- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
I. Взаимодействие света с веществом
Основные понятия и термины, описывающие взаимодействие излучения с веществом, были введены в классических разделах оптики: спектроскопии и люминесценции. В этих разделах оптики подробно разобран случай взаимодействия сравнительно мало интенсивного излучения с веществом. С возникновением лазеров исследования переместились в область интенсивных взаимодействий. При этом возникли новые разделы оптики: нелинейная оптика, когерентная оптика, оптика сильного взаимодействия света с атомами.
1.1. Спектр излучения
Основополагающее понятие классических разделов оптики – спектр. Частотный спектр электромагнитных колебаний это совокупность монохроматических колебаний, в сумме дающих данное сложное колебание. Изучают спектры поглощения или испускания объектов (атомы, молекулы, кристаллы, жидкости, стекла…).
На выходе спектрального прибора сигнал представляет собой мощность (или энергию), приходящуюся на некоторый малый спектральный интервал, равный спектральному разрешению прибора. Эту величину называют спектральной плотностью излучения (отношение среднего значения оптической величины в рассматриваемом малом спектральном интервале к ширине этого интервала).
Спектр излучения обычно представляют в виде графической зависимости спектральной плотности излучения от длины волны, частоты или волнового числа излучения. Математически понятие спектральная плотность излучения представляют как производную от интенсивности, мощности или энергии излучения по длине волны или частоте, например, dU/d ; dU/d.
Пример: Освещенность, создаваемая Солнцем на среднем расстоянии от Земли до Солнца равна 127000 лк или 186 Вт/м2. Эта энергия распределена в видимом спектральном диапазоне от 0,4 до 0,7 мкм или в частотном диапазоне 7,5 1014 … 4,3 1014Гц. 31014 Гц. Спектральная плотность освещенности, создаваемая Солнцем, I = 610-13Вт/(м2Гц).
Школьный гелий-неоновый лазер испускает 0,01Вт в пучке с поперечным сечением 1 мм2. Создаваемая им освещенность на экране равна 106Вт/м2. Ширина спектральной линии такого лазера равна 100 кГц. Спектральная плотность излучения лазера 10Вт/(м2Гц). Таким образом, спектральная плотность излучения даже самого маломощного лазера на 13 порядков больше, чем у Солнца или другого теплового источника света. Именно поэтому характер взаимодействия лазерного света, распространяющегося в веществе существенно отличается от хорошо изученных случаев классической оптики.
Спектральные приборы непосредственно измеряют длину волны излучения. Измерить частоты оптического излучения непосредственно невозможно. Поэтому переход к частотному спектру производят с помощью соотношения = с/.
Спектр поглощения – это зависимость коэффициента пропускания объекта (отношение интенсивности света, прошедшей через объект, к интенсивности на его входе), облучаемого монохроматическим излучением, от этих же величин. Вместо коэффициента пропускания часто используют понятие: коэффициент поглощения. Подробнее о коэффициенте поглощения см. ниже.
Спектр отражает внутренние свойства атомной системы, образующей объект, который излучает или поглощает свет. Спектры атомов и простейших молекул, находящихся в газовой фазе, представляют собой набор узких спектральных линий. Для описания таких спектров оказалось удобным введение понятий: уровни энергии и населенности этих уровней. Спектральные линии возникают при переходах электронов атомной системы между уровнями энергии.
В отличие от света тепловых источников лазерное излучение характеризуют также монохроматической несущей частотой излучения. Эту частоту непосредственно определяют при измерении автокорреляционной функции лазерного излучения с помощью интерферометра Майкельсона с движущимся зеркалом. Обычно длина волны несущей совпадает с максимумом спектрального контура усиления активной среды лазера.
Совокупность всех возможных значений энергии уровней и носит название спектра возможных значений энергии атомной системы. Населенности уровней – это числа атомов, с электронами, находящимися на том или ином уровне. Теоретически интенсивности спектральных линий описывают, используя понятие: вероятность перехода между энергетическими уровнями системы.
Конденсированные вещества, а также сложные молекулы обладают сплошными спектрами уровней энергии. Абсолютно дискретных уровней энергии, естественно, не бывает. Обычно все уровни обладают конечной шириной. В некоторых случаях, (сложные молекулы, кристаллы, полупроводниковые кристаллы) энергетический спектр имеет зонный характер.
При изучении испускания и поглощения света телами выделяют два вида взаимодействий: равновесное и неравновесные. Наиболее известный случай свечения – равновесное тепловое испускание черного тела.
Неравновесные процессы включают люминесценцию, вынужденное испускание, сильные взаимодействия или эффекты когерентного взаимодействия излучения с веществом.