Лекция 13 Оптические квантовые генераторы

Одним из крупнейших открытий последних десятилетий являются лазеры (ОКГ). Их работа основана на явлении усиления электромагнитных колебаний при помощи индуцированного (вынужденного) излучения. Возможность такого излучения была теоретически предсказана в 1916 году А.Эйнштейном. В 1939 году советский физик Фабрикант, изучая газовые разряды, указал на возможность усиления света при помощи индуцированного излучения. В 1952 году советские физики Басов и Прохоров, американский физик Таунс независимо друг от друга создали первый мазер. В мазере происходит усиление электромагнитных колебаний в сантиметровом диапазоне длин волн. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии. В 1960 году американский физик Нейман построил первый лазер. В лазере происходит усиление волн оптического диапазона индуцированным излучением. Лазеры дают излучение с уникальными свойствами и применяются в разных областях науки и техники. Практическое применение лазеров это медицина, химия, вычислительная техника, военное дело.

На примере лазеров проявляется связь теории и практики. Предсказаны лазеры были теоретически. В настоящее время практика опережает теорию, ставит перед ней вопросы, которые еще следует решить, например, вопрос о степени монохроматичности излучения, о максимально возможном КПД лазера.

Физические основы работы окг. Спонтанное и индуцированное излучение.

В основе работы лазера лежит взаимодействие излучения с веществом.

Спонтанное излучение.

Рис.1.

- основное состояние атом вещества,- энергия возбужденного состояния.

Пусть на вещество упал квант света с энергией . Он переведет атом из состоянияв состояние(переход). Квант света при этом поглощается.

В возбужденном состоянии атом может находитьсяс. По прошествии этого времени атом теряет энергию. При этом имеются две возможности:

возбужденный атом отдает свою излишнюю энергию другому атому, другой третьему. Колебания постепенно затухают. Поглощенная энергия переходит в тепло. В итоге происходит переход первого атома и других в основное состояние без излучения кванта света. Это безизлучательный переход (переход ).
атомы переходят в основное состояние, излучив квант света (переход). Это излучение спонтанно. Оно обладает рядом свойств. Излучение немонохроматично. Разные атомы излучают в разных фазах. Излучение некогерентно. Направление движения фотонов разное. Поляризация произвольная. Между процессами типа- поглощение и- излучение нет равновесия. Поглощение преобладает над излучением (из-за наличия безизлучательных переходов).

По закону Бугера:

где - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны и свойств вещества.

Индуцированное излучение.

Рис.2.

Атом находится в состоянии . Эйнштейн показал, что если в возбужденном состоянии на него падает фотон с энергией, то атом перейдет в состояние, излучив фотон с энергией. Фотон, который перевел атом в это состояние, тоже продолжает двигаться. То есть вместо одного фотона, появляется два. Произошло усиление излучения. Это так называемое вынужденное или индуцированное излучение.