ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 30
Скачиваний: 0
Лавинообразное нарастание числа фотонов в активной среде
тятся ими и процесс прекратится. В среде, в ко торой возбужденных частиц больше, чем невозбуждениых, фотоны чаще будут сталкиваться с возбужденными частицами. При такой встрече каждый из них выбивает еще по одному допол нительному фотону. Число фотонов, а следова тельно, интенсивность света начинают быстро увеличиваться.
В результате в среде развивается лавинный процесс, своеобразная реакция, напоминающая цепную ядерную реакцию. Интенсивность света увеличивается, как скатывающийся с горы снежный ком, образующий мощную лавину. Такой процесс нарастания числа квантов и про исходит в оптических квантовых генераторах. Если в эту лавину удается вовлечь все или почти все возбужденные частицы, то среда на чинает излучать мощный пучок света — гене рировать свет.
12
Сердце генератора. В обычных условиях вещество всегда ослабляет проходящий через него свет. Происходит это потому, что число невозбужденных частиц всегда больше числа возбужденных. В такой среде поглощение преобладает над испусканием. Как мы уже видели, вынужденное испускание открывает возможность создания среды, которая будет не ослаблять, а усиливать проходящий через нее свет. Но для этого вещество должно быть приведено в такое состояние, в котором боль шая часть частиц возбуждена, а процессы вы нужденного испускания преобладают над про цессами поглощения. Такие усиливающие свет среды называют активными, или средами с инверсной (обратной) населенностью частиц по энергетическим уровням. При инверсной населенности хотя бы на одном из возбужден ных уровней число частиц будет больше, чем на каком-либо другом уровне с меньшей энер гией. В поглощающих средах, наоборот, чем выше энергетический уровень, тем меньше на нем частиц. Активная среда — это не новое особое вещество, а обычное вещество в особом состоянии. Такое состояние может быть реали зовано в твердых телах, жидкостях и газах. Активная среда является одним из основных элементов оптических квантовых генераторов. Без нее работа этих новых устройств невоз можна. Активная среда — сердце генератора.
Питание генератора. Для перевода среды в активное состояние ей необходимо сообщить определенную энергию, среду необходимо «на качать» энергией. Значит, должно быть внеш нее воздействие, которое возбуждает частицы
13
и тем самым создает активную среду. Такое воздействие, служащее источником энергии для генерации, называют накачкой. При этом необходимо, чтобы величина накачки превы шала определенное значение, называемое по рогом.
Квантовые генераторы — это своеобраз ные трансформаторы, в которых энергия внеш него воздействия превращается в энергию остронаправленного монохроматического све тового луча.
Существует несколько способов накачки. В генераторах на твердых телах (кристаллах, стеклах, пластмассах) и жидкостях для созда ния активной среды обычно используют мощный световой поток, так называемую опти ческую накачку. В газовых лазерах возбужде ние среды производится электрическим разря дом переменного либо постоянного тока. Иногда используется оптическая накачка.
Генерация в полупроводниках может быть возбуждена при прохождении тока через полу проводниковый диод, оптически, например ла зерным лучом, а также пучком быстрых элек тронов.
Следует иметь в виду, что обычным нагре ванием создать активную генерирующую сре ду невозможно. Хотя при нагревании число частиц на верхних уровнях увеличивается, однако оно всегда меньше числа частиц на нижнем уровне. Поэтому, как бы ни была вы сока температура, нагретое тело будет только поглощать, но никак не усиливать падающее на него излучение. Вот почему квантовые ге нераторы — это холодные источники света.
14
Световая ловушка. Для получения генера ции недостаточно иметь активную, усилива ющую среду. В среде с инверсной населен ностью всегда имеется спонтанное неупоря доченное излучение. Простым усилением спон танного излучения остронаправленный луч по лучить невозможно. Необходимо еще устрой-
Полупрозрачное
Луч света, распространяющийся под углом к оси резонатора, после нескольких прохождений выхо дит из активной среды, а лучи, перпендикулярные к зеркалам, проходят ее многократно
ство, которое создало бы особые условия для преимущественного усиления света со строго определенными характеристиками. Такими устройствами служат резонаторы, состоящие в простейшем случае из двух полупрозрачных зеркал, расположенных по краям активной среды. Зеркала заставляют фотоны, распро страняющиеся перпендикулярно к их поверх ности, многократно проходить через усиливаю щую среду. Резонатор играет роль своеобраз ной световой ловушки.
Простейшим резонатором могут служить две плоскопараллельные торцевые поверх ности рабочего стержня. Будучи границей
15
раздела |
двух сред: |
воздух — активное веще |
ство— они могут |
отражать от 4% (стекло) |
|
до 35% |
(полупроводники) света. Чтобы уве |
личить коэффициент отражения, на торцы на пыляют тонкий слой серебра или же наносят специальные диэлектрические отражающие по крытия.
В последнее время для научных исследова ний все чаще применяются выносные плоско параллельные и сферические зеркала. Резона тор не только способствует возникновению генерации, но и определяет направление гене рируемого излучения. О том, как это проис ходит, мы расскажем ниже.
Итак, нам уже известны все основные части генератора: активная среда, устройство для накачки и резонатор.
