Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Глава 1. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРОВ1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРАХотя прошло всего около двадцати пяти лет с момента рождения лабораторных макетов квантовых генераторов и усилителей, они настолько прочно вошли в повседневную жизнь людей, что уже не только в научных и учебных институтах им уделяется значительное внимание, но и в школьных курсах физики рассказывают о принципах работы и устройстве этих приборов. Напомни, что в основе положена квантовая теория, разработанная А. Эйнштейном, II. Бором, М. Планком и другими учеными. В любом физическом теле, твердом, жидком или газообразном, молекулы движутся, колеблются, вращаются; то же делают и атомы. А в атомах перескакивают с орбиты на орбиту электроны, при этом они обмениваются энергией. В соответствии с квантовой теорией излучения энергия элементарных излучателей может изменяться только скачками, кратными некоторому значению, постоянному для данной частоты излучения. Минимальная «порция» энергии называется квантом энергии. Обозначается квант следующим образом: энергия равна произведению частоты на некоторую постоянную, называемую постоянной Планка:
здесь
При этом излучение рассматривается как поток элементарных частиц, которым присвоено название фотона. Фотоны обладают количеством движения
где с — скорость света. Эти формулы поражают своей простотой, хотя описывают явления с такими сложными объектами, как фотоны. Формулы являются основными в квантовой теории света, ибо они связывают энергию кванта света с частотой, а также длиной волны, поскольку
где Таким образом, фотон является одновременно и частицей, и волной, т. е. прнзнается возможным соединение в одном объекте волновых и механических свойств, вытекающее из постулатов принципиально новой науки о микромире — волновой, или квантовой, механики. Взаимодействие элементарных излучателей (назовем их микросистемой) и света характеризуется энергией и импульсом как микросистемы, так и кванта света. Причем эти параметры оцениваются и до, и после столкновения кванта и микросистемы. Сталкиваясь с микросистемой, квант света возбуждает атомы и молекулы, отдавая им свою энергию. Наиболее сильное (резонансное) взаимодействие происходит тогда, когда частота колебаний кванта света совпадает с одной из собственных частот колебаний электронов микросистемы. В этом случае атомы и молекулы, находясь в возбужденном состоянии, становятся вторичными излучателями квантов. При взаимодействии света и микросистемы происходит обмен энергией, при котором рождаются одни и уничтожаются другие кванты света. В соответствии с законом сохранения энергии возможны три вида взаимодействия. При первом виде взаимодействия наблюдается полное поглощение кванта света микросистемой — энергия микросистемы возрастает. При втором виде взаимодействия происходит лишь частичное поглощение энергии, а часть энергии рассеивается.
Рис. 1. Схема двухуровневой энергетической системы В третьем случае поглощение энергии идет с последующим испусканием ее — наблюдается излучение света. Эти рассуждения относительно взаимодействия квантов света и микросистемы справедливы для анализа взаимодействия системы с электромагнитными колебаниями как видимого диапазона, так и для анализа взаимодействия с электромагнитными колебаниями ультрафиолетового, инфракрасного и сверхвысокочастотного диапазонов. Важным остается следующий вывод: электромагнитное излучение, взаимодействуя с микросистемой, изменяет ее внутреннюю энергию. Поскольку микросистема включает в себя молекулы, атомы, ионы и электроны, то их энергетическое состояние (в полном соответствии с квантовой природой материи и энергии) можно представить в виде дискретного ряда энергии, обозначаемой на рис. 1 в виде энергетических уровней. Таким образом, можно отметить, что внутренняя энергия системы квантована. Частицы обозначаются кружочками и располагаются на соответствующих уровнях. Они могут совершать переход с одного уровня на другой. При этом переходе либо излучается энергия, либо поглощается, что соответствует вполне определенному движению и ориентации частиц. Изменение движения и ориентации может иногда происходить одновременно. На рисунке показана схема двухуровневой энергетической системы. Энергию частиц, находящихся на нижнем уровне, обозначим через
Таким образом, если сообщать системе дополнительную энергию на частоте перехода, то это можно графически представить как переход частиц с нижнего уровня на верхний. Энергия системы возрастает. Если же система излучает энергию, то это графически можно представить как переход частиц с верхнего уровня на нижний. Первое состояние системы, когда число частиц на верхнем уровне меньше, чем на нижнем, характеризуется выражением Больцмана
где Такое состояние системы носит название равновесного, в этом случае говорят — система находится в тепловом равновесии. А. Эйнштейн показал, что если допустить формально, что Теоретически доказано, а экспериментально подтверждено, что если система имеет инверсную населенность, то имеется определенная вероятность того, что через некоторый промежуток времени она перейдет в равновесное состояние и произойдет излучение энергии.
Рис. 2. Схема взаимодействия излучения со средой Эта вероятность имеет две составляющие: постоянную и переменную. Постоянная составляющая вероятности перехода из верхнего состояния в нижнее аналогична вероятности распада радиоактивного вещества: она зависит от свойств системы и данного перехода и не зависит от внешних факторов Переменная составляющая линейно зависит от плотности энергии поля на частоте перехода, действующего на систему извне. Наличие поля на частоте перехода повышает вероятность излучения системой, находящейся в верхнем состоянии. Если поле, действующее на систему извне, отсутствует, то процесс перехода, сопровождаемый излучением, дает так называемое спонтанное излучение. Если же на систему действует внешнее поле на частоте перехода, то процесс спонтанного излучения совершается по-прежнему. Однако внешнее поле на частоте перехода повышает вероятность этого перехода, вызывая излучение, находящееся в определенном фазовом соотношении с внешним полем. Причем вынужденные фотоны вылетают в том же направлении, что и влетевший. Этот процесс называется вынужденным или индуцированным излучением. Иллюстрация характера поглощения и излучения средой с различной населенностью уровней приведена на рис. 2. В левой части рисунка показан процесс поглощения энергии средой с равновесной населенностью (с положительной температурой). В правой части показан процесс излучения энергии (усиления ее) средой, находящейся в состоянии с отрицательной температурой, т. е. имеющей инверсную населенность энергетических уровней. В общем виде эти процессы описываются выражением
где Коэффициент а зависит от того, сколько частиц среды находится на верхнем и нижнем уровнях, т. е. их населенности:
здесь
Если взятая нами среда находится в инверсном состоянии
Таким образом,
Отношение Академиком А. М. Прохоровым было предложено использование системы из двух зеркал, между которыми следовало располагать среду. При этом используется эффект многократного прохождения излучения через среду. за счет отражения от зеркальных поверхностей. Этот эффект аналогичен получению положительной обратной связи в системе усиления. Он приводит к резонансному усилению электромагнитной энергии, которое определяется выражением
где А — усиление без обратной связи, Когда произведение
где В случае использования плоских зеркал расходимость лазерного пучка будет определяться соотношением
где Еще сложнее зависимость расходимости лазерного пучка определить для лазера не с плоскими, а с «кривыми» зеркалами. В этом случае расходимость зависит не от диаметра среды, а определяется диаметром так называемой «перетяжки», т. е. самого узкого места внутри резонатора, от которого луч расходится в обе стороны. Здесь можно отметить, что реальная расходимость лазерного луча гораздо больше, чем расчетная, полученная по формуле дифракции (по некоторым данным, реальная расходимость на один-два порядка больше расчетной). Таким образом, для получения индуцированного излучения необходимо обеспечить следующие условия: иметь среду, которая могла бы принимать состояние с отрицательной температурой (обеспечивать инверсную населенность уровней); создать перенаселенность верхнего энергетического уровня по сравнению с нижним, для чего использовать источник энергии, который переводил бы систему в возбужденное состояние. Таким источником может быть световая энергия, электронная бомбардировка, атомная энергия и др.; выполнить условие самовозбуждения
где вывести энергию из резонатора, для чего одно из зеркал делается полупрозрачным либо с отверстием для вывода света определенной длины волны. Лазерное излучение характеризуется следующими особенностями (в отличие от теплового излучения): узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оптической оси; монохроматичностью, которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня; значительной выходной мощностью, гак как в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны; когерентностью пространственной, поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распределения волн; когерентностью временной, поскольку излучение монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени.
|
1 |
Оглавление
|