переход 6 на рисунке). Лазерное усиление возможно лишь в том случае, если число вынужденных переходов больше числа спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Определим условия, при которых возможно лазерное усиление.
Количество вынужденных переходов за время ог приближенно можно выразить в виде (11.2) и = Вн~ Фгбт, где „— вероятность вынужденного перехода; Я,„„— энергия вынуждающего излучения; Фг — концентрация атомов в энергетическом состоянии Е,. Количество спонтанных переходов от вынуждающего излучения пе зависит и приближенно равно и, „= -Ан Жгет, (11В) где -А„— вероятность спонтанного перехода. Квантовые переходы с уровня Е, на уровень Ег сопровождаются поглощением энергии вынуждающего излучения. Их количество равно л„, = — Вн Д,„„Ф,Ьг, (11.4) где „— вероятность квантового перехода с поглощением энергии; М, — концентрация атомов в энергетическом состоянии Ег Полагая в первом приближении равенство вероятностей В, = В, = В, получим ус- ловие лазерного усиления в виде В(Мг — )1Г~) Я Аг!юг ~ О. (11.5) При малом уровне спонтанного излучения условие лазерного усиления принимает вид Хг — Ф, > О.
(11.6) В равновесном состоянии распределение атомов по различным энергетическим состояниям подчиняется статистике Максвелла †Больцма -(Š— Е ) 7т' =Фехр г 1 7гт (11.7) При этом Жг — Ю, < О, и лазерное усиление невозможно. Для того чтобы выполнялось условие (11.6), необходимо осуществить предварительное внешнее воздействие (накачку), приводящее к увеличению Ф,. Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которым понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В состоянии термодинамического равно- 499 11.2.
Генерация излучения весия населенность верхнего уровня меньше, чем нижнего (Мг < гч',). Для того чтобы получить усиление, необходимо выполнить условие 7«г > )ч» Такое состояние называют состоянием с инверсией населенностей уровней. Формально это состояние возможно при отрицательной температуре (Т < О), Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой. Таким образом, для усиления вынужденного излучения необходимо, во-первых, осуществить инверсию населенностей и, во-вторых, подавить спонтанное излучение, Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии. Принцип лазерного усиления в рубиновом стержне схематически показан на рис.
11.2. Возбужденный внешним воздействием атом излучает фотон, который, достигнув другого возбужденного атома, вызывает появление нового фотона. Затем два фотона превращаются в четыре и т. д. В результате вдоль оси стержня возникает лавина фотонов, в которой все фотоны «шагают в ногу» с одинаковой частотой и фазой. Лавина катится вдоль стержня, становясь все мощнее за счет новых фотонов, захваченных по пути, и, достигнув торца стержня, излучается в виде очень тонкого светового луча с расходимостью около 0,003'. 11.2. Генерация излучения Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС).
Параметры звена обратной связи выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи. В лазере в качестве звена ПОС используют оптические резонаторы, которые в простейшем случае состоят из двух зеркал, расположенных на торцах стержня (рис.
11.3). Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. Фотоны, направление движения которых образует малые углы с осью стержня, после многократных отражений от зеркал приобретают энергию достаточную для того, чтобы через полупрозрачное зеркало покинуть стержень в виде узкого луча.
Фотоны, направление движения которых не совпадает с осью стержня, выходят из него через боковые поверхности. Излучение лазеров имеет ряд замечательных особенностей. Во-первых, энергия излучается в виде узкого пучка, который легко фокусируется на площадку размером Х' (Մ— длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс с длиной волны порядка 0,7 мкм, то есть имеет мощность около 1 кВт, то интенсивность сфокусированного лазерного пуч- 500 Глава 11. Введение в квантовую электроник ка достигает значения порядка 10н Вт/см'.
Практически достижимая интенсивность сфокусированного лазерного пучка может достигать 10" Вт/см'. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что материалы, освещенные лазером, могут нагреваться. Благодаря этому лазеры нашли применение в промышленности, науке и технике. Лучом лазера можно выполнять точную обработку деталей, прожигать в материале отверстия с точностью до долей микрометра, осуществлять точечную сварку, испарять часть поверхностного слоя или часть пленки, что широко используется в микроэлектронике, Те же свойства лазерного луча нашли применение в хирургии, Мощные лазеры используются для бурения нефтяных скважин и в военной технике, Концентрация энергии современных лазеров достаточна для того, чтобы на расстоянии сотен километров прожигать броню танков, корпуса ракет, фюзеляжи самолетов.
Рис. 11.3 Второй особенностью лазерного излучения является высокая монохроматнчность, то есть практически лазер излучает одну-единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Поэтому лазер можно использовать в качестве стандарта частоты, отклонение которой от номинала не превышает х10 ' Гц. Монохроматичность и когерентность лазерных излучений сделали их незаменимым средством для точного измерения времени и частот, а высокая концентрированность и направленность лазерного луча обеспечивают возможность измерения расстояний, перемещений и размеров. 501 11.3. Основные разновидности лазеров Исключительно важной областью применения лазерного излучения является связь.
На земле связь осушествляется по световодам, которые представляют собой кабели из специального стекла или прозрачной пластмассы. Эти вещества обладают высокой прозрачностью и вызывают очень малое затухание лазерного луча. Кроме устройств связи лазерное излучение используют в локаторах, имеющих более высокую точность, нежели радиолокаторы, и для осуществления связи с космическими объектами.
На применении лазерного излучения основана голография — область науки и техники, занимающаяся получением объемных изображений, а также оптической обработкой и хранением информации. Лазерные методы используются также для высококачественной звукозаписи и видеозаписи. Ведется разработка систем голографического телевидения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
