Principles of Lasers

Third Edition

Orazio Svelto

Polytechnic Institute of Milan and National Research Council

Milan, Italy

Translated from Italian and edited by

DAVID C. HANNA

Southampton University Southampton, England

Plenum York and London

_{О. Звелто}

^{Принципы}

_{лазеров}

Издание третье, переработанное и дополненное

Перевод с английского Е. В. Сорокина, И. Т. Сорокиной

и К- Ф- Шишлова

Москва «Мир» 1990

под редакцией Т. А. Шмаонова

ББК 22.543 343 j УДК 681.7.069.24

Звелто О.

343 Принципы лазеров: Пер, е англ.— 3-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1990. - 560 с, ил.

ISBN 5-03-001053-Х

3

50—90 ББК 22.543

Редакция литературы по физике и астрономии

Isbn 5-03-001053-х (русск.) isbn 0-306-42967-5 (англ.)

И. Т., Сорокин Е. В., Шипилов К. Ф. 1990

© 1989 Plenum Press, New York <© перевод на русский язык, Сорокина ^UH.T., Сорокин Е. В., Шипилов К. Ф.,

Предисловие редактора перевода

Книга проф. Орацио Звелто, известного итальянского уче­ного, одного из пионеров исследований в новой области фунда­ментальной и прикладной физики — квантовой электронике, ро­дившейся тридцать лет назад, дает последовательное изложе­ние основ физики лазеров. Большой опыт автора — ученого и педагога — позволил ему отобрать наиболее существенное и представить материал таким образом, что книга легко воспри-шшается как студентом, усвоившим курсы общей физики и квантовой механики, так и опытным научным работником и инженером, для которых она может служить справочным по­собием.

В нашей стране это учебное пособие выдержало уже два издания (О. Звелто, Физика лазеров.— М.: Мир, 1979; О. Звел­то, Принципы лазеров. - М.: Мир, 1984). Оба издания были рас­куплены сразу же после выхода их в свет. Книга получила за­служенное признание в университетах, технических вузах и

многочисленных научно-исследовательских учреждениях страны.

С момента появления первого издания прошло десять лет. Для лазеров это был период закрепления позиций в приложе­ниях, что обусловило необходимость изучения лазеров специа­листами самых разных областей знания. Лазеры стали необхо­димым элементом в таких жизненно важных областях, как световод н а я связь, технология обработки материалов, микро­электроника, медицина, научные исследования, в частности кос­мические исследования, и т. п. Без применения лазерных приборов теперь невозможно представить себе ни современную науку, ни передовую технологию.

Успех книги объясняется, по-видимому, и тем обстоятель­ством, что автор работал над ней непрерывно в течение почти двух последних десятилетий, и представляемое читателю 3-е из­дание отражает как сам прогресс в физике и принципах кон­струирования лазеров, так и потребности читателей. Последнее в большей степени связано с тем, что проф. Звелто — блестящий педагог — читает курс лекций по лазерам в Миланском политехническом институте (Италия) и одновременно ведет большую научную работу, возглавляя Научный лазерный центр этого института, который активно сотрудничает с промышлен­ностью.

Следует заметить, что в первом и втором изданиях книги была глава о применениях лазеров. В третьем издании автор от нее отказался. Такое решение, по-видимому, было неизбежным, поскольку дать представление на серьезном уровне об обшир­ных применениях лазеров в одной главе практически уже не­возможно. Это тема отдельного, не менее объемного курса.

В своем предисловии автор четко охарактеризовал основные отличия содержания нового издания от предыдущего. Можно добавить лишь, что в 3-м издании рассмотрение полуклассиче­ской теории лазерного излучения перенесено в Приложение к книге. Это по крайней мере должно также способствовать об­щей стройности изложения теоретических основ. Хотя структу­ра книги во всех трех изданиях одна и та же, 3-е издание столь

^{существенно переработано, что его можно считать новой книгой.}

Данное издание будет полезно очень широкому кругу лиц: студентам, преподавателям, научным работникам, инженерам-исследователям, а также разработчикам различных систем.

Хотелось бы поблагодарить автора книги и издательство «Плинум Пресс» за внимание к подготовке 3-го издания книги на русском языке, выразившееся, в частности, в присылке гра­нок до выхода в свет издания на английском языке.

Перевод выполнен научными сотрудниками Института общей физики АН СССР Сорокиной И. Т. (гл. 5, 6, 8 и Приложение), Сорокиным Е. В. (предисловие, гл. 2—4, ответы к задачам) и Шипиловым К. Ф. (гл. 1 и 7).

Т. А. Шмаонов

•

...Laser... inter eximia natu­rae dona numcratum plurimis compositionibus inscritur

...Лазер — один из чудес­нейших даров природы, имею­щий множество применений. Плиний Старший. «Естествен­ная история», XXII, 49 (1в.н.э.)

