Лекция 1. Введение.
Определение лазера. Лазеры-генераторы.
Сэм М.Ф. Лазеры и их применение. Соросовский образовательный журнал. 1996, №6, с. 96-98.
1. Определение лазера
Лазерами называются устройства, преобразующие различные виды энергии в энергию светового излучения в результате вынужденного излучения или вынужденного рассеяния света.
В основе работы большинства лазеров лежит процесс вынужденного испускания электромагнитного излучения (фотонов) атомами и другими квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях. Возбужденные за счет энергии накачки квантовые системы взаимодействуют с проходящим резонансным световым излучением. В результате взаимодействия квантовые частицы переходят в состояния с меньшей энергий, а резонансное световое излучение усиливается (такие переходы частиц называются вынужденными, а испускаемое в результате перехода излучение называется вынужденным).
Термин «лазер» является аббревиатурой слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает “усиление света при вынужденном излучении”. В современном значении термин используется также и для обозначения устройств, в которых для усиления света используется вынужденное рассеяние. В этом случае энергия светового излучения накачки в результате нелинейного взаимодействия с усиливаемым светом в активной среде преобразуется в энергию усиливаемого света.
Лазерами в широком значении термина называют три класса устройств:
1. Лазеры генераторы.
2. Оптические усилители.
3. Источники усиленного спонтанного излучения.
В узком значении термин применяется к лазерам генераторам. Любой лазер генератор состоит из трех компонент: устройства накачки, активной среды и устройства, осуществляющего обратную связь. Для возникновения генерации необходимо, чтобы усиление света активной средой превышало суммарные потери в устройстве, осуществляющем обратную связь, и в других элементах лазера. В этом случае амплитуда (интенсивность) света после полного обхода лазера увеличивается и из спонтанных шумов развивается лазерная генерация.
Оптические усилители отличаются от лазеров генераторов отсутствием обратной связи. В ряде случаев необходимо даже принимать специальные меры для ослабления паразитной обратной связи, чтобы предотвратить возникновение нежелательной генерации излучения.
Усилители предназначены для усиления оптических сигналов и характеризуются коэффициентом усиления, спектром усиления, мощностью насыщения, шум-фактором, коэффициентом перекрестных помех, эффективностью и другими параметрами.
В отсутствии усиливаемого сигнала на входе усилителя его выходное излучение не равно нулю, т.к. в нем происходит усиление излучения, возникшего в результате спонтанного излучения. В этом режиме усилитель является источником усиленного спонтанного излучения.
2. Спонтанное и вынужденное излучение
При классическом описании удается получить выражения для спектров поглощения, при этом приходится вводить специальные феноменологические величины – силу осциллятора.
Закон Бугера – основной закон классической оптики.
В классической оптике все частицы –
поглощающие.
Модель двухуровневой среды.
Поглощение – результат взаимодействия поля с не возбужденными частицами.
Вынужденное излучения – аналог поглощения: результат взаимодействия поля с возбужденной частицей.
Коэффициент поглощения и усиления при взаимодействии с резонансной двухуровневой средой:
