yavor2 (553175), страница 77
Текст из файла (страница 77)
5. Оценим коэффициент поглощения «» некоторой среды, не предполагая специально, что она является усиливающей, Коэффициент поглощения а в условиях, когда спонтанное излучение несущественно, должен определяться двумя противоположными процессами — поглощением и индуцированным излучением. Рассмотрим два энергетических уровня ! и 2 атомов (или молекул) среды, между которыми, согласно Эйнштейну, возможны три типа оптических процессов; спонтанное излучение, поглощение и вынужденное (стимулнрованное) излучение (рнс. ?9.5).
Предположим для простоты, что процессами спонтанного излучения, при которых возбуж- а1 эг денные атомы самопроизвольно переха- ~ м«» 'а ф дят в нормальное состояние, можно пре- $ небречь. Ниже мы выясним, при каких условиях это возможно. Число актов ~~ ~ц ч поглощения фотонов пропорционально ~ 'а« числу атомов У, в единице объема, нахо- I дящихся на нижнем энергетическом Рис. 79.5. уровне 4',. Число актов индуцированного излучения пропорционально концентрации атомов У, на верхнем энергетическом уровне й'«. Коэффициент пропорциональности в обоих случаях, как это строго доказывается, один и тот же. Коэффициент поглощения и в формуле (79.6) пропорционален разности между числом актов поглощения и вынужденного излучения: а = й(У,— №), (79.?) где !«) 0 — коэффициент пропорциональности.
9 79.4. Оптические квантовые генераторы 1. Обычно в состоянии термодинамического равновесия системы число атомов У, на возбужденном уровне 2 меньше числа атомов У, на более низком уровне ?, т. е. У«/У,(1. Поэтому в состоянии равновесия сс О. Это значит, что число актов обычного (положительного) поглощения превышает число переходов, сопровождающихся отрицательным поглощением, т. е. иидуцированным излучением. Однако нз (79.7) следует, что могут существовать такие среды, в которых коэффициент поглощения с«будет отриишпсльным (с«( 0).
Для получения среды с отрицательным поглощением необходимо создать нераеновесное состояние системы, при котором число атомов У, на возбужденном уровне было бы больше, чем число атомов У, в нормальном состоянии, т. е. У,!У,) 1. Такие состояния принято называть инверсиьсми (обращенны»«и) соспюяниями. Слово «инверсия» означает переворачивание (от латинского )пчегз(о). Смысл термина состоит в том, что в таком неравновесном состоянии имеется «обращенное» распределение атомов по энергетическим состояниям: на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем.
2. Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Наиболее естественной представляется оптическая накачка среды, при которой атомы переводятся с нижнего уровня 1 на верхний возбужденный уровень 2 облучением светом такой частоты т, что дт =- 4'„— 4',. Если усиливающая среда является газообразной, то перевод атомов на верхний энергетический уровень возможен при неупругих столкновениях атомов с электронами в газовом разряде (электрическая накачка).
Однако такие методы перевода атомов с нижнего уровня иа верхний не приводят к инверсной заселенности атомов по уровням. За счет спонтанного излучения атомов, находящихся на возбужденных уровнях весьма малое время (9 72.8), а также за счет столкновений атомов с электронами, при которых возбужденные атомы отдают электронам свою энергию и переходят на нижние уровни, заселенность атомами верхних уровней будет меньше, чем нижних.
Зтот общий результат показывает, что использование двух ф уровней 1 и 2 ие эффективно для с~ Ф~, А получения инверсной заселенности. Существо метода, предложен- Ч и ного В. А. Фабрикантом Я 72.9), состояло в том, чтобы с помощью м ,„66 ьз специальных молекулярных при. 6 Ф ~~ъ | месей избирательно разрушить ~ааааа некоторые нижние энергетические Ф уровни и таким образом осущест- вить более высокую заселенность Рис. 79.6, атомами верхних энергетических уровней по сравнению с нижними. В мазере, созданном Н.
