Теория - лазер
Cтраница 3
Хакена Лазерная светодинамика представляет собой второй том капитального трехтомного издания, которое автор объединил названием Свет. Хакен предложил новый термин синергетика. Хакена по теории лазера [3], который сначала составил содержание 25-го тома известной Энциклопедии физики, а затем вышел в свет отдельным изданием в виде самостоятельной книги. [31]
Стенхольма с единой точки зрения рассмотрены задачи стационарной лазерной спектроскопии - взаимодействие атомов с бегущей или стоячей волной, насыщение поглощения, миогофотонные переходы, пересечение уровней, внутридоплеровское разрешение в различных схемах, резонансная флуоресценция и многие другие. Специальные главы посвящены теории лазера, рассмотрению роли флуктуации излучения в нелинейной спектроскопии и квантованию электромагнитного поля. Книга может служить учебным пособием для студентов и справочным пособием для активных исследователей. [32]
Наконец, если рассматривать свет лазера как состоящий из фотонов, то мы должны учитывать статистику фотонов. Полностью квантовое описание лазера важно не только с точки зрения свойств излучения, его когерентности, шумов и статистики фотонов. Оно имеет фундаментальное значение в теории лазера. Такое описание позволяет вывести уравнения лазера из первых принципов. [33]
Как мы увидели, полуклассическая теория лазера приводит к детерминированному уравнению движения для амплитуды поля, и вопросы, касающиеся ширины линии и флуктуации, строго говоря, остаются за рамками теории. Флуктуации вносятся на более поздней стадии путем введения ланжевеновских источников шума, что является надуманной процедурой, для которой нелегко найти строгое обоснование, и справедливость которой, в значительной степени, оправдана согласованностью с другими подходами. Квантово-полевой подход служит более последовательной основой для теории лазера. Кроме того, он позволяет ответить на некоторые вопросы, которые, вообще, бессмысленны в рамках полуклассической теории, например, сколько фотонов имеется в резонаторе на пороге и каково их распределение вероятностей. [35]
Итак, мы напомнили читателю некоторые основные понятия из теории фазовых переходов термодинамически равновесных систем. Если мы посмотрим на отдельные формулы теории фазовых переходов Ландау, то сразу увидим поразительную аналогию с уравнениями для лазера. Таким образом, потенциал V фиктивной частицы, введенный нами в теории лазера, играет ту же самую роль, что и свободная энергия в теории фазовых переходов систем, находящихся в термодинамическом равновесии. Кроме того, уравнение (13.18) имеет точно такой же вид, как упоминавшееся ранее лазерное уравнение. Главное различие же заключается в том, что q - действительная величина, а амплитуда поля В - комплексная. Но нетрудно перенести понятия критического замедления, критических флуктуации и нарушения симметрии в теорию лазера. С формальной точки зрения в случае лазера мы наблюдаем точно те же явления, что и при фазовых переходах в условиях теплового равновесия. Существенное различие же в том, что лазер является системой, далекой от термодинамического равновесия. Это - открытая система, в нее постоянно накачивается энергия, и она отдает энергию наружу в виде лазерного излучения. Указанная аналогия носит чисто формальный характер. Мощность накачки, которой определяется ненасыщенная инверсия - аналог температуры. Можно показать, что мощность излучения соответствует энтропии. [36]
Уравнение (4.128) представляет большой интерес для квантовой электроники. Можно показать, что оно применимо для описания самых разнообразных систем. Оно появляется не только при рассмотрении многоуровневых систем, но и в теории лазера на свободных электронах, и при моделировании эффектов, связанных с импульсом фотона ( см. разд. [37]
В настоящей монографии мы лишь весьма бегло коснемся лазеров со сложной кинетикой генерации, основное же внимание уделим стационарному режиму. Такой акцент не случаен: именно в стационарном режиме характеристики выходного излучения наиболее тесно и непосредственно связаны со свойствами применяемого резонатора, поэтому вопрос о правильном выборе параметров последнего имеет первостепенное значение. Немаловажно также и то, что здесь придется совсем немного углубляться в дебри теории лазеров: при стационарном режиме присутствие активной среды может быть учтено введением всего двух-трех параметров, имеющих достаточно простой смысл. [38]
