goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Им обычно является основной уровень или уровень, очень близкий к основному. Необходимо, далее, чтобы уровень 2 был долгоживущим, метастабильным. Только при этом условии на втором уровне можно накопить достаточное количество атомов, превосходящее их число в основном состоянии, Вероятность переходов связана с шириной уровня соотношением неопределенностей ЬЕт = Ь. Уровень 2 поэтому должен быть узким. Легко видеть, что уровень 3, наоборот, должен быть очень широким.
Лишь в этом случае удается полезно использовать заметную часть спектра оптического излучения накачки. Чаще всего роль уровня 3 играет широкая полоса. Ясно также, что переход 3 — 2 должен происходить с большой вероятностью, желательно, большей, чем переход 3 — 1. Переход 3 2 нередко является «безызлучательным»; в таких переходах излишняя энергия атома передается пе кванту, а кристаллической решетке (твердые тела) или сталкивающимся атомам (газы). Отметим важный недостаток трехуровневой схемы. Как уже отмечалось, при работе в оптическом диапазоне населенность уровня 2 до накачки исчезающе мала по сравнению с населенностью первого уровня. На предшествующее генерации выравнивание населенностей приходится тратить много энергии, которая пропадает бесполезно.
Этого недостатка лишены четырехуровневые системы. $ 48. Методы создхния инвввсной нхсплвнности л овнвй 249 В четырехуровневой системе (рис. 93 а) рабочий переход происходит между уровнями 3 и 2, ни один из которых не совпадает с основным. Накачка переводит атомы из основного (первого) состояния в четвертое.
Третий уровень заселяется с четвертого. Четырехуровневые системы применяются как в оптическом, так и в радиодиапазонс. В оптической области существенное отличие четырехуровневых систем от трехуровневых заключается в том, что нижний рабочий уровень (в нашем случае— второй) с самого начала оказывается пустым или почти пустым.
Поэтому даже небольшое количество атомов, появившихся на третьем уровне, приводит к его инверсивной населенности по отношению ко второму. Рис. 93, а — Схема четырехуровневой системы с рабочим переходом между уровнями 8 -- 2 (оптические лазеры); б — генерация колебаний с частотой, превосходящей частоту накачки (квантовые генераторы радиодиапазона). В радиодиапазоне все уровни четырехуровневой системы (или, по крайней мере, нижние два) могут иметь сравнимую населенность, Тогда возникает возможность генерировать колебания более высокой частоты, чем частота накачки. Для этого нужно, например, чтобы накачка происходила со второго уровня на четвертый, а рабочий переход — с третьего на первый уровень (рис. 93 б). Для перевода атомов на верхние уровни применяют не только накачку с помощью электромагнитного излучения. В газовых лазерах для возбуждения атомов (и молекул) часто используют электрический разряд.
(В плазме разряда электроны приобретают энергию, достаточную не только для возбуждения, но и для ионизации атомов.) Инверсная населенность уровней может быть получена и с помогцью некоторых других методов. Атомы (и молекулы) в возбужденных состояниях могут получаться в результате химических реакций. Так работают х и м и ч е с к и е л а з е р ы. Преимуществом таких лазеров яв- 250 1ЛАВА 10 ляется высокий химический КПД', достигающий 20%, а недостатком— необходимость непрерывной замены рабочего вещества, Сушествуют лазеры, использующие газодинамические эффекты.
При быстром охлаждении газа населенность уровней не сразу перестраивается от высоких температур к низким. Время установления теплового равновесия зависит от индивидуальных свойств уровней. Так, может случиться, что в трехуровневой схеме (рис. 91) при понижении температуры уровень 2 опустошается раньше, чем уровень 3. В этом случае между ними может возникнуть инверсная населенность. Газодинамические лазеры могут работать, конечно, лишь в том случае, когда при исходной температуре населенность третьего уровня достаточно высока.
В настоящее время широко используются лазеры на полупроводниках с р — а-переходами. При прохождении через р — п.-переход электроны рекомбинируют с дырками, выделяя заметное количество энергии (по порядку величины равное ширине запрещенной зоны). В некоторых веществах (например, в арсениде галлия) зта энергия с большой вероятностью выделяется в виде света и может использоваться для создания лазера. Мы не будем далее обсуждать этот вопрос, поскольку свойства полупроводников в этой книге будут рассмотрены позднее. 9 49.
Устройство оптических квантовых генераторов В качестве примера лазера, работаюшего по трехуровневой схеме, рассмотрим лазер на кристалле рубина. На рис. 94 изображена схема уровней ионов Сг~+, входящих в состав рубина (рубином называется кристалл А1зОз, в котором часть ионов алюминия заменена ионами хрома).
