Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
574
АТОМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
В квантовых генераторах для получения монохроматического когерентного излучения, помимо эффекта усиления волны при прохождении через активную среду, используется положительная обратная связь. Часть излучаемой световой энергии все время должна оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми возбужденными атомами.
Это осуществляется с помощью зеркал. Обычно ра-
— бочее вещество помещается между двумя параллельными зеркалами, одно из которых полупрозрачно Рис. 8.1. Оптический резонатор с (рис. 8.1). Такую систему активной средой. называют оптическим ре-
зонатором.
Возникшая в каком-либо месте в результате спонтанного перехода световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении через активную среду. Эффективно будут усиливаться только те волны, направление распространения которых совпадает с осью резонатора, так как при всех других направлениях волна быстро покидает пределы активной среды. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит наружу, а частично отражается назад. Отразившаяся волна дает начало новой лавине фотонов. Пройдя вдоль резонатора от одного зеркала до другого путь L через активную среду, волна,»в соответствии с формулой (8.14), усиливается в eaL раз. Отразившаяся от второго зеркала волна снова на длине резонатора усиливается в ераз и т. д. Таким образом, наличие зеркал увеличивает эффективное расстояние, которое распространяющаяся вдоль оси резонатора волна проходит в активной среде.
Очевидно, что генерация возможна только тогда, когда падающая на полупрозрачное зеркало после очередного прохода волна имеет энергию не меньшую, чем при предыдущем падении. Это значит, что усиление света в активной среде должно быть достаточно большим, превышающим некоторое значение, называемое пороговым.
Оптический резонатор, образованный зеркалами, помимо осуществления необходимой для возникновения генерации положительной обратной связи, выполняет и другую
§8. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ СВЕТА
575
важную функцию — формирует когерентное монохроматическое излучение. Для того чтобы выходящее через полупрозрачное зеркало излучение было когерентным, необходимо, чтобы составляющие его последовательные волновые цуги были согласованы друг с другом. К полупрозрачному зеркалу подходят тождественные цуги волн, возникшие при вынужденных переходах в активной среде из единственного спонтанно испущенного цуга. Часть из них выходит наружу, часть отражается. Отразившиеся цуги проходят через резонатор туда и обратно и снова возвращаются к полупрозрачному зеркалу. Образовавшаяся в результате разность хода должна быть равна целому числу длин волн:
2L—tiX, п—1, 2,.,, (8.15)
Только в этом случае выходящее наружу излучение будет строго монохроматическим. Отсюда следует, что квантовый генератор может создавать монохроматическую волну не произвольной частоты, а лишь с дискретным набором частот соответствующих допустимым значениям
длины волны Xn=2Lln. Этот набор частот определяется формулой
2яс ЛС /о 1
со„ = —= т п. (8.16)
Оптический резонатор, образованный зеркалами, можно рассматривать как колебательную систему, в которой собственные нормальные колебания (моды) имеют вид стоячих электромагнитных волн с узлами на зеркалах. Частоты таких колебаний определяются точно таким же условием (8.16). Поэтому квантовый генератор можно рассматривать как автоколебательную . систему, в которой возможны
незатухающие колебания на одной из собственных частот
резонатора.
Возбужденный уровень энергии атомов активной среды всегда имеет конечную ширину. Поэтому усиление света при вынужденных переходах происходит не на одной фиксированной частоте, а в некотором интервале частот Асо, определяемом шириной спектральной линии. Обычно на интервал Асо приходится несколько собственных частот резонатора (рис. 8.2). Некоторые из них могут оказаться
576
АТОМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
в интервале А(о1( в котором величина коэффициента усиления превосходит пороговое значение. На этих частотах и возможна генерация излучения. Если в интервал Acoi попадает только одна собственная частота резонатора, то, казалось бы, лазер непрерывного действия должен генерировать строго монохроматический свет. Однако по ряду
Рис. 8.2. В пределах контура спектральной линии находится несколько собственных частот резонаторз.
причин это, конечно, не так. хотя излучение такого одномодового лазера обладает очень высокой степенью монохроматичности. И действительно, ширина линии лазерного излучения может быть много меньше не только допплеровской, но и естественной ширины спектральных линий. Ширина лазерной линии может быть доведена до значения 10~14 от самой частоты. Соответствующая такой монохроматичности длина цуга когерентных волн достигает сотен километров.