За последние почти 25 лет мне принесли большую пользу сотрудничество и дискуссии со многими учеными, и я воспользуюсь предоставившейся мне возможностью поблагодарить их всех. Потом это члены моей группы в Штутгарте, которые в 60 - х годах работали над теорией лазера и внесли в нее неоценимый вклад. [39]
В те годы экспериментальная лазерная физика развивалась ( и до сих пор развивается) гигантскими шагами, но так как книга главным образом касается теории лазера, я буду вынужден опустить описание истории развития этой области физики. [40]
Это уравнение совпадает с уравнением (13.6), если в последнем считать величину В действительной и отбросить флуктуационные силы. В каждом из уравнений (13.17) и (13.18) мы опустили постоянный множитель в правой части, что просто приводит к изменению временного масштаба. Уравнение (13.18) дает нам возможность предсказать некоторые явления, характерные для фазовых переходов, с которыми мы уже встречались в ином контексте - при изучении теории лазеров. Если в уравнении (13.18) мы положим, что коэффициент а стремится к нулю, то получим явление, которое в теории фазовых переходов называется критическим замедлением. [41]
Более подробную теорию лазера мы разберем в разд. Принципы лазерной генерации в резонаторе, где образуется стоячая электромагнитная волна, обсуждаются в разд. Читатели, достаточно подробно знакомые с теорией лазера, могут без ущерба для себя перейти сразу к гл. Последовательность излагаемого материала при этом не будет нарушена, а в случае необходимости можно вернуться к этой главе, как к справочной. [42]
Полная нелинейная квантовая теория лазера, обсуждавшаяся в предыдущей главе, рассматривает наиболее интересные квантовые статистические свойства поля излучения. Например, как было видно в предыдущей главе, естественную ширину линии излучения лазера можно определить из линеаризованной теории. То есть, полная нелинейная теория служит для определения амплитуды поля, а фазовые флуктуации в области рабочей точки описываются линейной теорией. В этом разделе будет представлена простая линейная ланжевеновская теория лазера, в которой атомное время жизни учитывается в эффективном гамильтониане. Преимущество этого простого подхода состоит в том, что его можно легко расширить, как будет показано ниже, с целью учета эффектов атомной памяти и вычисления естественной ширины линии излучения других квантовых оптических систем. [43]
Однако из этой теории следовало, что лазерная генерация устанавливается при накачке, превышающей определенный порог, а ниже этого порога вообще не возникает никакого излучения. Этот вывод нельзя считать удовлетворительным, поскольку даже без выполнения условия генерации испускание света возможно, а именно свет излучают обычные лампы. Адекватная теория лазера должна описывать переход от излучения обычных ламп к лазерному излучению, она должна охватывать излучение лампы как частный случай. Таким образом, становится очевидным, что мы упустили важный аспект теории лазеров. Чтобы разъяснить постановку вопроса, рассмотрим более внимательно явление испускания света обычными источниками. [44]
Известно, что электроны, движущиеся в магнитном поле, образуют среду, характеризующуюся существованием отрицательного поглощения электромагнитных волн определенных частот. На основе этой идеи был создан новый тип мощных СВЧ-генераторов, названных мазерами на циклотронном резонансе, или гиротронами. В работах [203 - 206] было показано, что для существенно релятивистских частиц в принципе возможно получение мазерного эффекта и на высоких гармониках циклотронной частоты. Отрицательное поглощение электронами в магнитном поле обусловлено релятивистскими добавками в законе зависимости энергии от скорости. Общие соотношения, связывающие мощность суммарного эффекта индуцированного излучения и поглощения с мощностью спонтанного излучения квазиклассических систем, были получены в [211 - 212] и позже переоткрыты в теории лазеров на свободных электронах. [45]
Страницы: 1 2 3 4