Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Рис. 351. 724 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
имущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого — менее 1 %. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1—2 кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. В первом варианте гелий-неонового лазера, построенном Мейманом, применялась безэлектродная трубка, в которой возбуждался высокочастотный разряд. Лазер может работать и в непрерывном, и в импульсном режиме. Он генерирует красный свет с длиной волны 632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами
волн 1,150 и 3,390 мкм. Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области спектра.
3. Рассмотрим теперь, как возникает инверсная заселенность атомов неона. Упрощенная схема уровней неона приведена справа на рис. 352. Выше уровня S4 у неона имеется еще 28 уровней с энергией, меньшей S3, но они для нас не имеют значения и на рисунке не изображены. Возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронами газоразрядной плазмы. При определенном режиме разряда этот процесс может привести к инверсной заселенности уровней S1 и S2- Однако заселенность уровней S1 и S3, а также уровней S4 и S3 остается неинверсной. Инверсной заселенности препятствует долгоживущий метастабильный уровень Sb, лежащий немного ниже короткоживущего уровня S1. Заселенность уровня S6 велика, за счет этого происходит пополнение быстро опустошающегося уровня S1, и инверсии заселенности между уровнями S1 и S3 не возникает.
Добавление гелия меняет дело. Из всех уровней гелия, помимо нормального Щ, для работы лазера имеют значение метастабиль-ные уровни S2 и S3 с энергиями 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень So «запрещен», т. е. происходит с очень малой вероятностью. Поэтому время жизни атома на уровнях Sfi й S3 очень велико. § 123]
НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ СРЕДЫ
725
В результате электронных ударов на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов гелия. Но уровни гелия S2 и S3 почти совпадают с уровнями S2 и S3 неона. Благодаря этому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона интенсивно происходят безызлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона. Этот процесс возбуждения атомов неона на рис. 352 символически изображен горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрации атомов неона на уровнях S2 и S3 сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность по отношению к уровням S1 и S3, а разность заселенностей уровней S2 и S1 увеличивается в несколько раз.
Выясним в заключение влияние столкновений атомов неона со стенками трубки. Такие столкновения практически не влияют на заселенность уровней S2 и S3 и непосредственно уровня Slt так как все эти уровни короткоживущие. За время жизни в возбужденных состояниях на этих уровнях атомы неона практически не успевают доходить до стенок трубки. Указанные уровни разрушаются значительно раньше. Напротив, на уровне S6 возбужденные атомы живут долго, претерпевая в этих состояниях многочисленные столкновения со стенками трубки. Столкновения разгружают уровень Sb, в результате чего атомы неона переходят с уровня S1 на уровень Sb. Опустошение уровня S1 происходит быстрее, чем при заселенном уровне S5. Разница заселенностей уровней S3 и S1 увеличивается, что повышает эффективность работы лазера. Процесс опустошения уровня S1 происходит наиболее эффективно при некотором оптимальном диаметре трубки. Опыты показали, что максимальная мощность гелий-неонового лазера достигается при диаметре трубки /-Л мм. При больших диаметрах мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа (объем трубки пропорционален квадрату ее диаметра). Это связано с тем, что эффективное опустошение уровня S1 происходит у атомов, находящихся вблизи стенок трубки, а атомы, находящиеся* вблизи ее центра, практически выключаются из процесса генерации.
§ 123. Нелинейная поляризация среды
1. Изобретение лазеров сделало возможным экспериментировать с интенсивными световыми пучками, в которых напряженность электрического поля не пренебрежимо мала по сравнению с внутриатомными и влутримолекулярными полями (см. § 5, пункт 3). В таких пучках возникают уже нелинейные оптические явления, и притом не только как малые поправки к линейным, но также и как явления крупного масштаба, нашедшие важные практические применения. О некоторых нелинейных явлёниях в оптике (увеличение прозрач- 726 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
ности среды с увеличением интенсивности света, вынужденное рассеяние Манделыцуама — Бриллюэна, вынужденное комбинационное рассеяние) уЖе говорилось в главе VIII (см. §§ 91, 99, 100).
