Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
осуществить оптическими, электрическими и другими способами. При
оптической накачке "атомы, поглощая излучение, переходят в возбужденное
состояние. При электрической накачке (например, в газообразной
с^едё]Г1гг6мы переходят в возбужденное состояние благодаря неуппугим
столкновениям атомов с электронами в газовом разряде. Б этой связи
следует еще раз отметить идею В. А. Фабриканта, выдвинутую в 1939 г.,
сущность которой заключалась в том, чтобы с помощью специальных
молекулярных примесей избирательно исключить некоторые нижние
энергетические состояния, в результате чего осуществилась бы инверсная
заселенность.
Инверсное состояние иногда называют состоянием с "отрицательной
температурой^, происхождение этого формального названия можно объяснить,
пользуясь формулой Больцмана, которая определяет отипуительнутп
здеДТРТтоетт, пттпргптишюишг-уровне# системы, находящейся в
термодинамическом равновесии, В этом случае, как следует из (17.4),
Т Е1~Е2 k In "а/щ '
откуда следует, что при п% > пх (так как Ех - ?а < 0) имеет место Т <0.
Это вовсе не означает, что температура системы становится ниже
абсолютного нуля. "Отрицательная температура" формально выражает случай
п% > пг. Среда с такой инверсной заселенностью называется активной.
Из простых соображений следует, что для явухуровирипй систрмм с помощью
оптической накачки нельзя получить инверсную населенность-
Действительно, согласно распределению Больцмана, при термодинамическом
равновесии всегда па <пъ и так как Вп = Ва1, то числа переходов в единицу
времени из состояния и тп-па. ние Е" и наоборот Дуд)"одинаковыми.
Следовательно, изменение числа атомов, в основном и возбужденном
состояниях благодаря* вынужденным переходам не произойдет." тТ е. каким
было отношш ние njtiz, таким оно останется при взаимодействии света с
атомом, если, конечно, имеем дело, как оо этом говорили, двумя энергетй-
ческими уровнями атома - основным Ех и возбужденным Е%. Таким образом,
чтобы получить инверсную населенность, нужно использовать три
энергетических уровня активной среды или более.
382
Усиление света с помощью трехуровневой системы. Рассмотрим трехуровневую
систему (рис. 17.4) *. Под действием оптического излучения с энергией hv
= Е3 - Ег атомы переходят из состояния Ех в состояние Е3. Из состояния Е3
возможны спонтанные переходы в?2ив Ег. Из состояния Е2, в свою очередь,
возможны спонтанные переходы в состояние ?х. Чтобы получить инверсную
заселенность между уровнями Е1 и Е2, достояние Е9 должно быть более
долгоживущим по гряпнрнию с т. е. должны удовлетворяться следующие
условия:
Условия (17.11) означают, что среднее время жизни атома в состоя' нии Е2
должно быть гораздо больше, чем в состоянии Е3, т. е.
<(на практике т32, т31 величины порядка 10 6 с, в то время как % яг; 10~3
с).
Энергетическое состояние Е2, удовлетворяющее этим условиям, называется
метастабильным. Ьсли Нй Такую Систему направить излучение достаточной
мощности с частотой 'у = (Ея~- ?л)/п, то с течением времени п9. Е3 станет
больше, чем пг7 - ^
Б этой среде вследствие спонтанных f
'переходов возникнут кванты с частотой ¦ * V --------- , ..
v' = (Е2 - Ex)/h. При прохождении этих
квантов через активную среду с инверсной ч
населенностью происходит усиление согласно закону (17.9). Как следует из
(17.9),
для эффективного усиления света надо -1- Ж------------------------
увеличить путь света в активной среде.
С этой целью активная среда располагается Рис. 17.4
между строго параллельно расположенными плоскими или сферическими
зеркалами. Система таких зеркал называется оптическим резонатором. Роль
резонатора заключается не только в увеличении длины пути света в активной
среде. Он также позволяет получить высокопараллельное и очень близкое к
монохроматическому излучение.
Принцип действия лазера. На примере твердотельного лазера объясним
принцип действия лазера. В качестве активной среды
* Принцип усиления света в оптических квантовых генераторах по
трехуровневой схеме, который лежал в основе создания лазерных установок,
был предложен Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955 г. Независимо от
них американский физик Ч. Таунс с сотрудниками осуществил квантовый
генератор электромагнитного излучения на молекулах аммиака. Эти работы
советских и американских физиков положили начало бурному развитию
квантовой электроники, за что им в 1964 г. была присуждена Нобелевская
премия по физике.
(17.11)
(17.11а)
383
рассмотрим рубин - окись алюминия (А1а03), в некоторых узлах решетки
которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома (Сг+++).
Обычно концентрация ионов хрома в А1203 составляет 0,03-0,5%. Кристалл
рубина имеет розовый цвет. В зависимости от концентрации ионов хрома цвет
рубина меняется от светло-розового (при 0,03% содержания ионов хрома) до
темнорозового (при 0,5% содержания ионов хрома).
Энергетические уровни ионов хрома в рубине удовлетворяют условиям
(17.11), а именно А32 ~ Ю7-105 с-1, в то время как А21 ^ Ю3 с-1.
