yavor2 (553175), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь — — $ полупрозрачноезеркало, создает =о ' Й- строго направленный пучок лу- У ,у чей света огромной яркости. 5. Для того чтобы в ОКГ нарастала лавина фотонов (самовозбуждение генератора), необходимо, чтобы усиление, которое создается на пути фотонов между двумя последовательными отражениями от зеркала 2, по крайней мере компенсировало потери фотонов при отражении от зеркал. Количественной мерой усиления света в ОКГ на пути Е фотонов может быть выбрана величина, равная К = — 7П» =- е"- » ). г Рис. 79.9. *) В формуле (79.6) полом«но 9-= — а. 3«в Здесь (.
— длина активной среды между зеркаламьь Между дауа я отражениями фотоны проходят путь 2(., поэтому усиление определяетсн величиной е':"'. Для того чтобы учесть потери фотонов в зеркалах, обозначим через г, и г, коэффициенты отражения света от зеркал 2 и 8 (рис. 79.9). Общие потери фотонов, отражающихся последовательно от обоих зеркал, пропорциональны произведению г,га С учетом потерь в зеркалах усиление ОКГ можно записать в более общем виде: (79.8) К' = (ч( =- еаас г г .
а а»' Из формулы (79.8) можно найти условие, при котором потери в зеркалах компенсируются усилением среды и поэтому l =-. 7„т. е. К'--1: (79. 9) еаа~г г =-1. а а Логарифмируя условие (79.9), получим величину коэффициента отрицательного поглощения () в лазере: — — 1п (гаг,). ь (79. 1О) Формула (79.10) используется для определения минимальной (пороговои) мощности накачки, которая необходима для усиления света в генераторе. Очевидно, что если увеличить мощность ьшкачки так, чтобы процессы генерации света превышали потери в зеркалах, то в ОКГ будет нарастать лавина фотонов и яркость луча, вышедшего из генератора, будет увеличиваться. Однако в ОКГ невозможно беспредельное возрастание усиления света.
По мере роста усиления возрастает спонтанное излучение атомов, находящихся на верхних «рабочих энергетических уровнях» генератора. Зто приводит к уменьшению инверсии в заселении верхних энергетических уровней и уменьшению числа индуцированных переходов — усиление уменьшается и замедляется нарастание лавины фотонов. Описанное явление называется насын(енаем в оптическом квантовом генераторе. 6. До сих пор прн анализе условий усиления света в ОКГ мы не учитывали, что индуцированное излучение в генераторе является когерентным первоначальному, «затравочному» излучению. Волновые свойства света приводят к некоторым дополнительным условиям, при которых осуществляетси режим генерации. На волновом языке процесс усиления света в ОКГ означает непрерывное и значительное возрастание амплитуды световой волны. Но для этого необходимо, чтобы волна, возвратившаяся в некоторую точку активной среды после отражении от зеркал, имела бы в этой точке фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе отражений от зеркал.
Зто накладывает определенное условие на зависимость между длиной волны Х и длиной 7. активной среды. Длина пути, который проходит волна между двумя отражениями, должна 349 составлять целое число длин волн: 21.=-л) или й=п —,, где п=-1, 2, ... (79.11) х Тогда при сложении амплитуд первичной и всех вторичных волн будет резко возрастать амплитуда результирующей волны. Если выполнено условие (79.11), то волны, которые при каждом отражении выходят из генератора через зеркало 3 (рис. 79.9), когерентиы между собой.
Разность фаз двух последовательно вышедших волн сос2п тавляет Лф = 2п — и определяется разностью оптического хода 27. Ц 57.5). Лучи, которые вырываются из ОКГ, являются результатом интерференции многих когерентных волн, имеющих разность фаз, кратную 2п, Зто обеспечивает наибольшую результирующую амплитуду и наибольшую интенсивность света, полученного в лазере. Как известно (Я 57.6, 61.7), при интерференции многих когерентных волн интерференционные максимумы интенсивности получаются очень узкими, резкими. Если условие (79.1!) будет нарушено, то волны перестанут быть когерентными п их интерференция окажется невозможной.
