Cтраница 2
АКТИВНАЯ СРЕДА, вещество, способное усиливать электромагнитные волны определенной частоты в результате процессов вынужденного испускания. Такое состояние среды достигается созданием в ней инверсии населенности хотя бы для одной пары квантовых уровней энергии, между которыми разрешен квантовый переход. В этом случае процессы вынужденного испускания под действием резонансного электромагнитного излучения преобладают над процессами поглощения. В результате падающая на среду электромагнитная волна с частотой, равной частоте квантового перехода, усиливается. [16]
Но мы знаем, что существуют процессы, в которых одновременно поглощаются два фотона с энергиями Пл и Йи2) а электрон в атоме переходит с уровня 1 на уровень 2, причем выполняется соотношение И. Поскольку на микроуровне квантовые процессы являются обратимыми, должен быть возможен также обратной процесс одновременного испускания двух фотонов в одном электронном переходе. Если такие переходы будут процессами вынужденного испускания, то, очевидно, мы придем к идее двухфотонного лазера. Это прекрасная иллюстрация того, что методы развитые в данной книге, можно применять к весьма разнообразным оптическим процессам. В частности мы увидим, как из основных квантовомехани-ческих уравнений выводятся различные приближенные способы описания, например полуклассический подход. [17]
Однако создать условия для получения фотонной лавины не так просто. Нарастанию лавины мешают акты поглощения, сопровождающиеся исчезновением фотонов и переходом атомов с нижнего уровня на верхний. Как показал Эйнштейн, вероятности процессов вынужденного испускания и поглощения равны между собой. Поэтому все определяется соотношением чисел атомов на верхнем и нижнем энергетических уровнях. Число актов испускания пропорционально числу атомов на верхнем уровне. Число актов поглощения пропорционально числу атомов на нижнем уровне. Следовательно, для получения фотонной лавины необходимо, чтобы на верхнем уровне атомов было больше, чем на нижнем. [18]
Предположим, что управление потерями в резонаторе лазера осуществляется следующим образом: когда мощность генерируемого излучения нарастает, потери увеличиваются, а когда мощность излучения начинает спадать, потери уменьшаются. Это и есть отрицательная обратная связь. Она оказывает тормозящее воздействие на развитие процессов вынужденного испускания в активном элементе лазера; в результате процесс формирования выходного светового импульса затягивается во времени, длительность импульса увеличивается, его максимальная мощность уменьшается. [19]
Следует помнить, что помимо когерентного испускания, обсуждавшегося выше и связанного с вынужденными переходами, атомы среды совершают и спонтанные переходы, в результате которых испускаются волны, некогерентные между собой, равно как и с внешним полем. Таким образом, излучение активной среды всегда представляет собой смесь когерентной и некогерентной частей, соотношение между которыми зависит, в частности, от интенсивности внешнего поля. Последнее вполне ясно, так как атомы, принявшие участие в процессе вынужденного испускания, лишились энергии возбуждения, и, следовательно, не могут излучать спонтанно. Более детальный анализ показывает, что под влиянием вынужденных переходов изменяется не только полная интенсивность некогерентного спонтанного излучения, но и его спектральный состав. [20]
Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча; он выходит из резонатора через одно из зеркал. Оптический резонатор играет принципиально важную роль: упорядочивает бурно развивающиеся в активном элементе процессы вынужденного испускания, направляет их в нужное русло, и в итоге формирует лазерное излучение. [21]
Сказанное можно рассматривать как иную форму утверждения, что вынужденное испускание усиливает, а поглощение ослабляет излучение без изменения всех остальных его характеристик. Однако для понимания свойств излучения оптических квантовых генераторов оказывается очень плодотворным микроскопическое описание, основанное на представлении о когерентности падающей волны и вторичных волн, испускаемых в результате вынужденных переходов. В частности, из приведенных рассуждений видно, что условие пространственной синфазности, обсуждавшееся в § 222 и необходимое для получения мощного направленного излучения от макроскопического источника, может осуществиться благодаря процессу вынужденного испускания. Но именно таким и будет положение, если вторичные волны Sj, рассмотренные в § 222 ( см. рис. 40.2), возникают в результате вынужденного испускания под влиянием внешней световой волны: значения фазы этой волны в zi, z % ( точках расположения различных атомов) различаются на величину k ( zi - z - z), и вторичные волны оказываются сдвинутыми по начальной фазе относительно друг друга на ту же величину, взятую с обратным знаком, что и необходимо для их синфазного сложения в точке наблюдения. [22]
