belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 94
Текст из файла (страница 94)
А вот принципиальным моментом в работе лазеров является то, что возбужденные атомы излучают когерентно. Эта особенность лазеров обусловлена различием физической природы спонтанного и индуцированного излучений. При спонтанном испускании частота фотона может быть произво,пьной в пределах контура спектральной линии, ширина которого определяется только шириной энергетических уровней, между которыми происходит лазерный переход.
Произвольно также направление распространения фотона и фаза. В отличие от спонтанного излучения, цри вынужденном испускании фотоны полностью тождественны фотонам, воздействующим па систему возбужденных атомов. Дело в том, что под действием пришедшей электромагнитной волны электрон, находящийся в возбужденном состоянии, начинает колебаться строго с часхотой внешнего поля и в той же фазе. Поэтому, если воздействующая электромагнитная волна монохроматична, то ипдуцировапно 646 ГЛ.
6. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ИЗЛУ'ЬЕНИЯ чего испускаемая волна будет тоже монохроматической и иметь ту же частоту и те же направления распространения и поляризации. Особенности вынужденного испускания позволяют генерировать когерентпое излучение. Псьрвоисточником является процесс споььтанного излучения, причем наибольшее число фотонов будет испущено, конечно, на резонансной частоте, т. е.
частоте, соответствующей разности энергий между атомными уровнями. Далее в игру вступает индуциро- 3 ванный процесс, вероятность которого тоже Заселение максимальна на частоте перехода. е Рассмотрим, каким образом можно создать « 2 активную среду. В простейшем варианте ак- Рабочий тивная среда представляет собой трехуровне- Х иеРсхол вую систему (см. рис. 6.4) основной 1, возбужденный 3 и метастабильный 2.
Внешнее излучение («накачка») переводит атомы из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3. Из этого состояния атомы частично возвращаются в основное состояние, а частично переходят в метастабильное состояние 2. В этом состоянии они накапливаются, пока пе возникнет индуцированпое излучение. Чтобы свет источника «накачки» использовался эффективно, нужно, чтобы уровень, на который производится накачка (на рис. 6.4 это уровень 3) был достаточно широким, а значит„короткоживущим. Уровень 2, наоборот, должен быть долгоживущим, чтобы спонтанное излучение с этого уровня не могло конкурировагь с индуцированным.
Газоразрядььая трубка «световой накачки», обвивающая рабочий объем лазера., создаст мощный поток фотонов, возбуждающих атомы рабочего вещества. Заметим, что никакое накопление возбужденных атомов во втором возбужденном состоянии невозможно. То самое излучение, которое переводит атомы из основного в возбужденное состояние (состояние 3 на рис. 6.4), вызывает ипдуцированное излучение этих атомов и их ускоренный переход в основное состояние. В процессе возбуждения часть атомов, однако, высвечивается из второго в первое возбужденное ссктояпие и там накапливаотся. Выше мы показали, что в активной среде происходит усиление падающего света.
Однако, чтобы превратить усилитель в генератор когерентных колебаний, необходимо создать положительнуьо обратную связь. В лазере обратную связь обычно получают, помещая активную среду между двумя параллельными зеркалами, имеющими высокий коэффициент отражения. Два параллельных зеркала образуют оптическую резонансную сис сему, называемую открытым резонатором. Фактически открытый резонатор является разновидностью интерферометра Фабри Перо. Отличительной особенностью открытого резонатора является то, что для осевых пучков его добротность оказывается очень высокой, потери обусловлены только дифракцией па краях зеркала. Эти потери очень малы и добротность открытого резоььатора может достигать огромной величины порядка 10 .
Для всех наклонных к оси открытого резонатора световых пучков добротность оказывается малой, так как через несколько отражений наклонные лучи уходят через открытую боковую поверхность. Таким образом, открытый резонатор осуществляет одновременно как частотную фильтрацию излучения (в силу высокой добротности колебаний), так и простран- 6.3. ВЫНУЖДЕННОЕ И СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ. ЛАЗЕРЫ 347 ственную фильтрацию (высокую добротность имеют строго осевые пучки).
Излучаемая волна отражается от зеркал, опять возвращается в активное вещество, вновь вызывая индуцированные переходы. Атомы в метастабильном состоянии как бы ждут лишь того момента, когда «нужные» фотоны «приказыва7от» им излучать свет. В качестве примера лазера, работающего по трехуровневой схеме, рассмотрим лазер на кристалле рубина. Рубином называется кристалл корунда А1303, в котором часть ионов алюминия заменена ионами хрома ( 0,05 %).
Именно хром придает корунду красную окраску и его ионы играют основную роль в работе лазера. Корупд это диэлектрик с широкой запрещенной зоной между валептной зоной и зоной проводиимости (см. 3 5.9). Энергетические уровни хрома в корупде образуют две узкие полосы Ез и Ел примеспых состояний, лежащие в запрещенной зоне (см. рис. 6.5). При оптической накачке атомы хрома переходят из основного состояния Е7 в возбужденное энергетические полосы Ет и Еи (длины волн этих переходов расположены в зеленой и синей частях спектра видимого света). Благодаря значительной ширине этих полос примерно 10 15 % лучистой энергии лампы-вспышки передается возбужденным атомам хрома. Рубин Импульсиаи лампа Источник Охладитсль питания Охладитсль Рис.
