Cтраница 4
Например, это может быть достигнуто путем помещения слоя среды с отрицательным поглощением между двумя достаточно плоскими зеркала-ми, установленными параллельно друг другу. Любой фотон, возникший в этой среде за счет спонтанного испускания атомов и летящий по направлению, близкому к нормали к обоим зеркалам, породит целую лавину фотонов. Коэффициент R отражения света от зеркал должен быть таким, чтобы потери в зеркале были меньше, чем усиление света в среде. [46]
Итак, при прохождении потока света через вещество возникают два процесса: резонансное поглощение и индуцированное испускание. Если интенсивность испускания превышает интенсивность поглощения, то такое состояние вещества соответствует отрицательному поглощению и рос - рис. 8.9. Система ту интенсивности излучения. Это становится воз - с двумя уровнями можным в том случае, если возбужденное состояние Е2 будет заполнено атомами в большей степени, чем равновесное состояние EI. Такое заполнение уровней Е2 и Е называют инверсной населенностью уровней. [47]
Это соотношение называется формулой Кирхгофа - Планка. Чертой сверху отмечен коэффициент поглощения, исправленный за вынужденное излучение, которое играет роль отрицательного поглощения. [48]
Для возбуждения части атомов н создания на некоторое время инверсной заселенности по отношению к некоторому уровню используется внешний источник энергии. Электромагнитная волна, проходя через вещество, находящееся в состоянии с отрицательной температурой, испытывает отрицательное поглощение; именно при этих условиях наблюдается индуцированное излучение, совпадающее по частоте, фазе и направлению света с проходящим излучением. Механизм возбуждения и излучения зависит от параметров используемого вещества. В настоящее время в зависимости от типа рабочего вещества лазеры разделяются на четыре группы: на твердом теле, газовые, полупроводниковые и жидкостные. [49]
Заметим, что член hvj K имеет размерность энергии на 1 ср - часть определения I. Первый член в скобках отражает индуцированное поглощение, второй - индуцированное излучение, рассматриваемое как отрицательное поглощение поскольку мы обсуждаем здесь поглощение. [50]
Однако, наряду с этим обычным процессом, с определенной вероятностью происходит и обратный ему: фотон, поглощаясь, переводит электрон из с-зоны в и-зону. Такой процесс индуцированной рекомбинации приводит на самом деле не к поглощению, а к высвобождению энергии ( отрицательное поглощение): в результате акта взаимодействия вместо одного фотона образуются два. Эффективно этот второй процесс приводит к ускорению рекомбинации и увеличению интенсивности свечения, выходящего наружу. Результирующий эффект определится, очевидно, разностью интенсивно-стей первого и второго процессов. Легко видеть, что знак этой разности зависит от заполнения уровней ( зон) электронами и дырками. [51]
Принципиальный предел мощности пучка определяется лишь мощностью, подводимой к среде для создания в ней условий, необходимых для отрицательного поглощения. Замечательным свойством когерентного излучения, созданного в такой среде, является его практически полная параллельность. Угловой раствор лучей определяется только дифракцией света на крае зеркал. Можно показать, что при размерах зеркал порядка нескольких метров предельный угловой раствор для видимого света составляет 10 рад, что составляет телесный угол порядка 10 - 14 рад. Большая направленность излучения является основным преимуществом лазеров по сравнению с мазерами. Принцип зеркального отражения был применен для усиления генерируемого когерентного света в лазграх на твердом теле. [52]
Рассмотрим, например, переходы электронов между двумя энергетическими уровнями. Интенсивность первого процесса ( положительное поглощение), очевидно, пропорциональна концентрации электронов на нижнем уровне и пустых мест ( дырок) на верхнем; интенсивность второго ( отрицательное поглощение), напротив, - концентрации дырок на нижнем уровне и электронов на верхнем. [53]