Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Решение. Среднее число фотонов, попадающее от звезды в зрачок глаза в одну секунду,
Я=^«= 6- 1034 ~ 1034,
Kkjc
где А — механический эквивалент света, площадь зрачка глаза s принята равной 0,5 см2, а длина волны X = 550 нм. В рассматриваемой области спектра с хорошим приближением можно пользоваться формулой Вина, а потому
Mi = N1 V&№ ~ Ю-".
Отсюда видно, что квантовые флуктуации света к мерцанию звезд не имеют отношения, ГЛАВА XI
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
* *
§ 120. Принципы работы лазера
1. Спонтанное излучение некогерентно. В этом случае атомы источника излучают свет независимо друг от друга Фазы волн, испускаемых различными атомами, их поляризация и направления распространения никак не связаны между собой. Обычные источники света — пламена, лампы накаливания, газоразрядные трубки, люминесцентные лампы и пр. — излучают некогерентно. В них свечение вызывается либо столкновениями между атомами, совершающими тепловое движение, либо электронными ударами. Правда, в таких источниках наряду со спонтанным происходит и индуцированное излучение. Однако оно возбуждается некогерентным спонтанным излучением, а потому и само некогерентно. Испускаемый свет характеризуется* большей или меньшей степенью беспорядка. Максимальный беспорядок достигается в равновесном излучении в полости. В нем представлены всевозможные фазы и частоты, всевозможные направления колебаний, всевозможные направления распространения света. Если заимствовать терминологию из акустики и радиотехники, то можно сказать, что указанные источники света генерируют не правильные или упорядоченные волны, а шумы, пригодные только для освещения, грубой сигнализации, получения изображений, фотографирования и пр., но не для передачи речи, телевидения и т. д., осуществляющихся посредством радиоволн, излучаемых радиостанциями.
Однако можно создать и когерентно излучающие источники света, в которых бы различные атомы излучали волны согласованно, подобно радиостанциям, т. е. с одинаковыми частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Такие источники открыли широкие возможности для разнообразных научных и технических применений. Они называются оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Слово «лазер» образовалось из первых букв полного английского названия «Light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе означает: усиление света посредством индуцированного излучения. Созданию лазеров предшествовало изобретение мазеров, т. е. усилителей микроволн, работающих также на принципе индуцированного излучения. Поэтому первоначально лазеры назывались опти- 710 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
ческими мазерами. Подробное рассмотрение устройства и работы лазеров и мазеров дается в квантовой электронике. Здесь, в оптике, мы ограничимся только кратким изложением принципов работы лазеров.
Лазер работает на принципе индуцированного излучения. Допустим, что на атом падает фотон с энергией ha> = E2 — E1, где E1 и E2 — какие-либо два энергетических уровня атома. Если атом находится на нижнем уровне E1, то падающий фотон может поглотиться. Если же атом находится на верхнем уровне E2, то может произойти вынужденный переход на нижний уровень E1 с испусканием второго фотона. Индуцированно излученный фотон характеризуется не только той же частотой © (как и при спонтанном излучении), но также теми же фазой, поляризацией и направлением распространения. Вместо одного падающего фотона получается два тождественных фотона. Эта особенность индуцированного излучения и используется в лазерах.
2. Рассмотрим теперь не единичный атом, а среду из атомов. Обозначим через N1 и N2 числа атомов в единице объема на уровнях E1 и E2 соответственно. Допустим, что в среде распространяется плоская монохроматическая волна, частота которой определяется условием ft(o = E2 — E1. За время dt = dx/v, где v — скорость распространения,, a dx — расстояние, пройденное волной, с нижнего уровня на верхний переходит в среднем и (со) B21N1 dt атомов и такое же число фотонов поглощается. Из-за индуцированного излучения с верхнего уровня на нижний перейдет и (со) B1iN2 dt атомов и родится такое же число фотонов той же поляризации и направления распространения, что и у рассматриваемой волны. Фотоны, излученные спонтанно, а также фотоны, индуцированные другими волнами, можно не учитывать, так как среди них только ничтожная часть распространяется в нужном направлении и обладает нужной поляризацией. Увеличение числа фотонов в единице объема при прохождении волной расстояния dx = v dt представится выражением
Коэффициенты Эйнштейна B11 и В\ связаны соотношением g2Bl2 = = ^1Bil, где'ёх и g2 — кратности уровней E1 и E2. Используя это соотношение, перепишем предыдущее уравнение в виде
Чтобы при распространении в среде волна усиливалась, необходимо выполнение условия
dNфот = (BiiNг — BINи (со) —.
dx
N1 Si
) giBlu (и)
(120.1)
(120.2) ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА
711
.Его можно записать в виде
п2>пи (120.3)
где H1 = N1Ig1 и «2 = N2Zg2 — числа атомов на каждом из простых уровней, из которых состоят сложные уровни U1 и S2.
