Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Решение уравнения (12) имеет вид
/(*) =/оехР(“*)- (14)
252
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
Здесь /0 есть плотность потока энергии пучка при х = 0. При а > 0 поток энергии нарастает по мере распространения волны, а при а < 0 убывает. Если N2 > Nlt то а > 0. В этом случае среда называется активной.
Методы создания активной среды. Каким же образом удается получить сильно неравновесное состояние вещества, в котором N2 > N{. В зависимости от типа рабочего вещества этого можно добиться разными методами. В импульсных твердотельных квантовых генераторах, например в рубиновом лазере, используется оптическая накачка светом мощной импульсной лампы — вспышки. В полупроводниковых лазерах непрерывного действия неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через р—и-переход. В газовых лазерах атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.
Резонаторы лазера. 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 возбужденными атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. Обычно рабочее вещество помещается между двумя параллельными зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис. 98). Такую систему называют оптическим резонатором.
--- Возникшая в каком-либо месте в
результате спонтанного перехода световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при рас-Рис. 98. Оптический резонатор с ак- пространении через активную сре-тивнои средой ду. Эффективно будут усиливаться
только те волны, направление распространения которых совпадает с осью резонатора, так как при всех других направлениях волна быстро покинет 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 (14) усилится в eaL раз. Отразившаяся от второго зеркала волна снова на длине резонатора усиливается в eaL раз 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
§ 30. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
253
усиление света в активной среде должно быть достаточно большим, превышающим некоторое значение, называемое пороговым.
Формирование когерентного излучения. Оптический резонатор, образованный зеркалами, помимо осуществления необходимой для возникновения генерации положительной обратной связи, выполняет и другую 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:
2 L = nk, п =1,2,... (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 соп, соответствующих допустимым значениям длины волны Хп = 2L/n. Этот набор частот определяется формулой
2лс 71С
Шп = ~1- = ТП-
L (16)
Оптический резонатор, образованный зеркалами, можно рассмат-
ривать 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 (16). Поэтому квантовый генератор по существу представляет собой автоколебательную систему, в которой возможны незатухающие колебания на одной из собственных частот резонатора.
Спектр лазерного излучения. 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 Дсо, определяемом шириной спектральной линии. Обычно на интервал А со приходится несколько собственных частот резонатора (рис. 99). Некоторые из них могут оказаться в интервале А со,, в котором коэффициент усиления превосходит пороговое значение.
