Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
молекулы также переходят на уровень 4. Уровни 2 и 3 быстро опустошаются
благодаря переходам на уровень 1 (безызлучательные переходы). Опустошению
этих уровней способствуют столкновения с атомами гелия, специально
вводимыми в состав газовой смеси. Рабочие переходы происходят с
четвертого на второй или на третий уровни. Переход с А = 10,6 мкм
происходит быстрее и используется чаще. Мощные газовые лазеры должны
накапливать значительную энергию, а значит, содержать большое количество
газа. Большие лазерные установки наполняются углекислым газом при
атмосферном или при повышенном давлении. Чтобы возбудить разряд в таком
газе, необходимо приложить к нему достаточно высокое напряжение (сотни
киловольт) и создать начальную ионизацию, без которой разряд в плотном
газе не возникает. Такая ионизация производится с помощью
ультрафиолетового света, испускаемого искровым или дуговым источником,
или с помощью быстрых электронов, инжектируемых в газ (электроразрядные
С02-лазеры).
Отметим, что газодинамический С02-лазер (§ 48) является одним из наиболее
мощных ОКГ (достигнута мощность около 100 кВт в непрерывном режиме в
течение нескольких секунд); в лазерах итого типа достигнут КПД 20%.
Упомянем, наконец, об устройствах, позволяющих получать лазерные импульсы
большой мощности в строго заданные моменты времени. В таких устройствах
коэффициент усиления лазера уменьшается на время подготовки к импульсу и
восстанавливается в нужный момент. Управлять прозрачностью оптического
резонатора можно с помощью ряда физических эффектов, из которых чаще
всего используются эффекты Поккельса (линейный электрический эффект) и
Керра (квадратичный электрический эффект). Оба эти эффекта заключаются в
том, что в электрическом поле у некоторых веществ появляется двойное
лучепре-
258
Глава 10
ломление. "Затемнение" резонаторов на время подготовки к импульсу
позволяет накапливать в них большие запасы энергии и получать после
"просветления" гигантские импульсы.
§ 50. Структура лазерного излучения
Выпустим из лазера световой луч и поставим экран на его пути. На
небольших расстояниях от лазера на экране видно одно световое пятно. При
удалении на несколько метров становится заметно, что оно распадается на
ряд отдельных пятен. Если продолжать увеличивать расстояние до экрана,
число световых пятен не меняется. Каждое из них соответствует
определенной поперечной моде колебаний. Эти моды принадлежат волнам,
распространяющимся по близким, но не совпадающим направлениям1. Появление
нескольких мод оказывается неизбежным, если условия генерации выполнены
для нескольких направлений распространения. В реальных лазерах так почти
всегда и бывает.
Кроме поперечных, лазерное излучение обычно содержит и несколько
продольных мод. Это означает, что генерируются колебания не с одной, а с
несколькими близкими частотами. Генерация на близких частотах оказывается
возможной из-за того, что линии, соответствующие электромагнитным
переходам, всегда имеют некоторую ширину.
Рассмотрим причины, влияющие на ширину линий оптического спектра. Даже в
тех случаях, когда излучающая частица не движется и на нее не действуют
никакие внешние силы, спектральная линия имеет ширину, называемую
естественной шириной линии. Естественная ширина обусловлена конечной
шириной энергетических уровней АЕ. Величина АЕ связана со временем жизни
г соответствующего уровня соотношением неопределенностей АЕ • г " Н. В
общем случае вклад в ширину линии вносят ширины как исходного, так и
конечного уровней. Однако при переходах на основной уровень эта ширина
целиком связана с шириной возбужденного уровня (время жизни в основном
состоянии неограниченно велико, и ширина уровня равна нулю). В этом
случае
= = {10М>
Для обычных (дипольных) оптических переходов г " 10-8 с и естественная
ширина линии Аиест " 107 Гц. Для переходов с метастабиль-ных уровней эта
ширина, конечно, существенно меньше.
Электромагнитные колебания, которые могут возбуждаться в объемном
резонаторе, не исчерпываются плоскими волнами. Более сложные типы волн
(которые мы здесь не рассматриваем) приводят к появлению на экране сразу
нескольких световых пятен.
§50. Структура лазерного излучения
259
Реальная ширина спектральной линии Av обычно значительно превосходит
А^ест- Причинами уширения являются столкновения излучающих частиц с
другими частицами (в газовых средах), эффект Доплера, а также влияние
локальных электрических и магнитных полей, вызывающих сдвиги уровней
(эффекты Штарка и Зеемана).
Если излучающее вещество находится в газообразном состоянии, то в
процессе теплового хаотического движения частицы непрерывно сталкиваются
между собой. При соударениях их энергетическое состояние может меняться
(безызлучательные переходы). Такие столкновения сокращают время жизни
частиц как в исходном, так и в конечном состояниях, что приводит к
уширению спектральной линии. Столкновительная ширина, вносимая каждым
