Основы лазерной спектроскопии - Стенхольм С.
Скачать (прямая ссылка):
Первым объектом, для которого наблюдался эффект расщепления из-за отдачи, является метан CH4, помещенный в резонатор Не — Ые-лазера, X = 3,39 мкм. Наблюдение расщепления линии за счет отдачи — 2 кГц стало убедительной демонстрацией возможностей лазерной спектроскопии. Такое разрешение достигнуто в работах по созданию лазерных стандартов частоты в Боулдере (Колорадо, США) [61] и в Новосибирске [13]. Подробности см. [91, 124].
Последовательный квантовый подход к лазерной спектроскопии систем с доплеровским уширением изложен в обзоре [132], где многие из рассмотренных нами вопросов обсуждаются с несколько иной точки зрения. Специфические особенности квантовой теории взаимодействия света с атомными системами см. также в 160].
І ГЛАВА З
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛАЗЕРА
3.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА
Лазер является источником осциллирующего электромагнитного поля с фиксированной частотой в оптическом диапазоне. Аналогичные устройства давно известны в электротехнике. Их характеристики зависят от свойств усилителя и частотной зависимости обратной связи (рис. 3.1). Необходимым элементом общей схемы должен быть внешний источник энергии — накачка, так как в любой физической системе существуют потери энергии. В той или иной форме осуществляется селекция, позволяющая фиксировать частоту осцилляций в области работы усилителя — полосе усиления.
Предположим, что в схеме на рис. 3.1 исключена обратная связь (блок F). Тогда в общем виде можно записать функциональную зависимость выходного сигнала Y от накачки X
Y=A(X). (3.1)
Учтем теперь обратную связь. Сигнал на выходе из F (обозначим его Xoc) определяется значением Y:
Xoc = FY. (3.2)
Мы ограничимся случаем линейной зависимости в (3.2). Часто так оно и бывает, но при этом важно учесть, что X0 с может зависеть от частоты сигнала Y. Из этих двух соотношений получаем для всей системы
Y = А(Х + FY). (3.3)
Возможность нетривиального решения (3.3) (Y Ф 0 при X=O) объясняется тем, что функция A(X) в общем случае нелинейная. И при определенных параметрах системы может возникнуть режим генерации, когда амплитуда выходного сигнала Y будет самосогласованно определяться из (3.3). Частота осциллирующего ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛАЗЕРА
133
стся как внешним источником X, так и (через обратную связь F) выходным сигналом У.
поля зависит от селективного элемента цепи обратной связи. В приведенной схеме (рис. 3.1) нигде не учтена специфика именно лазерного случая, поэтому в любом учебнике по электронике можно найти множество примеров таких генераторов с обратной связью, содержащих усилитель.
Мазеры, микроволновые атомные генераторы и усилители, содержат в качестве резонансного элемента, селектирующего частоту, металлический СВЧ-резонатор. Только те волны, которые достаточно долго не затухают в резонаторе, имеют шанс многократно провзаимодействовать с атомами и усилиться. Принцип действия лазера точно такой же. Различие состоит в том, что элементом, обеспечивающим обратную связь, является оптический резонатор (типа интерферометра Фабри — Перо). Атомная среда может быть усиливающей для многих длин волн, но в большинстве случаев они быстро затухают за счет дифракционных потерь и пропускания зеркал. Лишь при выполнении условия резонанса (1.41) возможны устойчивые осцилляционные конфигурации поля. Волна вновь и вновь взаимодействует со средой и усиливается лишь при определенных частотах. Таким образом, и мазеры, и лазеры являются самоподдерживающимися генераторами, действие которых основано на использовании квантовомеханических процессов в атомных системах. Поэтому для всей широчайшей области исследований, связанных с мазерами или лазерами, используется термин квантовая электроника. Это понятие включает в себя и лазерную спектроскопию, хотя ее 134
ГЛАВА 1.
задачей является изучение и нелинейного отклика среды, и линейного поглощения.
В разд. 1.2 мы уже вкратце рассмотрели принципы описания оптических резонаторов и более подробно останавливаться на этом не будем. Исследованию дифракционных эффектов и методам вычисления потерь посвящена обширная литература. Мы же на качественном уровне обсудим основные механизмы, приводящие к диссипации энергии в лазерных системах.
В резонаторах с высокой добротностью излучение многократно пересекает активную среду между граничными зеркалами. Если коэффициент пропускания зеркал есть O (предполагаем <5 1), то после N проходов уменьшение интенсивности определяется множителем (1 — 5)N. Таким образом, если в начальный момент времени интенсивность была равной I0, то
Определим характерное число проходов через резонатор, N , равенством
Это число определяет время жизни г в экспоненциальной зависимости I(t) ос е"'/т. Действительно, из (3.4) и (3.5) находим для малых <5:
т. е. Ne ~ <5—Время одного полного прохода через резонатор длины L есть 2L/c. Определим характерное время
In = (I-S)nI1
о-
(3.4)
-1 = In e~l = Ne\n (1 - S) = -NeS, (3.6)
(3.7)
и время !, необходимое для N проходов,
с
(3.8)
Тогда из начального уравнения (3.4) получаем