7. Уравнение (79.11) является фазовым условием, выполнение которого так же необходимо для процесса генерации света в ОКГ, как и условие компенсации потерь (79.9). Из уравнения (79.11) следует, что если рассматривать пространство между двумя зеркалами в ОКГ как некоторый зеркальный резонатор, то на длине 7. резонатора должно укладываться некоторое целое число и стоячих полу- волн (9 57.2) Таким образом, уравнение (79.11) есть одновременно условие резонанса между электромагнитной волной и зеркальным резонатором. Из уравнения (79.!1) можно найти частоты, которые генерируются в ОКГ. Используя связь частоты с длиной волны ), = в(я и подставив в (79.11), имеем ч„= ис'2ь'. (79.12) Каждому значению п соответствует определенная частота т„. Кроме того, частоты, генерируемые в ОКГ, должны одновременно удовлетворять боровскому правилу частот Я 71А), которое связывает частоту с разностью энергетических уровней атомов активной среды генератора.
Необходимость одновременного выполнения уравнения (79.12) и условия частот Бора на первый взгляд очень усложняет практическое создание ОКГ. В самом деле, это предъявляет очень высокие требования к точности, с которой должно быть задано расстояние 7., чтобы сохранялась когерентность интерферирующих волн. Однако в действительности ситуация оказывается не такой безнадежной.
Выручает то, что правило частот Бора выполняется с точностью до коиечнои ширины энергетических уровней атома (ч 72.8), а также то, что существует ряд причин уширения спектральных линий, в первую очередь за счет эффекта Допплера. 8. Мы не можем входить в детальное обсуждение вопроса о ширине спектральных линий, излучаемых в ОКГ. Можно показать, что спектр, излучаемый ОКГ, состоит из ряда очень узких линий, частоты которых, как это видно нз (79.12), отстоят друг от друга на Лт = с!21.. Для газового лазера при 7. = !О' см Лч составляет 150 МГц.
Замечательно, что ширина спектральных линий для газового ОКГ значительно меньше, чем естественная ширина спектральной линии, связанная с конечным временем жизни атомов в возбужденном состоянии (з 72.8). Создание лазеров позволило значительно продвинуться вперед в решении задачи о получении строго монохроматического света. Высокая степень монохроматичности света, получаемого в лазерах, означает, что имеется значительно большая, чем обычно в оптике (на несколько порядков), длительность непрерывного цуга волн, испускаемых ОКГ. Следовательно, пространственная протяженность, длина непрерывного цуга волн„испускаемого лазером, также значительно превосходит длину цуга в обычной оптике. Последнее обстоятельство снимает то ограничение, которое накладывается обычно в оптике на проведение опытов по интерференции,— требование малой разности оптического хода лучей. С лучом лазера можно производить опыты по интерференции прп громадных разностях хода, порядка десятков метров и более.
9. Одной из замечательных особенностей лучей, получаемых в ОКГ, является их острая направленность, малое расхождение пучка лучей по углам. Это связано с механизмом процессов индуцированного из.чучения, лежащих в основе действия лазеров. Дело в том, что чзатравочный» фотон, необходимый для генерации света в лазере, должен лететь параллельно оси резонатора.
Фотон, летящий «вбок», под углом к оси резонатора, создаст лавину фотонов, которая после небольшого числа отражений выйдет из активной среды и не будет участвовать в процессе усиления (рис. 79.9, а). В генерации и усилении света участвуют только фотоны, летящие параллельно оси резонатора. Поэтому луч, вышедший из генератора, имеет острую направленность. Однако волновые свойства света не позволяют получить угол расхождения лучей, равный нулю. Явление дифракции света (9 62.1) определяет нижний угловой предел 0„„, для расхождения лучей ОКГ. Угол расхождения лучей не может быть меньше угла дифракции на круглом экране, имеющем диаметр Р: (79.
13) 0„„,))!Р, где Р— диаметр зеркала в оптическом квантовом генераторе. 0„„» имеет порядок величины 10-' — 1О-' радиан. В газовых лазерах угловое расхождение лучей достигает такой величины. 10. В силу высокой когерентности и острой направленности лучей ОКГ они с большой эффективностью могут использоваться для связи, локации, получения очень высоких температур в малых обье- 351 мах и т. д. При ширине полосы излучения в 1 Л на длине волны в 1 мкм теоретически можно осуществить передачу 10 000 радиопрограмм. С помощью современных ОКГ можно осуществить связь на громадных расстояниях астрономического порядка. Излучением ОКГ можно пробивать мельчайшие отверстия в самых твердых веществах, например в алмазе, осуществлять сварку микродеталей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
