Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
Изготовленный из такого рубина цилиндр (рис. 17.5) диаметром 0,4-2 см,
длиной 3-20 см располагается между зеркалами (рис. 17.5, 1, 2)
резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным,
чтобы не происходило рассеяния излучения. В качестве источника
возбудителя используется
лампа накачки (рис. 17.5, 4), имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг
цилиндра (рис. 17.5, 3).
Источник накачки представляет собой импульсную газоразрядную лампу,
питающуюся от источника высокого постоянного напряжения через конденсатор
постоянной емкости.
Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго
перпендикулярно оси кристалла. Если нанести специальный слой серебра на
эти торцы, то они будут играть роль зеркал резонатора. Одно из зеркал
(или один из торцов) делают частично прозрачным, чтобы создать
возможность выхода излучения из системы.
Часть энергии излучения лампы накачки с частотой v31 = = (Е3 - Ег)/к (эта
частота соответствует частоте зеленого света) расходуется для накачки, т.
е. для создания состояния с отрицательной температурой. Атомы,
находящиеся в возбужденном состоянии Е3, отдавая часть своей энергии
кристаллической решетке, безызлучательно переходят в метастабильное
состояние Е2. Затем, излучая красный свет с длиной волны Я = 6943 А,
атомы могут спонтанно перейти в основное состояние. Так возникает красная
флуоресценция кристалла рубина.
Те из спонтанно возникших в лазере начальных фотонов, которые будут
двигаться вдоль оси рубинового стержня, многократно отразятся от зеркал
резонатора, каждый раз вызывая вынужденное рождение идентичных фотонов.
Фотоны, спонтанно испускаемые по другим направлениям, выходят из
кристалла либо сразу, либо после некоторого числа отражений от зеркал.
Процесс каскадного увеличения числа фотонов в результате вынужденного
излучения продолжается до некоторого момента. Как только интенсивность
излучения достигает определенного значения, зависящего, в частности, от
дифракционных потепь резонатора и пропускной способности полупрозрачного
выходного зеркала резо-
Рис. 17.5
384
натора, появится направленный пучок сретя - лазерный-дуч (рис. 17.6;
черными кружочками изображены возбужденные атомы).
Для получения усиления вышедшие из резонатора волны должны быть в
одинаковой фазе, чтобы при их интерференции (сложении) результирующая
амплитуда стала максимальной. Это условие, очевидно, удовлетворяется в
том случае, если любая волна, вернув-
I
^ о • *__о_•_ о_о_ • 0 * 0 0 0 *0
^ГЖZ*"^sznznzsz •'^ЕВЕ.
~Ъ~Т>~~0~*о о~ 00*000*000*
[
• о**о*оо*о*
• ****00**0* zrzczczsrisr.!
оооо*оо*ооо ?IZ'SZHZHZ.C
Рис. 17.6
шаяся в исходную точку на поверхности выходного зеркала (а также В1 любУЮ
точку"активной coeilU). НЙХбДится в той же Фазе, что и первичная волна
независимо от числа испылнны ^ птрдш-енм^ Для этого длина пути,
проходимого волной между двумя возвра-трёниямдТпонятно. что речь идет
именно о движении волны в одну и ту же сторону через рассмотренную точку)
в одну и ту же точку, равной удвоенному расстоянию между зеркалами
резонЗтира^ должна-
где m
удовлетворять условию" 1, 2, 3,
(17.12)
Действительно, поскольку разность хода Ad
2~г
и фаз Аф связаны между собой соотношением Аф = Ad, то усло-
вие (17.12) можно переписать в виде
Аф = 2п = т2я,
335
т. е. каждая из волн запаздывает по отношению к предыдущей на фазу,
равную 2я, другими словами, все выходящие из генератора волны находятся в
одной и той же фазе, что обеспечивает в результате взаимной интерференции
максимальную амплитуду выходящих волн.
Условие генерации. Предположим, что в данный момент времени через данную
точку среды с "отрицательной температурой" вдоль оси кристалла рубина
влево или вправо распространяется излучение с частотой v. Пусть
интенсивность в данный момент будет /0, Это излучение, пройдя через
среду, попадет на зеркало резонатора, затем, отразившись от него,
распространится в противоположном направлении. Далее, отразившись от
второго зеркала резонатора, пройдя в общей сложности через активную среду
путь длиной 2L (L - длина активной среды между зеркалами резонатора),
достигнет прежней точки. В отсутствие потерь энергии после такого цикла
интенсивность излучения стала бы равной
/ = /0е~ (v) L '
Принимая во внимание потери света в зеркалах с коэффициентами отражения
соответственно и R2, для интенсивности излучения имеем
/ = ^2/0e-2"(v)i.
Для возникновения генерации света, очевидно, наряду с уже известными
условиями должно выполняться и условие / > /0, т. е.
///о = /?1/?ае-2"М^>1.
Поскольку Rx 1 и R2 1, то удобно ввести замену RiR2 = e_v> где у > 0.
Учитывая это, имеем
exp [- 2а (v) L - у] > 1.
Отсюда 2а (v) L + у <0. Следовательно,
2а (v) L < - у.
Подставляя выражение a (v) из (17.10а), получим
2^ gnv2 а2\ (п\ пъ! < V*
Отсюда находим для разности заселенностей пг - их Ап - п2 - п1>
8nv2y/(2Lc2a21).
§ 4. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические
