2. Аналогия между электронным генератором электромагнитных колебаний и оптическим квантовым генератором — лазером

Усиление и генерация электромагнитных колебаний осуществляются в классической электронике по простой схеме, показанной на рис. 2.1. Генерацию получают в усилительном каскаде путем введения положительной обратной связи. В качестве анодной нагрузки выступает резонансный контур. Каскад самовозбуждается, если обратная связь положительна и достаточно сильна; в этом случае нет необходимости в подаче сигнала на вход. Аналогичным образом происходят процессы усиления и генерации электромагнитных волн в оптическом диапазоне (рис. 2.2). Если некоторое вещество, называемое в дальнейшем активной средой, обладает в определенных условиях отрицательным поглощением по отношению к световому пучку с длиной волны к, то мы получим на выходе усиленный световой пучок, который можем с помощью зеркала вновь направить, полностью или частично, в активную среду. В оптике хорошо известно, что интерференция падающей и отраженной волн приводит к образованию стоячей волны с удвоенной амплитудой. Как видно из рис. 2.2, оба зеркала выполняют

Рис. 2.1. Блок-схемы и принципиальные схемы усилителя и генератора электромагнитных колебаний.

Рис. 2.2. Принципиальные схемы усилителя и генератора оптического излучения.

функцию положительной обратной связи. Если усиление света в среде настолько велико, что превосходит потери на отражение, дифракцию и рассеяние, то в такой системе возможно возбуждение незатухающих оптических колебаний. Разумеется, в соответствии с законом сохранения энергии для поддержания активной среды в состоянии с отрицательным поглощением необходимо подводить энергию извне. Ни в одном веществе в естественном состоянии такое поглощение не проявляется. Предположим, что в качестве активной среды используется кристалл рубина. Если осветить его мощной лампой-вспышкой, рубин будет сильно поглощать зеленый, голубой и ультрафиолетовый свет и флюоресцировать на длине волны А (красный свет). Ширина линии флюоресценции составляет несколько ангстрем. Условие резонанса для системы из двух плоских параллельных зеркал имеет вид (рис. 2.3)

где — расстояние между зеркалами (длина оптического резонатора), целое число. Для упрощения мы здесь не учитываем изменение длины световой волны в усиливающей среде и принимаем во внимание лишь продольные моды. В результате интерференции бегущей волны с обратной возникает стоячая световая волна.

При . Очевидно, оптический резонатор поддерживает лишь те моды, которые получают энергию от флюоресценции рубина. Поскольку в резонаторе возможно существование многих мод в пределах ширины линии флюоресценции (рис. 2.4), если для этих мод выполняются условия

Расстояние между соседними осевыми или продольными модами, выраженное с помощью волновых чисел, равно

Рис. 2.3. Схема плоского оптического резонатора.

Рис. 2.4. Линия флюоресценции рубина и продольные (осевые) моды резонатора, которые умещаются в пределах ширины линии.

При . В пределах естественной ширины линии флюоресценции рубина помещается около 80 продольных мод с близкими длинами волн. В реальном лазере происходит значительное сужение эмиссионной линии (обычно до . Это обусловлено как явлением вынужденного испускания, которое лежит в основе действия лазера, так и сильной конкуренцией между модами (типами колебаний). В результате некоторые моды достигают максимального развития за счет энергии других мод. Сужение линии генерации лазера в значительной степени зависит также от добротности оптического резонатора.