Лазер во времена греко-римской цивилизации (пояснение к цитате изПлиния Старшего)

*

В период греко-римской цивилизации (ориентировочно начиная с б в. до н. э. и кончая 2 в. н. э.) лазер был широко известен и весьма прославлялся. В отличие от современного лазера это было в действительности растение, обладавшее, впрочем, не менее замечательными свойствами. Это растение (относившееся, возможно, к зонтичным) в диком виде встречалось на боль­шой территории около г. Кирены (в настоящее время принадлежит Ливии). Иногда это растение именовали также Lascrpitium и за почти чудодействен­ные свойства считали божьим даром. Оно применялось для лечения множе­ства болезней — от простуды до различных эпидемических заболеваний. Его использовали как противоядие против укуса змей, скорпионов или при попа­дании в тело отравленной стрелы. Благодаря своим прекрасным вкусовым качествам это растение употребляли в качестве изысканной приправы в са­мой лучшей кухне. Оно представляло собой столь большую ценность, что считалось основным источником процветания Кирены; его вывозили как в Грецию, так и в Рим. В период римского господства это была единственная дань, которую жители Кирены платили римлянам, хранившим лазер в своих сундуках вместе с золотыми слитками. Возможно, лучшим свидетельством существования лазера (растения) является его изображение на известной чаше Арцесилао (эта чаша хранится теперь в музее г. Кирены, Ливия), на которой можно видеть, как носильщики грузят лазер на корабль под наблю­дением короля Арцесилао. И греки, и римляне пытались выращивать лазер в различных частях Лпулии и Ионии (па юге Италии), но это им не удалось сделать. Впоследствии лазер встречался все реже и реже и, по-видимому, около 2 в, н. э. исчез навсегда. С тех пор, несмотря на то что предпринима­лись большие усилия найти лазер в пустынях к югу от Кирены, он так и не был обнаружен и, таким образом, останется утраченным сокровищем греко-римской цивилизации.

Предисловие к третьему изданию

Данное третье издание является существенно обновленной версией предыдущего и предпринято в связи с многочисленны­ми и значительными успехами, достигнутыми в области лазеров со времени выхода в свет второго издания в 1982 г.^!) Тем не ме­нее основная идея книги, состоящая в том, чтобы дать всеобъ­емлющее и единое описание процессов в лазерах на простей­шем уровне, который еще согласуется с правильной физической картиной, осталась без изменения. Сохранена также и общая организация книги, которая, таким образом, предназначена в

равной степени для аудиторных и самостоятельных занятий сту­дентов инженерных, физических и химических специальностей, заинтересованных в понимании принципов работы лазеров.

Основные дополнения, внесенные в данное издание, состоят в следующем:

1. Добавлены новые разделы, в которых рассматриваются различные типы лазеров, в частности рентгеновский лазер, но­вые твердотельные лазеры, в том числе лазер на александрите, и в значительной степени расширено описание полупроводнико­вых лазеров.

2* Более подробно изучается режим синхронизации мод,

включены новые разделы, касающиеся лазеров с «разгрузкой

резонатора» и методов сжатия оптического импульса.

3. Дается более глубокое и существенно менее сложное опи­сание когерентных и статистических свойств лазерного излуче­ния в сравнении с обычным светом.

4. Приводится значительно более глубокое рассмотрение фи­зики газового разряда.

Другие важные дополнения включают в себя некоторые раз­делы традиционной оптики (например, метод матрицы лучей,

интерферометр Фабри — Перо и многослойные диэлектрические зеркала), описание распространения гауссова пучка (закон ABCD) и теорию релаксации колебаний и активной синхрони­зации мод.

*> В переводе на русский язык эта книга вышла в свет в 1984 г.: О. Звелто. Принципы лазеров. — М: Мир, 1984. - Прим, ред.

Несмотря на то что в результате всего этого объем книги за­метно увеличился, новое издание, как я надеюсь, будет лучше

выполнять роль общего введения в область лазеров.

Мне приятно выразить признательность друзьям и колле­гам, предложения в помощи и поддержка которых, несомненно, способствовали улучшению книги во многих отношениях. Это Родольфо Бонифачио, Ян У. Бонд, Ричард К. Чен, Витторир Деджорджо, Ричард X. Пантелл, Фриц П. Шефтер, Ян Дж. Спеллинг и Борис Стойчефф. Я хочу также поблагодарить за критическое редактирование Дэвида С, Ханну, который сделал гораздо больше, чем просто перевел книгу. Большую помощь оказал также П. Лапорта, внимательно прочитавший книгу и внесший критические замечания. Наконец, я хочу поблагодарить Данте Чиньи за любезно предоставленный мне материал от­носительно истории «лазера» в период греко-римской цивили­зации.

_Милан

Орацио Звелто

¹

_{Введение}