Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Именно так и обстоит дело в резонаторах лазеров: ведь они делаются очень большими по сравнению с длиной волны света. Однако в резонаторе, размеры которого очень велики сравнительно с длиной волны, могут поддерживаться колебания множества типов, причем частоты (или длины волн) различаются между собой лишь незначительно. Таким образом, если в резонаторах мазеров возможны колебания только одного или очень немногих видов, имеющих часоты, очень близкие к рабочей, то в резонаторах лазеров могут существовать очень многие типы колебаний. Вот почему нередко трудно добиться того, чтобы лазер генерировал одну частоту, колебания только одного вида, а не несколько колебаний разных типов.
Необычайной популярности лазера немало способствовало также бурное развитие лазерной техники. Вопрос о возможности работы мазера на оптических или близких к оптическим частотах был исследован в 1958 г. в статье Таунса (знаменитого уже своими работами по мазерам) и A. Jl. Шавлова. А в 1960 г., менее чем через два года, Т. Г. Майман добился успеха, построив импульсный лазер на рубине. Он использовал кристалл синтетического рубина со стороной ребра около 1 см., две противоположные грани которого были посеребрены. Когда этот кристалл освещался вспышками импульсной лампы, ее желто-зеленые лучи (длина волны 5,5- IO-5 см) поставляли энергию для накачки и обращения заселенности двух энергетических уровней. При этом импульсное излучение кристалла имело длину волны 6,93-10~5 см. Это
78 темно-красный свет, лежащий совсем близко от границы видимого участка спектра.
В некоторых последующих моделях лазеров на рубине в качестве резонаторов использовались тонкие стержни диаметром около 0,1 см и длиной 2—3 см. Один из двух тщательно полированных строго параллельных торцов такого стержня полностью металлизован, а другой
Фиг. 14.
покрыт частично отражающим металлическим покрытием, позволяющим определенной доле света, генерируемого внутри кристалла, выходить через это покрытие наружу в виде узкого луча. Характер электромагнитного резонанса в рубиновом стержне таков, что волна в нем многократно отражается от торцов стержня. Не станет ли волна излучаться через боковые поверхности стержня? Нет, так как они отражают свет и таким образом удерживают его внутри стержня. Однако для работы лазера это совсем не обязательно.
Представим себе неограниченную плоскую электромагнитную волну, то есть волну, направление движения которой во всех точках фронта одно и то же. Представим себе далее, что на пути волны находится круглое зеркало диаметром D, установленное так, что волна падает на него перпендикулярно к поверхности (фиг. 14). Световой поток отразится зеркалом. Диаметр отраженного луча окажется равным Д и первое время этот луч останется неизменным, лишь границы его начнут слегка расплываться. Однако, уходя все дальше и дальше от зеркала, луч постепенно заметно расширится, что и показано, хотя и несколько утрированно, на рисунке.
Это мы можем описать и количественно. Поблизости от зеркала после отражения пучок лучей еще почти параллелен и имеет четкие границы. Вдали же от зеркала
79 распределение интенсивности в сечении пучка таково, что она максимальна на оси и уменьшается к краям. А на очень большом расстоянии от зеркала все лучи пучка исходят как бы из одной точки, то есть при этом основная часть энергии излучения заключена в конусе, у которого угол при вершине равен
Є = -А- рад =57-^- град.
Здесь X — длина волны излучения. Из формулы сразу видно, что чем короче длина волны или чем больше диаметр D зеркала, тем уже будет в конечном счете поток излучения.
На фиг. 15 через центр зеркала диаметром D проведены две расходящиеся линии, образующие с нормалью
Фиг. 15.
6
к зеркалу одинаковые углы у, а из двух точек на противоположных краях зеркала — две параллельные линии, перпендикулярные к плоскости зеркала. Будем считать, что параллельные линии ограничивают первоначально контур отраженного пучка лучей, а расходящиеся линии — контур конуса, внутри которого вдали от зеркала заключена основная доля энергии отраженного пучка.
На некотором расстоянии L от зеркала параллельные линии пересекаются с расходящимися. Естественно предположить (это предположение и в самом деле подтверждается), что на расстояниях от зеркала, малых по сравнению с Lt отраженный луч очень близок к параллельному и имеет резко ограниченные края. Насколько же велико расстояние L?
Из геометрии следует, что для изображенной на нашем чертеже фигуры
80 Обычно угол G очень мал, поэтому с достаточной точностью выполняется равенство
Если в эту формулу вместо б подставить уже известное нам выражение 0 =XfDi то мы получим, что
Как мы уже убедились, на расстояниях значительно меньших L лишь небольшая часть энергии отраженного луча выйдет за пределы, ограниченные диаметром D зеркала. Положим, например, что D = 0,1 см, а X будем считать равной 4-Ю-5 см (длина волны излучения, создаваемого рубиновым лазером в кристалле рубина, отличающаяся от длины волны в свободном пространстве). В этом случае оказывается, что L = 250 см.
