Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Рост мощности излучения соответствует большейкомпенсации потерь, росту добротности и уменьшению ширины линии излучения. Если∆νp=l МГц, ν0=5·1014 Гц, Р=1 мВт, то δνтеор≈10-2 Гц, а отношение δ νтеор/ν0 ≈2·10-17. Такимобразом, теоретическое значение ширины линии излучения оказывается чрезвычайномалым, на много порядков меньше ширины резонансных кривых ∆νp.
Однако в реальныхусловиях из-за акустических воздействий и колебаний температуры наблюдаетсянестабильность размеров резонатора, приводящая к нестабильности собственных частотрезонатора и, следовательно, частот линий лазерного излучения. Поэтому реальная(техническая) ширина линии излучения, учитывающая эту нестабильность, можетдостигать δν=104–105 Гц.Степень монохроматичности излучения лазера можно оценивать по ширине линиилазерного излучения и по ширине огибающей спектра лазерного излучения, содержащегонесколько линий излучения (см. рис.
15.10,г). Пусть ∆ν=104 Гц, ν0=5·1014 Гц, а ширинаогибающей спектра δo.c.=300 МГц. Тогда степень монохроматичности по одной линиисоставит δν/ν0≈2·10-11, а по огибающей δν/ν0≈6·10-7. Достоинством лазеров являетсявысокая монохроматичность излучения, особенно по одной линии излучения, или водночастотном режиме работы214§ 15.4. Когерентность, монохроматичность и направленность лазерногоизлученияВ применении к оптическим колебаниям когерентность характеризует связь(корреляцию) между фазами световых колебаний. Различают временную ипространственную когерентность, с которыми в лазерах связаны монохроматичности инаправленности излучения.В общем случае, когда исследуется корреляция полей излучения в двух точках пространствасоответственно в моменты времени, смещенные на некоторую величину τ, используется понятиефункции взаимной когерентностигде r1 и r2 — радиус-вектор первой и второй точки; Е1(r1,t+τ) и E*2(r2, t) —комплексное икомплексно-сопряженное значения напряженности поля в этих точках.
Нормированнаяфункция взаимной когерентности характеризует степень когерентности:где I( r 1 ) и I(r 2 )—интенсивность излучения в выбранных точках. Модуль γ12(τ) изменяется отнуля до единицы. При ⎢γ12τ⎪=0 когерентность отсутствует, в случае |γ12 (τ)|=l имеется полнаякогерентностьВременная когерентность и монохроматичность излучения. Временнойкогерентностью называют корреляцию между значениями поля в одной точкепространства в моменты времени, отличающиеся на некоторую величину τ. В этом случаерадиус-векторы r1 и r2 в определении функции взаимной когерентности Г12(r1,r2,τ) и функцииγ12(τ) оказываются равными, функция взаимной когерентности превращается в функциюавтокорреляции, а нормированная функция — в функцию γ11(τ), характеризующую степеньвременной когерентности.Ранее отмечалось, что при спонтанных переходах атом излучает цуги колебаний, которые несвязаны друг с другом (рис.
15.13). Корреляция колебаний в одной точке пространства будетнаблюдаться только в интервале времени, меньшем длительности цуга. Этот интервалназывают временем когерентности, и его принимают равным времени жизни по спонтаннымпереходам т.
Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называют длинойкогерентности £. При τ ≈10-8 с £=cτ=300 см. Длина когерентности может быть выражена ичерез ширину спектральной линии ∆ν. Так как ∆ν≈1/τ, то £≈c/∆ν.Временная когерентность и монохроматичность связаны между собой. Количественномонохроматичность определяется степенью монохроматичности ∆ν/ν0 (см.
§ 15.3). Чем вышестепень временной когерентности, т. е. чем больше время когерентности, тем меньше частотныйспектр ∆ν, занимаемый излучением, и лучше монохроматичность. В пределе при полнойвременной когерентности (τ→ ∞) излучение стало бы полностью монохроматичным (∆ν→ 0).Рассмотрим временную когерентность лазерного излучения. Предположим, что некотораячастица активной среды излучила квант, который представим в виде цуга колебаний (см. рис.15.13). При взаимодействии цуга с другой частицей появится новый цуг, фаза колебанийкоторого из-за природы вынужденных переходов совпадает с фазой колебаний исходногоцуга.
Этот процесс многократно повторяется, при этом корреляция фазы сохраняется.Результирующее колебание можно рассматривать как цуг с длительностью значительнобольшей длительности τ исходного цуга. Таким образом, происходит увеличение временикогерентности, т. е. улучшается временная когерентность и монохроматичность излучения.215В связи с этим рассмотрением становится очевидным, что оптический резонатор повышаетвременную когерентность лазерного излучения, так как он обеспечивает многократноепрохождение цугов через активную среду.
Последнее эквивалентно увеличению временижизни излучателей, повышению временной когерентности и уменьшению ширины линиилазерного излучения, рассмотренного в § 15.3.Время когерентности излучения лазера можно определитьчерез техническую ширину линии лазерного излучения δν. поформуле τ=1/2πδν.. При δν=103 Гц время когерентностисоставляет τ =1,5·10-4 с. Длина когерентности в этом случаеL=cτ=45 км. Таким образом, время когерентности и длинакогерентности в лазерах на много порядков больше, чем вРис.15.13обычных источниках света.Пространственная когерентность и направленность излучения, Пространственнойкогерентностью называют корреляцию между значениями поля в двух точках пространства водин и тот же момент времени. В этом случае в формулы для функции взаимнойкогерентности Г12(r1,r2,τ) и нормированной функции когерентности γ12(τ) следуетподставлять τ=0. Функция γ12 (0) характеризует степень пространственной когерентности.Излучение точечного источника всегда пространственно-когерентно.
Степеньпространственной когерентности протяженного источника зависит от его размеров и отрасстояния между ним и точками наблюдения. Из оптики известно, что чем большеразмер источника, тем меньше угол, в пределах которого излучение можно считатьпространственно-когерентным. Световая волна, обладающая наилучшей пространственнойкогерентностью, должна иметь плоский фронт.В лазерах излучение имеет высокую направленность (плоский фронт), определяемуюсвойствами оптического резонатора. Условие самовозбуждения выполняется только дляопределенного направления в резонаторе для оптической оси или направлений, близких кнему.
В результате очень большого числа отражений от зеркал излучение проходитбольшой путь, что эквивалентно увеличению расстояния между источником и точкойнаблюдения. Этот путь соответствует длине когерентности и может составлять десяткикилометров у газовых лазеров. Высокая направленность излучения лазеров определяет ивысокую пространственную когерентность. Существенно, что эффект увеличениярасстояния в лазере сопровождается увеличением мощности излучения из-за его усиления вактивной среде, тогда как в обычных источниках улучшение пространственнойкогерентности связано с потерей интенсивности света.Высокая степень временной когерентности излучения определяет применение лазеров всистемах передачи информации, измерения расстояний и угловых скоростей, в квантовыхстандартах частоты.
Высокая степень пространственной когерентности (направленности)позволяет эффективно передавать световую энергию и фокусировать световой поток впятно очень малого размера, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получитьгромадные значения плотности энергии, напряженности поля и светового давления,необходимые для научных исследований и различных технических применений.216§ 15.5. Газовые лазерыГелий-неоновый атомарный лазер.
П р и н ц и п р а б о т ы. Наибольшеераспространение из газовых лазеров получил гелий-неоновый лазер. Рабочей средой внем служит смесь двух газов — гелия и неона, а лазерными уровнями — энергетическиеуровни возбужденных атомов неона. Лазеры, в которых используют уровнивозбужденных атомов, называют атомарными. Упрощенная диаграмма нижнихэнергетических уровней гелия и неона для одного из используемых режимов генерацииприведена на рис.
15.14. Возбужденному уровню 5 атома гелия соответствует энергия ~20эВ. Оптические спонтанные переходы из состояния 5 в основное 1 оказываютсязапрещенными. Следовательно, состояние 5 имеет большое время жизни по спонтаннымпереходам, т. е. является метастабильным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
