441,95 Kb.НазваниеУчебное пособие по курсу «Физика» Для студентов бгуир всех специальностей и форм обучениястраница2/4Дата конвертации13.10.2012Размер441,95 Kb.Тип 2 10.2. Отрицательное поглощение (усиление) света Как уже отмечалось, работа лазера основана на явлении вынужденного испускания. Эйнштейн показал, что новый фотон, возникший в результате вынужденного перехода атома рабочего вещества лазера в состояние с меньшей энергией, имеет точно такую же энергию и импульс, что и фотон, вызвавший этот переход (рабочее вещество лазера принято называть его активной средой). На волновом языке это означает, что вынужденное испускание приводит к увеличению амплитуды проходящей световой волны без изменения ее частоты, фазы и поляризации; следовательно, вынужденное и индуцирующее излучение строго когерентны. Одновременно с вынужденным испусканием протекает процесс поглощения электромагнитного излучения, обусловленные переходами атомов из основного в возбужденные состояния. Следовательно, интенсивность светового пучка, проходящего через активную среду лазера, определяется тем, какой из двух перечисленных процессов преобладает. Если доминирует поглощение, интенсивность уменьшается, если же преобладает вынужденное испускание, интенсивность пучка увеличивается. Поглощение света в веществе определяется законом Бугера-Ламберта:. Здесь - интенсивность пучка на передней границе поглощающего слоя, - интенсивность на глубине , положительная величина называется показателем поглощения. В 1951 г. российские физики Вудынский и Фабрикант высказали следующую идею: для усиления светового пучка поглощающее вещество необходимо привести в такое состояние, когда показатель поглощения имеет отрицательные значения. Из закона Бугера-Ламберта следует, что в этом случае интенсивность света будет увеличиваться за счет вынужденного испускания. Явление усиления светового пучка, наблюдаемое в активной среде лазера, иногда называют отрицательным поглощенем. В рамках квантовых представлений это выглядит следующим образом. Фотон, проходящий через активную среду, при встрече с возбужденным атомом индуцирует его переход в состояние с меньшей энергией. В результате этого возникает еще один фотон, обладающий точно такой же энергией и импульсом. Эти два фотона, перемещаясь в активной среде, вызывают появление двух точно таких же фотонов, и т.д. Таким образом происходит лавинообразное нарастание количества фотонов, т.е. увеличение интенсивности светового пучка. Для более эффективного усиления активная среда помещается в оптический резонатор; он представляет собой два плоскопараллельных зеркала, одно из которых полупрозрачное. Любой фотон, возникший в результате спонтанного испускания, импульс которого направлен перпендикулярно зеркалам, является «затравкой» процесса усиления. Он порождает лавину фотонов, распространяющихся в том же направлении. Небольшая часть из них поглощается зеркалами, часть выходит наружу через полупрозрачное зеркало, а часть отражается и вызывает дальнейшее нарастание фотонной лавины. Таким образом в оптическом резонаторе реализуется положительная обратная связь, необходимая в любом генераторе электромагнитных колебаний. В современных лазерах в резонатор помещают электрооптический затвор, который позволяет потоку фотонов выйти через полупрозрачное зеркало лишь после того, как будет достигнута определенная интенсивность светового пучка. Следует иметь в виду, что лавина фотонов будет нарастать только в том случае, когда увеличение интенсивности за один проход активной среды по крайней мере компенсирует потери энергии при отражении от зеркал резонатора. Без учета потерь усиление светового пучка за один проход можно представить в виде отношения. Здесь - интенсивность на входе в активную среду, - на выходе из нее, - показатель отрицательного поглощения, протяженность активной среды. Отсюда следует, что усиление за два прохода составляет Потери энергии светового пучка при отражении можно учесть путем использования коэффициента отражения зеркал (, который равен отношению интенсивности пучка до и после отражения. Если коэффициент отражения обоих зеркал считать одинаковым, то усиление светового пучка за два прохода по резонатору (т.н. называемый коэффициент усиления) равен . Приравняв это выражение к единице, получаем условие, при выполнении которого усиление компенсирует потери: . В результате логарифмирования этого равенства находим необходимый минимальный показатель отрицательного поглощения, при котором возможно усиление: . Понятно, что если увеличивать мощность накачки, интенсивность светового пучка, выходящего из резонатора, также будет увеличиваться. Кроме условия , которое можно назвать энергетическим, для усиления светового пучка необходимо выполнение фазового условия стационарной генерации. Оно продиктовано волновой природой света и состоит в том, что световая волна, пришедшая в определенную точку активной среды после любого количества отражений, должна иметь фазу, отличающуюся от фазы первичной (затравочной) волны в этой же точке на величину, кратную . В свою очередь, это условие накладывает ограничение на соотношение между длиной волны и расстоянием между зеркалами резонатора: (14) В случае выполнения этого условия, в результате суперпозиции первичной и всех вторичной волн амплитуда результирующей волны в рассматриваемой точке активной среды резко увеличится; при этом световые пучки, выходящие при каждом отражении от полупрозрачного зеркала, будут строго когерентны между собой. Сделав в (14) замену (здесь - скорость света в вакууме, показатель преломления активной среды), можно найти частоты световых волн, генерируемых в резонаторе: Возможные значения должны удовлетворять известному условию Бора, связывающему частоту световой волны с разностью энергий уровней частиц активной среды. На первый взгляд, необходимость одновременного выполнения фазового условия и условия частот Бора существенно усложняет практическую реализацию усиления световых пучков (это обусловлено очень жесткими требованиями к точности изготовления резонаторов). В действительности фазовое условие оказывается не столь строгим из-за уширения спектральных линий спонтанного испускания. Иначе говоря, выполнение условия (14) существенно упрощается за счет того, что частота спонтанного перехода имеет некоторый разброс значений в пределах спектральной ширины линии. Для того чтобы сформулировать условия, при которых вещество обладает отрицательным показателем погло
10.2. Отрицательное поглощение (усиление) света - Учебное пособие по курсу «Физика» Для студентов бгуир всех специальностей...
Комментариев нет:
Отправить комментарий