Большая Советская Энциклопедия (ЛА) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 29

  Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E₂® E₁ волны по частоте n, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E ₂. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E₁, E₂, способную усиливать излучение частоты n = (E₂ — E₁)/h, обычно называют активной.

  Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E₂), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого усилится (рис. 3). Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри — Перо (рис. 4), то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волны увеличивается в e^kL раз, где k — коэффициент усиления в см^-1,L — длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r (n) в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост r (n) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r (n), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.

  Интерферометр Фабри — Перо, заполненный активной средой с достаточно большим коэффициентом усиления, представляет собой простейший Л. В Л. используются оптические резонаторы и др. типов — с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый резонатор). В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Л., могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами (рис. 4) преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получать излучение высокой направленности. Телесный угол DW, в котором сосредоточен поток излучения, может быть сделан

, где D — диаметр зеркал. Для l » 1 мкм и D = 1 см величина  » 10^-8 (для тепловых источников DW ~ 2p).

  Оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с частотами

, где с — скорость света, n — целое число. В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен (рис. 5). При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент dn_л определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина dn_л может быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.

  Существующие Л. различаются: 1) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.п.; см. ниже); 2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости); 3) конструкцией резонатора; 4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования к характеристикам Л.

  Методы создания инверсии населённости. Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al₂O₃ с примесью (~ 0,05%) ионов Cr³⁺, замещающих атомы Al (см. Рубин). Уровни энергии иона Cr³⁺ в рубине показаны на рис. 6. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr³⁺ с основного уровня E₁ на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10^-8сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E₂ и

. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr³⁺ на уровнях E ₂ и составляет 10^-3сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E₁. Переходам E₂ ® E₁ и  ® E₁ соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr³⁺ на уровнях E₂ и  и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E₁. Это позволило создать Л., работающий на переходах E₂ ® E₁ и  ® E₁, генерирующий свет с длиной волны l » 0,7 мкм.

  Для создания инверсии населённостей уровней E₂,

 относительно E₁ необходимо перевести больше половины ионов Cr³⁺ на уровни E₂,  за время, не превышающее 10^-3сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10^-3сек. За это время в каждом см³ кристалла поглощается энергия в несколько дж.