Если атом находится в состоянии & г, то под действием внеш. При индуцированном испускании энергия воздействующей волны увеличивается, а при резонансном поглощении уменьшается. Вероятность резонансного поглощения в точности равна вероятности индуцированного испускания. Поэтому будет ли преобладать в реальной системе атомов процесс вынужденного испускания или процесс резонансного поглощения, зависит от населенности энергетич. [23]
Возбужденные атомы или молекулы ( активные частицы), возвращаясь в равновесное состояние, отдают в окружающую среду большую или меньшую часть полученной энергии возбуждения в виде излучения, испущенного ими самопроизвольно, спонтанно ( люминесценция); оставшаяся часть энергии безызлучательно, в соударениях частиц, преобразуется в тепловую энергию системы. Однако, если в среде, содержащей активные частицы ( активной среде), в течение времени жизни возбужденного состояния частиц распространяется световая волна, частота которой равна частоте излучательного перехода частиц из возбужденного состояния, эта волна стимулирует ( вынуждает) возбужденные частицы испустить излучение. Световые волны, возникающие в процессе такого вынужденного испускания, когерентны как между собой, так и со стимулирующей волной. Это значит, что частоты и фазы колебаний напряженности электрического поля и состояния поляризации этих волн совпадают, а интенсивность суммарной волны возрастает в зависимости от числа активных частиц, принявших участие в процессе вынужденного испускания. Очень важно, что испускать когерентные волны могут частицы, разнесенные в среде на макроскопические расстояния друг от друга. Активная среда, таким образом, может занимать более или менее значительный объем, содержащий большое количество активных частиц, что и обеспечивает получение высоких интенсивностей лазерного излучения. [24]
Вероятность поглощения фотона типа ki, si, как и ожидалось, пропорциональна числу фотонов пь181 данного типа, имеющихся в поле в начальный момент времени. Однако вероятность испускания фотона типа ki, si пропорциональна n lSl 1 и, следовательно, содержит два вклада. Член, пропорциональный nklSl, называется вероятностью вынужденного испускания или индуцированного испускания. Он пропорционален интенсивности поля, отвечающего моде ki, si, точно так же, как вероятность поглощения. С другой стороны, второй член не зависит от числа заполнения фотонов и отличен от нуля даже в вакуумном состоянии. Он называется вероятностью спонтанного испускания. Если процессы вынужденного испускания и поглощения имели место и в классическом поле, как было показано в разд. Спонтанный процесс иногда описывается как процесс, индуцированный вакуумными флуктуациями квантового поля. [25]
Зеркала резонатора обеспечивают многократное распространение ( и тем самым усиление) светового потока в активной среде. Это необходимо и для самовозбуждения генерации, и для ее поддержания. Однако роль резонатора в работе лазера не исчерпывается повышением плотности энергии поля в активной среде. Согласно указанной выше аналогии для возникновения автоколебательного режима обратная связь должна быть положительной. Другими словами, должна иметь место строгая син-фазность колебаний, уже существующих в системе и приходящих по каналу обратной связи. Из приведенного выше описания принципа работы лазеров видно, что оптические квантовые генераторы основаны на трех фундаментальных идеях, родившихся в различных областях физики. Первая идея сформулирована Эйнштейном, который постулировал возможность процесса вынужденного испускания в рамках теории теплового некогерентного излучения. Наконец, третья идея, имеющая радиофизические корни, - использование положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в автоколебательную, т.е. в генератор когерентных электромагнитных волн. [26]