Г. Басовым и А. М. Прохоровым и, независимо от них, Таунсом, молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне, удалялись с помощью специально созданного неоднородного электрического поля. Другим методом получения инверсной заселенности является применение вспомогательного излучения, которое создает избыточную, по сравнению с равновесной, концентрацию атомов (или других частиц) на верхних энергетических уровнях. 3. Практическое осуществление инверсной заселенности уровней в оптических квантовых генераторах производится по трехуровневой схеме, предложенной Н. Г. Басовым и А.М.
Прохоровым в 1955 г. Один из первых генераторов когерентного света, работающих по схеме трех уровней с твердым телом в качестве активной, усиливающей среды, был создан в 1960 г. Усиливающей средой являлся 346 Рис. 79.7 347 кристалл рубина, представляющий собой по химическому составу окись алюминия А1«0, с примесью окиси хрома Сг,О, в количестве от 0,03 до 0,05«А. Прн этом в кристаллической решетке окиси алюминия определенная часть атомов А1 заменена ионами Сг'+.
Активным веществом, в котором осуществляются вынужденные переходы, являются в рубине ионы хрома Сг". Энергетическая схема уровней Сг " (рпс. 79.6) содержит ближайшие к основному уровню С две широкие энергетические полосы А и двойной уровень В, переходы с которого на основной уровень С соответствуют длинам волн красного света 6927 А и 6943 Л. Существенно наличие трех уровней А, В и С. При интенсивном облучении рубина зеленым светом мощной импульсной лампы, наполненной неоном и криптоном (лампы накачки), пропсходит переход ионов хрома на уровни широкой полосы А, откуда наиболее вероятным является безызлучательный переход ионов на двойной уровень В с передачей избытка энергии кристаллической решетке рубина.
Таким образом можно создать условия, при которых населенность ионами двойного уровня В будет превышать населенность основного уровня С. Следовательно, уровни В и С будут заселены инверсно. Это позволяет получить оптический генератор на линиях 6927 и 6943 Л. Возникновению инверсии уровней В и С способствует малая вероятность спонтанных переходов 7«е « уе Еееереее ионов хрома с уровня В на уро- иееу«ееие вень С. Ее В одном из газовых оптических квантовых генераторов усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия 7 с неоном.
За счет соударений с электронами атомы гелия переходят в возбужденное состояние 4',. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона, близко расположенных к соответствующему уровню гелия. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних уровней 4', сопровождается излучением. На рис. 79.7 изображена упрощенная трехуровневая энергетическая диаграмма такого лазера.
Лавинообразное нарастание интенсивности света в усиливающей, активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электромагнитных волн. Принцип подобного усиления был сформулирован в 1951 г. В. А. Фабрикантом, М. М. Вудынским н Ф. А. Бутаевой. 4. Эффект усиления света, основанный на индуцированных переходах, можно увеличить путем многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой «уснливающейэ среды. Например, это может быть достигнуто путем помещения слоя среды с отрицательным поглощением (кювета с газом или кристалл) между двумя достаточно плоскими зеркалами, установленными параллельно друг другу.
Чаще зеркала делаются вогнутыми. Принципиальная схема ОКГ изображена на рис. 79.8. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных накачкой атомов среды, является «затравкой» процесса генерации света. Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кюветы или кристалла. Он рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении (рис. 79.9, а). Часть этой лавины частично пройдет через СПЛОЛ7НЕЕ Полупразрачное еерлалл Апупиднпл среда Рас, 79.9.
полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть отразится и будет нарастать в активной среде 1 (рис. 79.9, б). Когда лавина фотонов дойдет до сплошного зеркала 2, она частично поглотится, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов вновь будет двигаться так же, как и первоначальный, «затравочный» фотон (рис. 79.9, в). Таким образом, с помощью вера) кал в ОКГ реализуется положи» о тельная обратная связь, необходимая во всяком генераторе для 2 7 ,У того, чтобы был обеспечен режим генерации (9 52.1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
