Microsoft Word doc

10.3. 
Схемы
 
накачки
 
В
стационарных
условиях
теплового
равновесия
процессы
поглощения
и
вынужденного
излучения
компенсируют
друг
друга
(
N
2 
= 
N
l
), 
эта
ситуация
называется
насыщением
двухуров
-
невой
системы
. 
В
этой
системе
невозможно
создать
инверсию
населенностей
. 
В
трехуровневом
 
лазере
(
рис
. 10.4, 
а
) 
атомы
«
накачивают
», 
с
уровня
1 (
основного
) 
на
уровень
3. 
Если
среда
такова
, 
что
атом
, 
возбужденный
на
уровень
3, 
быстро
переходит
на
уровень
2 
(
в
результате
быстрого
безызлучательного
перехода
), 
то
в
этой
среде
можно
получить
инверсию
населенностей
уровней
2 
и
1. 
В
четырехуровневом
 
лазере
(
рис
. 10.4, 
б
) 
атомы
также
пе
-
реводят
с
основного
уровня
на
уровень
4. 
Если
после
этого
атом
быстро
переходит
на
уровень
3 (
в
процессе
быстрой
безызлуча
-
тельной
дезактивации
), 
то
можно
и
в
этом
случае
получить
ин
-

---

242 
версию
населенностей
уровней
3 
и
2. 
Когда
в
таком
четырех
-
уровневом
лазере
начинается
генерация
, 
атомы
за
счет
вынуж
-
денного
излучения
переходят
с
уровня
3 
на
уровень
2. 
Поэтому
для
работы
четырехуровневого
лазера
в
непрерывном
режиме
необходимо
, 
чтобы
переходы
2
→
1 
также
происходили
очень
быстро
(
обычно
они
обусловлены
быстрыми
безызлучательны
-
ми
переходами
). 
Рис
. 10.4. 
Трехуровневая
(
а
) 
и
четырехуровневая
(
б
)

схемы
лазера
Для
того
чтобы
обеспечивалось
выполнение
пороговых
ус
-
ловий
генерации
, 
скорость
накачки
должна
достигнуть
пороговой
или
критической
величины
. 
10.4. 
Свойства
 
лазерных
 
пучков
 
Лазерное
излучение
характеризуется
чрезвычайно
высокой
степенью
монохроматичности
, 
когерентности
, 
направленности
и
яркости
. 
К
этим
свойствам
можно
добавить
еще
одно
, 
а
имен
-
но
– 
возможность
генерации
сверхкоротких
 
импульсов
 
света
. 
Свойство
монохроматичности
определяется
следующи
-
ми
двумя
обстоятельствами
: 
во
-
первых
, 
может
быть
усилена
только
электромагнитная
волна
с
частотой
ν
0
, 
определяемой
выражением
(10.1), 
во
-
вторых
, 
генерация
в
резонаторе
может
происходить
только
на
собственных
частотах
этого
резонатора
. 
Последнее
обстоятельство
приводит
к
тому
, 
что
ширина
спек
-

---

243 
тра
лазерного
излучения
значительно
меньше
(
до
10 
порядков
), 
чем
обычная
ширина
линии
перехода
2
→
1, 
наблюдаемая
при
спонтанном
излучении
. 
Когерентность
в
первом
приближении
для
любой
элек
-
тромагнитной
волны
характеризуется
двумя
независимыми
ха
-
рактеристиками
: 
пространственной
 
