Основы лазерной спектроскопии - Стенхольм С.
Скачать (прямая ссылка):
В разд. 3.1 мы изложили основные условия генерации в лазерных системах, следуя пионерской работе Шавлова и Таунса [119]. Хорошим введением в физику лазеров является книга Звелто [136]. Самосогласованная полуклассическая теория была разработана Лэмбом [85] и в дальнейшем развивалась Сарджентом, Скалли и Лэмбом [118]. Фундаментальные вопросы лазерной физики исследованы Хакеном [59, 60] и Л эксом [88]. Прекрасным введением в квантовую электронику является ранняя работа Лэмба в книге [41].
Полуклассическая теория усилителя бегущей волны рассматривалась Клоузом [36], а лазера бегущей волны — Смитом [129]. Более подробно различные аспекты теории газовых лазеров (в том числе многомодовая генерация, зеемановские и кольцевые лазеры) рассмотрены Сарджентом и др. [118].
Первые эксперименты с лазером, имеющим внутрирезонатор-ный насыщающийся поглотитель, были проведены в 1968 г. (см. работы [89] и [94, 95]). Теория была предложена Бетеровым и др. [22, 23] и позднее развита Саломаа и Сгенхольмом [111, 112]. Более подробное рассмотрение и обсуждение различных возможностей содержится в книге Летохова и Чеботаева [91] (см. также ссылки здесь). Такие лазеры стали первыми биста-бильными нелинейными системами в квантовой электронике. Возможность бистабильности привлекла большое внимание и теоретиков, и экспериментаторов. Обзор разнообразных возможностей в этой области сделал Боуден [28]. ГЛАВА 4
НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
4.1. ВВЕДЕНИЕ
Мы уже обсудили, как влияние мощного когерентного излучения изменяет свойства атомной системы. В частности, в гл. 3 показано, как эти изменения позволяют создать оптический квантовый генератор — лазер.
Сильное поле необходимо для многих спектроскопических приложений. При этом удается решать задачи, недоступные методам обычной линейной спектроскопии. Существенно нелинейными являются такие эффекты, как насыщение и, конечно, многофотонные процессы.
В этой главе мы рассмотрим несколько конкретных примеров, интересных с точки зрения возможностей лазерной спектроскопии и иллюстрирующих её основные принципы. Здесь мы кратко сформулируем содержание разделов, так как они в значительной степени независимы, и читатель сможет сам выбирать порядок их изучения. В то же время они дополняют друг друга и позволяют с разных точек зрения осветить рассматриваемые явления.
Наличие неоднородного уширения маскирует тонкие детали спектральных линий, что особенно свойственно системам с большим доплеровским уширением. Нелинейные методы позволяют извлекать и исследовать различные скрытые для традиционных методов характеристики. Например, в разд. 4.2 рассмотрено влияние насыщающего поля на поглощение слабого пробного луча при распространении его навстречу сильному. Эта ситуация схожа с поглощением в лазерном резонаторе. Различие состоит в том, что амплитуды двух полей в резонаторе равны между собой. Отказ от этого ограничения существенно расширяет возможности спектроскопии.
Если один из уровней сильно насыщенной двухуровневой системы слабо связан с некоторым третьим уровнем, это дает новые возможности для исследования такой системы. Спектроско- НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
173
пия трехуровневых систем такого типа сыграла важную роль в развитии применения лазеров, и ей посвящен разд. 4.3. Там же обсуждаются некоторые частные случаи, важные для приложений.
Одним из традиционных методов исследования однородной формы спектральных линий при большой доплеровской ширине является так называемый «метод пересечения уровней». On был предложен Ханле еще в 1923 г. Применение лазеров позволяет реализовать несколько вариантов этого метода. Мы обсудим и сравним их в разд. 4.4.
В последние годы в связи с исследованием многофотонного возбуждения молекул1* возрос интерес к изучению TV-уровневых систем. Такие задачи представляют несомненную ценность для работ по лазерному разделению изотопов и лазерной химии. Так как рассматриваемые здесь модели весьма разнообразны и сложны, в разд. 4.5 мы обсудим лишь основные направления и некоторые приближения.
Выбор вопросов в этой главе сугубо субъективен. Мы не коснемся многих важных приложений. В частности, совсем не обсуждается влияние насыщения на дисперсию (а не на поглощение) среды. Из уравнения (3.39) видно, что из-за дисперсионной части восприимчивости влияние активной среды сказывается на изменении фазы излучения, причем это зависит и от скорости частицы среды, и от интенсивности возбуждающего излучения. Следовательно, есть возможность по-разному изменять фазовые сдвиги для различных проходящих через среду волн. Например, две компоненты эллиптически поляризованного света могут претерпевать разные фазовые сдвиги, что ведет к вращению плоскости поляризации (эффект Фарадея). Частотные зависимости изменения поляризации при насыщении системы с близкими уровнями во многом сходны со спектром поглощения. Это было использовано Хэншем и !Павловым для исследования спектра с помощью поляризационных свойств света (разд. 4.2в).
Если диэлектрическая проницаемость в оптическом резонаторе Фабри — Перо зависит от интенсивности света, то его оптическая длина может изменяться так, что условие резонанса будет