В качестве рабочих переходов в рубиновом лазере используются переходы с уровней Еш и Еэо на основной уровень. Уровни Ез, и Еэо метастабильны (их время жизни несколько миллисекунд, в то время как для обычных оптических переходов г = 10 " с). В этом лазере, как и в других твердотельных лазерах, для получения инверсной населенности уровней применяется о п т и ч е с к а я н а к а ч к а. Для накачки используются широкие полосы поглощения Еэ и ЕА, одна из которых расположена в зеленой, а другая — в синей части спектра.
Ширины полос очень велики — около 1 мкм, Переходы с этих полос на уровни Ез происходят 'В химических лазерах следует различать два коэффициента полезного действия; химический н технический КПД. Химический КПД показывает, какая ~асть энергии, которая выделяется в реакциях.
создаюших ннверсивную населенность уровней, преобразуется в энергию когерентного излучения. Техническим КПД химических лазеров называется отношение энергии лазерного излу |ения к потребляемой от электрической сети энергии, технический КПД может превышать 1Ооегю 949. УстРОЙство Оптических квлнтовых гвнВРАтОРОВ 251 о с о го о с х о, Рис. 95. Схема устройства лазера на рубине. 'Зеркале могут быть н отнесены от концов рубинового стержня. без излучения — энергия переходит в колебания решетки. Указанные переходы намного вероятнее, чем спонтанный возврат атомов на уровень 1.
Это способствует быстрому созданию инверсной населенности уровней рабочего перехода. Для лазеров применяют искусственно выращенные монокристаллы рубина с небольшим (0,05отт) содержанием хрома (бледно-розовая окраска). Монокристаллам придается форма длинных стержней круглого сечения. В неболь- Ь , в ших лазерах рубиновые стержни име- о о~ ы ют около 1 см в диаметре и 10 см в длину. На рис. 95 изображена схема одного из вариантов устройства К рубинового лазера.
Для накачки используется спиральная лампа-вспыш- Рис. 94. Схема УРовней Сг + в крика, окружающая рабочее тело ла- сталле рубина. вера — цилиндрический рубиновый стержень. Для уменьшения световых потерь лампа заключена в зеркальный кожух. На оба торца рубинового стержня нанесен зеркальный слой'. После срабатывания лампы-вспышки кристалл рубина становится оптически активным.
Генерация начинается самопроизвольно после того, как появится световой квант, спонтанно излученный вдоль оси рубинового стержня. Распространяясь по стержню, излучение усиливается— к исходному кванту присоединяются кванты вынужденного излучения. Обратную связь осуществляют зеркала.
Выражаясь на радиотехническом языке, они возвращают ко входу системы (к рубиновому кристаллу) сигнал (свет), возникающий на его выходе (покидающий кристалл). 252 1ЛАВА 10 Дважды отражаясь от зеркал (один раз от правого, а другой — от левого), световые кванты повторяют свой путь.
Таким образом, зеркала «запирают» свет, образуя оптический резонатор, в нашем случае— интерферометр Фабри — Перо, Дважды отраженный свет усиливает исходный, если он совпадает с ним по фазе, т.с. если оптическая длина пути (удвоенная длина пути между зеркалами, умноженная на коэффициент преломления) ранна целому числу длин волн. Поэтому генерация может возникнуть лишь при условии, если выполняется соотношение п( — —.
ШЛ/2, (10.28) где 1 — длина рубинового стержня, п — показатель преломления рубина, а гп — любое целое число. Многократно проходя через рубиновый кристалл, световой поток экспоненциально усиливается (см, (10.25)). Одно (или оба) из зеркал, образующих оптический резонатор, делают частично прозрачным.
Через него световые кванты выходят из установки, образуя лазерный луч. Световой импульс продолжается, пока количество атомов на верхнем уровне рабочего перехода не сравняется с их количеством на нижнем уровне. После этого излучение прекращается и возобновляется лишь после новой накачки. Найдем условие возникновения генерации. Оно состоит в том, чтобы полный коэффициент усиления света й на замкнутом пути был больше единицы: (10.29) Й = г;гз ех1»(2гт() ) 1, где гз и гя — коэффициенты отражения зеркал, а величина с» определена равенством (10.26). Приравняв левую часть (10.29) к единице, можно получить пороговое значение коэффициента усиления а„, а затем— с помощью (10.26) — и необходимое для возникновения генерации соотношение между пг и пя, В коэффициент усиления входит усиление, возникаюшее при прохождении сквозь рубиновый стержень, и потери на отражение от зеркал (в том числе дифракционные потери, возникающие из-за конечного диаметра зеркал).
В лазерах применяют зеркала очень высокого качества. Если потери света на пропусканис являются неизбежными (в противном случае луч не сможет выйти из лазера), то потери на поглощение желательно уменьшать. По этой причине металлических зеркал стараются избегать и применяют зеркала с диэлектрическим покрытием. Лампы-вспышки создают длинный световой импульс, продолжающийся около миллисекунды. Нарастание и прекращение лазерного импульса происходят намного быстрее. Поэтому за время работы лампы-вспышки успевает произойти множество быстро следуюших друг за другом лазерных импульсов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