когерентностью
и
времен
-
ной
 
когерентностью
. 
Пространственную
когерентность
связывают
с
разностью
фаз
напряженностей
электрического
поля
. 
Если
эта
разность
фаз
остается
равной
нулю
в
любой
момент
времени
, 
то
говорят
, 
что
между
этими
двумя
точками
имеется
полная
когерентность
. 
Если
такая
когерентность
существует
между
любыми
парами
точек
волнового
фронта
, 
то
говорят
, 
что
данная
волна
характеризуется
полной
пространственной
когерентностью
. 
Понятие
временной
когерентности
поясняется
на
рис
. 10.5. 
Если
разность
фаз
напряженностей
поля
остается
постоянной
при
таких
задержках
времени
τ
, 
что
0 < 
τ
< 
τ
0
, 
то
говорят
о
частичной
временной
когерентности
волны
с
характерным
временем
коге
-
рентности
τ
0
. 
Рис
. 10.5. 
Пример
электромагнитной
волны
с
временем
когерентности
порядка
τ
0
Понятия
временной
и
пространственной
когерентности
по
-
зволяют
охарактеризовать
только
когерентность
лазерного
излу
-
чения
первого
порядка
. 
Лазерное
излучение
принципиально
от
-

---

244 
личается
от
света
обычных
источников
за
счет
различий
в
соот
-
ветствующих
свойствах
когерентности
высших
порядков
. 
Свойство
направленности
является
простым
следствием
того
, 
что
активную
среду
помещают
в
резонатор
. 
В
случае
плос
-
копараллельного
резонатора
, 
изображенного
на
рис
. 10.1, 
только
волны
, 
распространяющиеся
в
направлении
, 
перпендикулярном
к
плоскостям
зеркал
(
или
очень
близком
к
нему
), 
будут
оста
-
ваться
в
резонаторе
. 
В
результате
суммирования
когерентных
пучков
в
резонаторе
выходной
пучок
будет
иметь
такие
же
по
-
перечные
размеры
, 
что
и
пучок
, 
приходящий
из
одной
зоны
ко
-
герентности
. 
Это
отличает
направленность
лазерного
пучка
от
луча
обычного
источника
света
, 
подверженного
дифракционной
расходимости
. 
Яркость
источника
электромагнитных
волн
определяется
как
мощность
излучения
, 
испускаемого
с
единицы
поверхности
источника
в
единичный
телесный
угол
. 
Яркость
является
важ
-
ным
параметром
любого
источника
света
. 
Если
с
помощью
оп
-
тической
системы
формируется
в
воздушной
среде
изображение
какого
-
либо
источника
света
, 
то
справедливо
следующее
: 
яр
-
кость
изображения
всегда
меньше
или
равна
яркости
источника
, 
при
этом
равенство
сохраняется
только
в
том
случае
, 
если
в
оптической
системе
нет
потерь
света
, 
испущенного
источни
-
ком
. 
Яркость
лазера
даже
небольшой
мощности
на
порядки
пре
-
восходит
яркость
обычных
источников
света
из
-
за
высокой
на
-
правленности
лазерного
пучка
. 
Интенсивность
сфокусированно
-
го
лазерного
излучения
может
достигать
огромных
величин
, 
что
используется
во
многих
областях
применения
лазеров
. 
Применяя
специальную
технику
, 
которая
называется
син
-
хронизацией
 
мод
, 
возможно
генерировать
сверхкороткие
 
им
-
пульсы
света
, 
длительность
которых
примерно
равна
обратной
ширине
линии
лазерного
перехода
2
→
1. 
Так
, 
длительность
им
-
пульса
газовых
лазеров
может
достигать
~0,1–1 
нс
. 
Такие
дли
-
тельности
не
считаются
достаточно
малыми
, 
даже
некоторые
лампы
-
вспышки
могут
излучать
импульсы
длительностью
менее

---

245 
1 
нс
. 
С
другой
стороны
, 
ширина
спектра
излучени
у
некоторых
твердотельных
и
жидкостных
лазеров
может
быть
в
10
3
–10
5
раз
больше
, 
чем
у
газовых
лазеров
; 
в
этом
случае
можно
получать
гораздо
более
короткие
импульсы
(
вплоть
до
~10 
фс
). 
Харак
-
терный
вид
этих
импульсов
представлен
на
рис
. 10.6. 
Рис
. 10.6. 
Временной
ход
излучения
лазера
в
режиме
синхронизации
мод
Свойство
малой
длительности
импульса
, 
предполагающее
кон
-
центрацию
энергии
во
времени
, 
открывает
новые
возможности
для
исследовательских
и
технологических
применений
лазеров
. 
10.5. 
Типы
 