Среда стреляет светом. Процесс генерации.
Предположим, что нам удалось за счет внеш него воздействия перевести большинство ча стиц на верхний энергетический уровень и со здать таким образом активную среду, в кото рой процессы усиления будут преобладать над процессами поглощения. Такая среда, по добно заряженному пистолету, готова к вы стрелу, готова вернуть в виде излучения пере данную ей энергию. Спустить курок пистоле та поможет первоначальный квант, который всегда имеется в среде и может быть обуслов лен, в частности, либо спонтанным, либо теп ловым испусканием.
Однако не любой квант света способен вы звать генерацию и разрядить активную среду. Эту задачу может выполнить только квант, летящий вдоль оси генератора перпендикуляр-
16
Удвоение частоты лазерного луча в среде с нелинейными свойствами
Работает лазерный телефон
но зеркалам резонатора. Все другие кванты, распространяющиеся под углом к оси резона тора, не способны вызвать генерацию (см. рис. на стр. 15).
Действительно, если фотон летит под углом
к оси резонатора, то, пролетев небольшой путь
вактивной среде, он вскоре выходит из нее. Встретив на своем пути возбужденные части цы, этот первоначальный фотон вызывает их вынужденное испускание. Вновь образовав шиеся фотоны распространяются в том же на правлении и также вскоре выходят из среды. На этом цепочка обрывается, генерация не наступает, происходит лишь усиление света.
Чтобы среда была источником света, чтобы она генерировала, в процесс испускания необ ходимо вовлечь все или почти все возбужден ные частицы. Для этого выходящий квант све та необходимо вернуть обратно, заставить его проходить активную среду много раз. Эту за дачу выполняет резонатор.
Кванты света, распространяющиеся перпен дикулярно зеркалам резонатора вдоль оси системы, обрастают на своем пути все новыми и новыми квантами, попадают на одно из зеркал резонатора и отражаются от него в об ратном направлении. Затем вся совокупность фотонов, вновь усиливаясь при прохождении между зеркалами, попадает на другое зерка ло, отражается от него и снова усилива ется и т. д. Этот процесс размножения и ла винного нарастания фотонов повторяется мно гократно, приводя к возникновению мощного направленного светового импульса — к гене рации излучения. Если зеркала полупрозрач-
17
ные, то через них будет выходить световой пу чок огромной яркости в направлении, перпен дикулярном зеркалам.
Сам процесс образования излучения кван тового генератора, когда кванты вызывают себе подобные, приводит к тому, что все лучи оказываются согласованными между собой по частоте и фазе, т. е., как говорят, когерентны. Кроме того, генерируемое излучение распро страняется очень узким пучком (в малом те лесном угле). Для каждой активной среды имеется свой вполне определенный цвет луча, т. е. своя длина электромагнитной волны.
Из биографии лазеров. Хотя идея Эйн штейна о существовании вынужденного излу чения была известна уже давно, однако толь ко через несколько десятилетий, в 1954 г., советским физикам Н. Г. Басову и А. М. Про хорову и одновременно американскому учено му Ч. Таунсу удалось впервые наблюдать и использовать вынужденное излучение. За пят надцать лет до этого, в 1939 г., молодой мос ковский физик В. А. Фабрикант в своей док торской диссертации обосновал возможность использования вынужденного излучения для создания среды, усиливающей свет. Война прервала эти работы, но уже в 1951 г. В. А. Фабрикант с группой сотрудников офор мил авторскую заявку на изобретение, в которой «предлагается способ усиления элек тромагнитного излучения, основанный на использовании явления индуцированного испу скания, теоретически разработанного Эйн штейном в 1917 г. Способ пригоден для усиле-
18
А
нйя ультрафиолетового, видимого, инфракрас ного и радиодиапазонов...»
Примерно в это же время в Физическом институте Академии наук СССР детальным изучением вынужденного излучения занима лись бывшие фронтовики, учитель и ученик — А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. В 1954 г. их замечательные исследования увенчались успехом — был создан на аммиаке первый квантовый генератор сверхвысоких частот. Активная среда в генераторе состояла из воз бужденных молекул аммиака, которые отде лялись от невозбужденных частиц с помощью неоднородного электрического поля. Это был квантовый генератор не световых волн, не лазер, а генератор микроволнового диапазо н а — мазер. За создание молекулярных гене раторов и усилителей Н. Г. Басов и А. М. Про хоров в 1959 г. были удостоены Ленинской
премии. |
дальнейших |
исследований |
|
В |
процессе |
||
Н. Г. |
Басов и А. |
М. Прохоров, |
а также уче |
ные США А. Шавлов и Ч. Таунс в 1958 г. по казали, что можно получить генерацию види мого света. Через два года Т. Мейман по строил первый импульсный генератор света на рубине. В конце 1961 г. А. Джаван создает газовый генератор непрерывного действия, а в следующем году в СССР и в США появ ляются первые полупроводниковые оптические квантовые генераторы. За разработку и созда ние первых полупроводниковых лазеров боль шой коллектив советских ученых был удостоен в 1964 г. Ленинской премии.
|
Успешно стала развиваться новая наука — |
2* |
19 |