Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Учтем теперь, что энергетические уровни S1 и S2 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим сначала, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсионной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2L = тХ может удовлетворять только одна длина волны X. Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, т. е. к монохромати-зации света.
Степень монохроматизации нетрудно определить. Пусть свет проходит через активное вещество туда и обратно N раз. Для длины волны X имеем 2LN = NmX. Возьмем ближайшую длину волны X', удовлетворяющую условию 2LN = (Nm ± 1) X'. Для такой длины волны каждый цуг волн, возникший при прохождении через активное вещество туда и обратно, будет отличаться по фазе от предыдущего и последующего цугов на ±2л/АЛ В результате все N цугов погасят друг друга — получится минимум интенсивности для X'. Отсюда ясно, что ширина спектральной линии, "усиливаемой лазером, будет 8Х = \ X — X' | ~ XZ(Nm), т. е. она определяется разрешающей силой прибора. При N -> со получится ЬХ -у 0, т. е. бесконечно тонкая спектральная линия. В действительности из-за неидеальности отражающих поверхностей зеркал OX остается конечной. Однако при хороших отражающих поверхностях лазер дает очень тонкую, практически монохроматическую линию. Допустим теперь, что спектральные линии, излучаемые атомами активной среды, шире дисперсионной области прибора АХ. В этом случае вместо усиления одной спектральной, линии может возникнуть усиление нескольких линий. Свет лазера будет состоять из близких, практически монохроматических линий.
6. В приведенных рассуждениях не принято во внимание, что в резонаторе Фабри — Перо могут усиливаться волны, распространяющиеся не только параллельно его оси, но и под малыми углами ф к ней. Условие усиления имеет вид 2L cos ф == тХ. Это, как и во всяком объемном резонаторе, создает систему стоячих 714 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
волн с узлами и пучностями. Каждой такой волне соответствует определенный тип или, как принято говорить, мода колебаний. Это обстоятельство отражается на распределении интенсивности в поперечном сечении пучка лучей, генерируемых лазером. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделенных темными узловыми линиями. Это, конечно, усложняет дело. Но мы не будем входить в подробное обсуждение этого вопроса. Заметим только, что наряду с плоскими зеркалами в резонаторах употребляются длиннофокусные сферические зеркала. Они могут быть, например, вогнутыми конфокальными зеркалами, т. е. зеркалами, у которых главные фокусы совпадают и находятся в середине системы. Применение подобных зеркал, как показывают опыт и численные расчеты, позволяет значительно уменьшить потери света в лазерах и упрощает их юстировку.
7. Учтем теперь, что- в реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одно из зеркал, например S2, делается полупрозрачным. Кроме того, и зеркало S1 лишь частично отражает свет, хотя коэффициент отражения его и близок к 100%. Это приводит к ослаблению светового пучка. Чтобы лазер был генератором света, необходимо, чтобы усиление светового пучка в активной среде превосходило некоторое минимальное — пороговое — значение. Именно, должно быть выполнено следующее условие. Световой пучок, вышедший от S1, после прохождения туда и обратно через активную среду и отражения от S1 должен вернуться в исходное положение с неменьшей интенсивностью. Иначе в результате последовательного повторения этих процессов интенсивность пучка будет непрерывно убывать и лазер перестанет генерировать. Поэтому для генерации недостаточно выполнения простого неравенства (120.3). Оно должно быть выполнено с некоторым запасом, т. е. число атомов N2 на верхнем уровне в единице объема активной среды должно превышать некоторое минимальное — пороговое — значение.
Конечно, нарастание интенсивности волны в активной среде не может продолжаться беспредельно, так как заселенность верхнего энергетического уровня ограничена. По мере обеднения атомами верхнего уровня S2 скорость нарастания интенсивности волны будет уменьшаться и волна начнет затухать еще до того, как перестанет выполняться условие (120.3).
§ 121, Рубиновый лазер
1. Существует много материалов, применяемых в качестве активных сред в лазерах. Сюда относятся различные диэлектрические кристаллы, стекла, газы, полупроводники и даже плазма. Эта сторона дела подробно изучается в квантовой электронике. § 1211
РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
715
Мы ограничимся описанием устройства и принципа действия только двух лазеров: рубинового и гелий-неонового.
Первый квантовый генератор света был создан в 1961 г. Мейма-ном (р. 1927) на рубине. Рубин — это твердый кристалл, основой которого является корунд, т. е. кристалл окиси алюминия (Al2O3), в котором небольшая часть атомов алюминия (около 0,05%) замещена ионами хрома Сг+++ х). Ионы хрома играют основную роль в работе квантового генератора. Корунд — это диэлектрик с широкой запрещенной энергетической зоной между валентной зоной и зоной проводимости (см. т. III, § 100). Энергетические уровни хрома в корунде лежат в этой запрещенной зоне. Они были изучены задолго до создания лазер он. Основным (невозбужденным) уровнем является уровень S1 (рис. 346). Он имеет сложную структуру, которая, однако, не играет роли в работе квантового генератора. Выше лежат близкие возбужденные уровни S2a и S2Q. Это — узкие уровни. При переходе с них на основной уровень S1 излучается красный свет с длинами волн К = 694,3 и 692,9 нм. Он-то и придает рубину характерную розовую или красную окраску (в зависимости от концентрации ионов хрома). Более интенсивна линия К = 694,3 нм. По этой причине только она и усиливается при работе лазера. Вторая линия не играет роли. Выше уровней S2a и S2g расположены две сравнительно широкие полосы энергий S3 и Si. Переходы между уровнями этих полос и основным уровнем S1 сопровождаются излучением зеленого и голубого света соответственно.