лазеров
 
Различные
типы
лазеров
, 
созданные
к
настоящему
време
-
ни
, 
демонстрируют
широкий
спектр
физических
и
рабочих
ха
-
рактеристик
. 
Действительно
, 
если
лазеры
классифицируют
по
физическому
состоянию
активной
среды
, 
то
их
называют
твер
-
дотельными
, 
жидкостными
или
газовыми
лазерами
. 
К
особому
типу
относят
такие
, 
в
которых
активная
среда
состоит
из
сво
-
бодных
электронов
, 
движущихся
с
релятивистскими
скоростями
через
пространственно
-
периодическое
магнитное
поле
(
лазеры
 
на
 
свободных
 
электронах
). 

---

246 
Если
лазеры
классифицируют
по
длине
волны
генерируе
-
мого
излучения
, 
то
говорят
о
лазерах
инфракрасного
(
ИК
), 
види
-
мого
, 
ультрафиолетового
(
УФ
) 
или
рентгеновского
диапазонов
. 
Соответствующие
длины
волн
изменяются
в
пределах
от
≈
1 
мм
(
т
.
е
. 
от
области
миллиметровых
волн
) 
до
≈
1 
нм
(
т
.
е
. 
до
верхнего
предела
жесткого
рентгеновского
излучения
). 
Разброс
длин
волн
может
достигать
, 
таким
образом
, 10
6
(
напомним
, 
что
видимый
диапазон
отвечает
менее
чем
двукратному
изменению
длин
волн
– 
примерно
от
400 
до
700 
нм
). 
Мощности
излучения
на
выходе
из
лазеров
перекрывают
еще
более
широкий
диапазон
величин
. 
У
непрерывных
лазеров
типичные
мощности
составляют
от
нескольких
мВт
– 
в
лазерах
, 
используемых
в
качестве
источников
оптических
сигналов
, 
до
нескольких
МВт
(
≈
5 
МВт
к
настоящему
времени
) – 
в
лазерах
, 
необходимых
для
некоторых
военных
применений
. 
У
импульсных
лазеров
пиковая
мощность
может
быть
гораздо
выше
, 
чем
у
не
-
прерывных
, 
достигая
таких
гигантских
величин
, 
как
1000 
ТВт
(10
15
Вт
). 
Кроме
того
, 
длительность
импульса
лазерного
излуче
-
ния
может
изменяться
в
широких
пределах
– 
от
нескольких
мс
, 
типичных
для
так
называемого
режима
свободной
генерации
, 
до
порядка
10 
фс
(1 
фс
= 10
–15
с
), 
что
типично
для
некоторых
лазе
-
ров
с
синхронизацией
мод
. 
Сильно
могут
изменяться
и
геометрические
размеры
лазе
-
ров
. 
В
терминах
длины
резонатора
, 
например
, 
эта
длина
может
быть
малой
, ~1 
мкм
, 
для
наиболее
коротких
лазеров
, 
и
огром
-
ной
, 
порядка
нескольких
километров
, 
для
наиболее
протяжен
-
ных
(
например
, 
лазер
для
проведения
геодезических
исследова
-
ний
длиной
6,5 
км
, 
который
был
установлен
в
пещере
). 
Широта
диапазона
физических
или
рабочих
характери
-
стик
лазеров
является
как
достоинством
, 
так
и
недостатком
. 
Ес
-
ли
говорить
о
применении
, 
то
широкий
спектр
параметров
обес
-
печивает
огромный
потенциал
возможного
использования
лазе
-
ров
в
различных
областях
фундаментальных
и
прикладных
исследований
. 
С
другой
стороны
, 
с
точки
зрения
рынка
большое

---

247 
разнообразие
устройств
и
систем
может
служить
препятствием
для
их
массового
производства
и
соответствующего
удешевле
-
ния
продукции
. 
Рассмотрим
примеры
некоторых
конкретных
типов
лазеров
.