6.5 Спонтанный возврат атомов хрома на исходный уровень (он показан штриховой линией на рис. 6.5) менее вероятен, чем переход на расположенные ниже по энергии узкие метастабильные уровни Ез, и Езб. Время жизни атома в этих состояниях составляет около 10 с, что очень велико по атомным — 3 масштабам. Это способствует быстрому созданию инверсной заселенности уровней рабочего перехода Ез — ь Еп Более интенсивной является линия с длиной волны Л = 694,3 нм (с уровня Ев ), именно она и усиливается при работе лазера. Зеркалами оптического резонатора могут служить либо хорошо отполированные и покрытые отражающим слоем торцы самого кристалла либо специально изготовленные зеркала, расположенные впе кристалла.
Одно (а иногда и оба) из зеркал делают частично прозрачным. Через него световые кванты выходят из прибора, образуя лазерный луч, как это показано на рис. 6.5. Резонатор обладает свойством не только накапливать фотоны, излучаемые активной средой, но и осуществлять синхронизацию волн определенных частот. Для сипфазности излучения надо, чтобы фаза соответствующей волны частоты и за один усилительный цикл (один проход от одного зеркала до другого и обратно) менялась на число, кратное 277.
В терминах длин волн Гл. а кВАнтОВАя те()Рия излучения 346 это условие соответствует тому, что на длине резонатора должно уклады- ваться целое число полуволн. При двойном проходе через резонатор длины Л это соответствует условию 25 = тгЛ = —. (6.50) Здесь с --.
скорость света в веществе, если кристалл занимает весь объем резонатора. Из этого условия следует, что резонансными частотами открытого резонатора являются тгс ш„= — и. ь" (6.51) Рис. 6.6 В силу высокой добротности открытого резонатора, ширина его резонансных частот надрез оказывается много меньшей естественной ширишя лазерного перехода Ьозеез Поэтому резонатор как бы «выбирает» из всего испускаемого диапазона частот лишь дискретные линии, и монохроматичность излучения определяется не естественной шириной, а добротностью резонатора с активной средой (рис.
6.6). Чем больше число активных атомов, тем, естественно, выше генерируемая лаПродольные молы зером мощность. Наибольшая плотность открытого резонатора атомов в твердом теле, однако при этом возникают трудности с отводом тепла, возможен перегрев кристалла. Поэтому, как правило, все твердотельные лазеры работают не в непрерывном, а в импульсном режиме, что обусловлено быстро наступающим перегревом кристалла. Лампы-вспышки создают длинный световой импульс, продолжающийся около миллисекунды. Нарастание и прекращение лазерного импульса происходит намного быстрее. Поэтому за время работы лампы-вспышки успевает родиты:я множество бьк:тро следующих друг за другом лазерных импульсов.
Эти импульсы могут заметно отличаться друг от друга не только по амплитуде, по и по фазе, поэтому монохроматичность излучения не очень высока, но очень велика мощность излучения, ибо в кристалле очень много активных атомов. В рубиновом лазере длиной 20 см и диаметром 1,5 см энергия излучения составляет 1 — 2 Дж (мощпость излучения до 200 МВт). Сфокусированяый луч твердотельного лазера легко разрезает металлические листы толщиной 1 — 2 мм, и поэтому опи достаточно широко используются в технологических целях. Под действием мопщого лазерного импульса вначале металл плавится, а затем в его нарах происходит электрический пробой явление, также широко используемое в прикладных целях.
6.3. ВЫНУЖДЕННОЕ И СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ. ЛАЗЕРЫ Современные твердотельные лазеры обладают столь большой импульсной мощностью, что под действием излучения может даже происходить пробой воздуха, как это видно из приведенной на рис. 6.7 фотографии. Видно, что следующие друг за другом короткие импульсы света из мощного неодимового лазера образуют в воздухе светящуюся цепочку. Рассмотрим теперь работу газового гелий-неонового лазера. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, их мощность достигает 100 мВт., они обладают высокой монохроматичностью, достаточно просты в изготовлении и нашли очень широкое распространение.
Лазер представляет собой наполненную смесью Не и Ке стеклянную трубку, в которой имеются электроды, служащие для поддержания газового разряда. Возбуждение атомов происходит в результате столкновений их с электронами газоразрядной плазмы. В гелий-неоновой смеси основным газом является гелий, его в 10 раз больше неона, и поэтому в основном в газовом разряде возбуждаются атомы гелия, а рабочими переходами являются переходы в Ме. Упрощенная схема возбужденных состояний Не и Ме показана на рис. 6.8. е, В чистом неоне достичь инверсной засе- 8.~ Т 3390 вм ленности почти невозможно, ибо на дол- Е, гоживущем уровне 5 сразу же собирается много возбужденных атомов, за счет этого Ем , 'Т происходит и пополнение лазерного нижнего уровня 1 и инверсии между уровнями '3 150 1 и 3 пе возникает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
