Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Пирс Дж. -> "Квантовая электроника" -> 26

Квантовая электроника - Пирс Дж.

Пирс Дж. Квантовая электроника — М.: Мир, 1967. — 138 c.
Скачать (прямая ссылка): kvantovayaelektronika1967.djvu
Предыдущая << 1 .. 20 21 22 23 24 25 < 26 > 27 28 29 30 31 32 .. 46 >> Следующая


Чтобы такой переход происходил, заселенность уровня 2 должна превышать заселенность уровня 1. Это мо-

Безрадиационнь/й переход

Переход; используемый в лазере

О

Фиг. 13.

75 Жет иметь место даже и в том случае, когда тепловое возбуждение достаточно велико для того, чтобы вызывать переходы с уровня 0 на уровень 1. Существуют, однако, так называемые четырехуровневые лазеры, в которых разница между уровнями 1 и 0 может во много раз превышать энергию теплового возбуждения kT. Тогда количество тепловых переходов с уровня 0 на уровень 1 будет очень мало. Если при этом спонтанные переходы между уровнями 1 и 0 происходят достаточно часто, то в сравнении с уровнем 2 уровень 1 окажется почти незаполненным. Если же заселенность уровня 1 очень мала в сравнении с заселенностью уровня 2, то квантовомеха-нические характеристики реального лазера становятся очень близкими к характеристикам идеального усилителя, однако потери энергии в резонаторе приводят, разумеется, к ухудшению этих характеристик.

В качестве рабочего тела в лазерах можно использовать не только кристаллы, вроде рубина, или различные газы, но и полупроводниковые вещества и жидкости. Принципы действия остаются всегда одними и теми же, однако различные типы лазеров имеют разные достоинства. Например, лазеры на рубине позволяют получать чрезвычайно мощные импульсы, а газовые лазеры легко заставить работать в непрерывном режиме, причем они имеют довольно большие коэффициенты усиления. Полупроводниковые лазеры обладают весьма высокими коэффициентами полезного действия.

Физические особенности конструкции лазера

Вследствие малости длин волн света конструкция лазеров сильно отличается от конструкции мазера. В частности, размеры лазерных резонаторов достигают десятков и даже сотен тысяч длин волн, тогда как мазерные резонаторы или мазерные цепи бегущей волны имеют размеры самое большее порядка нескольких длин волн.

Поведение крайне коротких электромагнитных волн, генерируемых лазерами, как внутри, так и вне резонаторов необыкновенно интересно. Поэтому мне хочется рассказать о нем подробнее.

Прежде всего, почему в лазерах резонаторы должны иметь размеры порядка сотен тысяч длин волн? Ответ на этот вопрос не сводится просто, к тому, что трудно изго-

76 тавливать сверхминиатюрные детали. Если мы хотим, чтобы лазер или мазер генерировал излучение строго одной частоты, то нужно использовать только один вид колебаний в резонаторе. Осуществить генерацию колебаний или их усиление можно лишь при условии, что на множество возбужденных атомов (или молекул, или ионов) действует электромагнитное поле одного вида колебаний (распределение поля — одной конфигурации), заставляя атомы (или молекулы, или ионы) излучать энергию и добавлять ее к уже существующим колебаниям поля когерентным образом.

Длина волны самого низкочастотного вида колебаний, который может существовать в любом резонаторе, близка по величине к размерам резонатора — его длине, ширине или окружности. У мазеров СВЧ-диапазона длина волны самого низкочастотного вида колебаний, или, как говорят, низшая собственная частота полости — пусть малых, но все же достаточных размеров,— вполне может оказаться равной желаемой рабочей частоте прибора. К тому же и электрические потери в металлических стенках такой полости будут тем меньше, чем меньше ее размеры, а это само по себе способствует эффективной работе мазера.

Что же касается световых волн, то их длины ничтожны. Чтобы можно было использовать в лазере необходимое количество рабочего вещества, лазерные резонаторы должны быть достаточно большими, поэтому размеры их должны составлять многие и многие длины волн в длину или в ширину. Есть и еще одна причина, по которой лазерные резонаторы следует делать большими по сравнению с длиной волны света. Анализируя потери мощности в сверхвысокочастотном резонаторе, мы можем исходить из электрического сопротивления его стенок. Сопротивление же это увеличивается с ростом частоты, а потому и потери энергии в стенках резонатора увеличиваются с ростом частоты. Можно, однако, рассматривать потери энергии и с несколько другой точки зрения. Замкнутая металлическая полость действует как резонатор потому, что проводящие электрический ток стенки ее отражают любые радиоволны СВЧ-диапазона, падающие на них, и таким образом способствуют появлению стоячей волны, а не бегущей. Доля же электромагнитной энергии, отражаемой , металлической поверхно-

77 стью, зависит от электрического сопротивления поверхности. А оно возрастает с частотой, поэтому свет отражается от полированной металлической поверхности гораздо хуже, чем длинноволновое излучение.

Один из способов снижения потерь в резонаторе заключается в том, что отражающие стенки его разносятся на расстояния, много большие длины волны. В этом случае электромагнитное излучение может без потерь проходить внутри резонатора расстояние во много длин волн, прежде чем ему придется отразиться от стенки. Отражения будут происходить реже, чем в малом резонаторе, и, хотя теряемая при каждом отражении доля энергии остается той же самой, общие потери мощности в большом резонаторе значительно ниже.
Предыдущая << 1 .. 20 21 22 23 24 25 < 26 > 27 28 29 30 31 32 .. 46 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed