Автор: Н.В. Карлов

Страниц: 322

Формат: DJVU

Качество: хорошее

 

В книге представлены основные физические идеи квантовой электроники и дано описание принципа действия наиболее важных лазеров. Книга предназначается для студентов физических специальностей вузов — будущих физиков-экспериментаторов и инженеров-физиков, имеющих намерение работать в области исследований и применений лазерного излучения, и имеет целью дать им необходимый для того минимум начальных сведений по квантовой электронике. Книга содержит изложение физических принципов усиления и генерации света на основе индуцированного испускания излучения, описание открытых резонаторов лазерных систем, принципов действия газовых лазеров, твердотельных лазеров и лазеров, перестраиваемых по длине волны излучения.

 

Содержание 
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЛАЗЕРОВ
Лекция первая. Коэффициенты Эйнштейна. Определение квантовой электроники. Индуцированные и спонтанные переходы, коэффициенты Эйнштейна. Когерентность индуцированного излучения.
Лекция вторая. Ширина линии. Соотношение неопределенностей «энергия — время», естественное время жизни, ширина спектра спонтанного излучения. Лоренцева форма линии. Вероятность индуцированных переходов при монохроматическом излучении. Однородное и неоднородное уширения. Гауссова форма линии при доплеров-ском уширении.
Лекция третья. Усиление. Поглощение и усиление. Активная среда. Сечение поглощения. Эффект насыщения. Плотность потока энергии насыщающего излучения. Импульсный режим, энергия насыщения.
Лекция четвертая. Коэффициенты Эйнштейна и матричный элемент оператора перехода. Волновые функции стационарных состояний. Уравнение Шредингера при? наличии возмущений. Первое приближение теории возмущений. Суперпозиция волновых функций стационарных состояний. Вероятность перехода. Вычисление коэффициентов Эйнштейна для индуцированных переходов в двухуровневой системе. Матричный элемент оператора дипольного момента перехода. Осцилляции населенности верхнего уровня, частота Раби.
Лекция пятая. Лазеры-усилители. Усиление и генерация. Полоса пропускания усилителя бегущей волны. Шум квантового усилителя. Максимальная выходная мощность. Импульсный режим, максимальная выходная энергия, изменение формы импульса при нелинейном усилении.
Лекция шестая. Генерация. Открытый резонатор, его добротность. Регенерация резонатора при усилении. Проходной резонаторный усилитель. Отражательный усилитель. Условия самовозбуждения. Условия резонанса. Частота генерации. Максимальная выходная мощность.
Лекция седьмая. Открытые резонаторы. Резонаторы в электронике. Переход к коротким волнам. Падение добротности и сгущение резонансов замкнутых объемов. Открытые резонаторы, прореживание спектра. Число Френеля. Моды. Время жизни моды пассивного резонатора. Дифракционные потери. Метод Фокса и Ли. Интегральное уравнение открытого резонатора.
Лекция восьмая. Гауссовы пучки. Конфокальный резонатор. Распределение поля. Гауссовы пучки. Размер пятна. Расходимость излучения. Радиус кривизны волнового фронта. Преобразование гауссовых пучков линзой. Согласование мод резонаторов. Фокусирование гауссовых пучков. Продольный и поперечный' размеры фокальной области.
Лекция девятая. Устойчивость резонаторов. Устойчивость линзовых световодов. Световод с одинаковыми линзами. Световод с чередующимися линзами двух различных фокусных расстояний. Условие устойчивости, диаграмма устойчивости. Эквивалентность линзового световода и открытого резонатора. Типы устойчивых резонаторов. Селекция поперечных мод диафрагмой. Неустойчивые резонаторы.
Лекция десятая. Неустойчивые резонаторы. Геометро-оптическое рассмотрение. Коэффициент увеличения, потери на излучение. Симметричный резонатор, телескопический резонатор. Эквивалентное число Френеля. Селекция продольных мод. Частотная селекция, пространственная селекция тонкими поглотителями. Дисперсионные резонаторы.
Лекция одиннадцатая. Синхронизация мод. Генерация излучения в нескольких продольных модах. Нерегулярный характер спектра генерации. Затягивание мод. Синхронизация мод. Длительность и период следования импульсов при синхронизации мод. Активная и пассивная синхронизация. Самосинхронизация. Модуляция добротности. Провал Лэмба.
Лекция двенадцатая. История квантовой электроники. Основные формулы. История возникновения квантовой электроники. Квантовая природа света, индуцированное излучение, бозоны. Эйнштейн, Дирак. Первый мазер, радио и оптика. Радиоспектроскопия. Таунс, Прохоров, Басов. Метод трех уровней. Предложение открытого резонатора. Первые лазеры. Место квантовой электроники в оптике. Основные формулы квантовой электроники.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ ЛАЗЕРЫ
Лекция тринадцатая. Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер. Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.
Лекция четырнадцатая. Ионные лазеры. Лазеры на парах металлов Аргоновый лазер. Схема уровней. Двухступенчатое возбуждение. Зависимость от плотности тока разряда. Условие инверсии. Эффект перекачки газа в разряде. Параметры лазера. Гелий-кадмиевый лазер. Пеннинговский механизм ионизации и возбуждения. Схема уровней. Катафорез. Параметры лазера. К. п. д. газоразрядных лазеров. Самоограниченные переходы. К. п. д., энергия, мощность лазеров на самоограниченных переходах. Медный лазер, схема~ уровней, параметры лазера.
Лекция пятнадцатая. СОг-лазеры. Молекулярные лазеры. Требования к рабочему веществу мощных газовых лазеров с высоким к. п. д. Колебательные спектры молекул. Р-. Q-, 7?-ветви. Нормальные колебания многоатомных молекул. СО2-лазер, общие сведения. Молекула СО2. Механизм инверсии. Роль, азота и гелия. Лазеры с продольной прокачкой. Отпаянные лазеры.

Лекция шестнадцатая. СОг-лазеры (продолжение). Спектральные свойства С02-лазеров. Вращательная структура. Полосы 00° 1 — 10°0 и 00° 1— 02°0. Вращательная конкуренция. Перестройка частоты излучения. Плавная перестройка. Импульсный разряд. TEA С02-лазеры. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Газодинамические лазеры.
Лекция семнадцатая. Химические лазеры. Экзотермические реакции и колебательная энергия. Колебательно-поступательная, колебательно-колебательная и вращателъно-поступателъпая релаксация. Полная и частичная инверсии. Скорость, химической накачки. Цепные реакции. К. п.д. инициирования и химический к. п. д. Химические лазеры импульсного и непрерывного действия. Параметры лазеров. Йодный фотодиссоциационпый лазер.
Лекция восемнадцатая. СО-лазеры, газовые лазеры на электронных переходах в молекулах. Плато в колебательных населенностях. Частичная инверсия. Особенности спектра генерации СО-лазера. Электронные переходы в молекулах. Принцип Франка — Кондона. Азотный лазер. Водородный лазер. Эксимерные лазеры. Лекция девятнадцатая. Вспомогательное излучение накачки в системах со многими уровнями энергии Лазеры на конденсированных средах со многими уровнями энергии. Метод вспомогательного излучения накачки. Трех- и четырехуровневые схемы. Безызлучательная релаксация в твердом теле. Матрица лазера на твердом теле. Рубин. Электронные конфигурации атомов и ионов переходных групп. Основные состояния трехвалентных ионов хрома и неодима. Лекция двадцатая Рубиновый и неодимовый лазеры. Внутрикристаллическое поле. Уровни энергии иона хрома в корунде. Рубиновый лазер. Уровни энергии иона неодима. Неодимовый лазер. Лазерное стекло. Оптическая однородность, лучевая стойкость.

Лекция двадцать первая. Безызлучательная релаксация в твердом теле. Электрон-фононное взаимодействие. Слабая выбранная связь. Вероятность многофононной релаксации. Колебательный спектр матрицы. Максимальная длина волны. Примеры ионов неодима и эрбия. Ион-ионное взаимодействие. Эффективное затухание в системе слабосвязанных осцилляторов. Вероятность переноса энергии от донора к акцептору. Миграция энергии. Выбор оптимальных концентраций. Сенсибилизация.
Лекция двадцать вторая. Лазеры на красителях. Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Схема уровней. Цикл оптической накачки. Перестройка частоты излучения. Паразитные процессы. Коэффициент усиления. Непрерывный и импульсный режимы. Пороговая накачка. Ламповая и лазерная накачка, непрерывный режим.
Лекция двадцать третья. Лазеры на центрах окраски. F-центры. Методы окрашивания кристаллов. Анионные вакансии в ЩГК. F-, F2-, F2+-, ^"-центры. Спектры поглощения и люминесценции. Цикл оптической накачки. Параметры лазеров. Вибронные и бесфононные переходы. Ион хрома. Лазер на александрите.
Лекция двадцать четвертая. Полупроводниковые лазеры. Отличительные особенности полупроводниковых лазеров. Зоны разрешенных состояний. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Рекомбинационное свечение. Уровень Ферми, квазиуровни Ферми. Условие инверсии. Безызлучательная рекомбинация. Внутренний квантовый выход.

Лекция двадцать пятая. Полупроводниковые лазеры (продолжение). Диодные инжекционные лазеры. Распределение носителей в полупроводниковом кристалле с р — и-переходом. Инжекция носителей. Зонная структура полупроводника с р — п -переходом. Вырожденный полупроводник с р — п -переходом. Зонная структура. Инверсия при инжекции носителей в р — п -переход вырожденного полупроводника. К. п. д. Мощность. Гетероструктуры. Диапазон длин волн излучения. Перестройка.
Лекция двадцать шестая. Лазеры на свободных электронах. Генерация СВЧ электронными потоками. Длина волны излучения и синхронизм для улътрарелятивистского электронного пучка. Усиление при ондуляторном излучении релятивистских электронов. Ондуляторный -лазер на свободных электронах.
Лекция двадцать седьмая. Семнадцать наиболее известных лазеров 289 Краткие описания. Характерные особенности. Методы создания инверсии. Заключение. Тенденции развития. Новые длины волн лазерного излучения. ИК диапазон. Видимая область. Методы нелинейной оптики, генерация гармоник, разностных частот. ВКР-лазеры. Дальняя УФ -область, -рентгеновская область. Гамма-лазеры. Области применения лазеров.

 

В этой книге собраны лекции, читавшиеся автором в течение ряда лет по курсу основ квантовой электроники для. студентов Московского физико-технического института.

Работа со студентами, аспирантами и стажерами-исследователями привела автора к выводу о необходимости разработки простого лекционного курса по квантовой электронике, в котором в сжатой форме были бы представлены основные физические идеи этой науки и дано описание принципов действия наиболее важных ее приборов. Цель курса — дать будущим физикам-экспериментаторам, инженерам-физикам и радиоинженерам, имеющим намерение работать в области исследований и применений лазерного излучения, необходимый минимум начальных сведений по квантовой электронике. Задача создания курса лекций такой направленности чрезвычайно сложна и к настоящему времени вряд ли может быть решена в общем виде. Поэтому автор при составлении предлагаемых лекций исходил из своего опыта работы в научно-исследовательской лаборатории общефизического профиля, широко использующей лазерные излучения. Вероятно, такой подход в какой-то мере придал изложению односторонний характер.

Лекции начинаются изложением физических основ квантовой электроники, сводящихся, прежде всего, к применению эйнштейновской теории излучения к термодинамически неравновесным системам с дискретными уровнями энергии. При этом большое внимание уделено понятию обратной связи, реализуемой при индуцированном излучении в резонаторах. Значительное место занимает рассмотрение процессов создания резонатором лазера пучка света высокой направленности и управления его модовым составом. Завершается эта часть курса сводкой основных формул квантовой электроники.

Вторая часть курса посвящена изложению методов создания активной среды и описанию свойств таких наиболее известных лазеров, как гелий-неоновый, аргоновый, медный, С02- и СО-лазе--ры, лазеры на красителях и центрах окраски, на рубине и неодиме. Большое внимание уделено газодинамическим, химическим, эксимерным и полупроводниковым лазерам и лазерам на свободных электронах. Рассмотрены вопросы перестройки длины волны лазерного излучения. Завершается эта часть курса сводным описанием характерных особенностей наиболее известных лазеров, обсуждением тенденций развития квантовой электроники и областей применения лазеров.

Для квантовой электроники характерно глубокое проникновение идей теории колебаний и методов электроники СВЧ в оптику. Вместе с тем предметную основу квантовой электроники составляют спектроскопия и физическая оптика. Поэтому в ходе изложения автор стремился показать, как в квантовой электронике соединение радиофизики, спектроскопии и волновой оптики дало возможность исключительно высокой, по существу предельной, концентрации энергии электромагнитного излучения в пространстве, во времени и в частотном интервале. Ввиду бурного развития квантовой электроники основное внимание уделено при этом не конкретным достижениям тех или иных лазерных параметров, а принципам действия и потенциальным возможностям рассматриваемых лазеров. В процессе изложения автор старался возможно более часто обращать внимание на аналогичность процессов, происходящих в различных лазерах, подчеркивая вместе с тем их характерные отличительные черты).

Автор глубоко благодарен своему учителю Александру Михайловичу Прохорову, многолетнее общение с которым сделало возможным написание предлагаемого курса.

Автор благодарен своим друзьям и коллегам Ф. В. Бункину, В. Г. Веселаго, П. П. Пашинину, внимательно прочитавшим рукопись этой книги и сделавшим много полезных для автора замечаний.

Автор благодарен рецензентам — кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ и 10. А. Кравцову — за целый ряд конструктивных замечаний, с признательностью принятых автором при окончательной подготовке рукописи книги.