Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
В обычных условиях, когда среда находится в термодинамическом равновесии, п2 < H1, т. е. на каждом простом верхнем уровне находится меньше атомов, чем на нижнем. Это непосредственно следует из формулы Больцмана
п = n0e-%>ikT.
Можно искусственно получить термодинамически неравновесную среду, у которой выполняется соотношение, обратное (120.3) или (120.2). Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью по отношению к энергетическим уровням S1 и S2. Следовательно, для усиления световой волны необходимо, чтобы среда, в которой волна распространяется, была активной. Идея использования индуцированного излучения для усиления волны была впервые высказана в 1939 г. в докторской диссертации В. А. Фабрикантом (р. 1907) и впоследствии (в 1951 г.) на нее было выдано авторское свидетельство. В то время на идею Фабриканта не было обращено должного внимания. Казалось, что создание систем с инверсной заселенностью энергетических уровней — дело бесперспективное.
3. Усиление света в активной среде обычно сравнивают сиара-станием лавины, изображая фотоны в виде шариков. Летящий фотон-шарик порождает второй фотон-шарик с переходом атома с верхнего уровня на нижний. Получаются два одинаковых шарика, летящих в прежнем направлении, затем четыре шарика и т. д. Но эта грубая иллюстрация не объясняет, как в результате наложения фотонов формируется монохроматическая волна строго определенного направления. Эта сторона дела становится понятной, если сравнить изучаемое нами явление с классической картиной рас-. пространения плоской монохроматической волны в однородной среде. Волна вызывает колебания в атомах и молекулах среды. Последние переизлучают шаровые волны, когерентные »друг с другом и с падающей волной. Эти шаровые волны, интерферируя между собой, создают снова плоский волновой фронт, распространяющийся в среде. Они влияют только на фазовую скорость волны. Если среда абсолютно прозрачна, то амплитуда волны должна оставаться постоянной, как того требует закон сохранения энергии. В / поглощающих средах энергия волны частично переходит в тепло — амплитуда волны убывает. Но в активной среде молекулы и атомы находятся в возбужденных состояниях. За счет энергии возбуждения вторичные световые волны, излучаемые молекулами и атомами, усиливаются. Однако их фазы и поляризация 712 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
остаются прежними. Поэтому остаются прежними поляризация и фаза также и результирующей волны, возникающей в результате интерференции таких вторичных волн. Усиливается только ее амплитуда.
4. Индуцированное излучение было использовано для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А. М. Прохоровым (р. 1916) и Н. Г. Басовым (р. 1922) и независимо от них Ч. Таунсом (р. 1915). Чтобы активное вещество превратить (В генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Необходимо, чтобы часть излученного света все время находилась в зоне активного вещества и вызывала вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя параллельными зеркалами. Допустим, например, что оно представляет собой цилиндр, а плоскости зеркал S1 и S2 перпендикулярны к оси этого цилиндра (рис. 345).
Рис. 345.
Тогда луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S1 и S2, будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов атомов с высшего энергетического уровня S2 на более низкий уровень S1. Получается открытый резонатор, представляющий собой в сущности интерферометр Фабри — Перо, только заполненный активной средой.
Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предположим сначала, что зеркала S1 и S2 идеальные. Тогда лучи, параллельные оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела бй a; XID, где D — ширина пучка. Однако в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.
5. Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Для простоты проведем рассуждение применительно к рис. 345, а, S 120]
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА
713
когда' роль зеркал S1 и S2 выполняют отполированные и посеребренные торцы цилиндра активного вещества, перпендикулярные к его геометрической оси. Пусть L — длина цилиндра. Если 2L = = тк, т. е. на длине L укладывается целое число полуволн т, то световая волна, выйдя от S1, после прохождения через цилиндр туда и обратно вернется к S1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны X ± АХ, для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2 L — (т± 1) (X zp АХ). Следовательно, ДЯ = Х/т, т. е. АХ, как и следовало ожидать, совпадает со спектральной областью интерферометра Фабри — Перо.
