Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
72 ющих приборы обоих типов. Эти величины приведены в таблице 1.
В настоящее время уже созданы различные лазеры, которые в совокупности позволяют генерировать когерентное излучение в диапазоне, начиная примерно от 0,01 см (дальняя инфракрасная зона спектра) и кончая примерно 2,5 • 10~5 см (ультрафиолетовые лучи).
Таблица 1
Название Длины ВОЛН, CM Частоты, ги,
Длинные сантиметровые волны .... 15 2-Ю9
Короткие сантиметровые волны .... 3 IO10
Длинные миллиметровые волны .... 1 3-101°
Короткие миллиметровые волны .... 10-1 З-ЮИ
Длинные инфракрасные волны .... IO-2 3.10"
Короткие инфракрасные волны .... 10-4 3-1014
Красная граница чувствительности глаза 7,2.IO-6 4,2« IO1*
Фиолетовая граница чувствительности 7,5- IO14
глаза ................ 4,0-10-5
Основной принцип действия лазеров и мазеров остается неизменным, но вследствие того, что длины волн инфракрасного и видимого излучения очень малы (частоты очень велики) ,• лазеры отличаются от мазеров своими конструктивными особенностями и-свойствами.. Одно. из таких резких отличий — это количество энергии, передаваемое отдельным атомом (или молекулой, или ионом) электромагнитному полю. Разумеется, величина этой энергии определяется энергией фотона. Как указывалось в главе 1, она равна постоянной Планка /г, помноженной на частоту. Сравним энергии фотонов для работающего на аммиаке мазера, частота излучения которого равна 2,39- IO10 гц, и лазера на рубине, излучающего свет с частотой около 4,32-IO14 гц. Молекула аммиака передает электромагнитному полю энергию 1,53- Ю-23 дж\ энергия же, отдаваемая электромагнитному полю ионом хрома в лазере на рубине, составляет 2,7- 10~19 дж. Иначе говоря, энергия кванта, испускаемого ионом хрома, более чем в 10 000 раз превышает энергию кванта, испускаемого молекулой аммиака.
73 Конечно, и та и другая величины очень малы, но ведь в энергию электромагнитного поля каждую секунду вносят свой вклад мириады и мириады молекул. А по сравнению с мазером в лазере каждый переход иона на нижний энергетический уровень сопровождается несравненно большим выделением энергии. Лазер, казалось бы, гораздо легче заставить работать.
Именно так и оказалось. Более того, разница в энергиях между уровнями, используемыми в лазере, очень велика по сравнению с тепловыми энергиями при комнатной температуре. Кривая больцмановского распределения указывает, что при комнатной температуре лишь очень малая часть атомов (или молекул, или ионов) рабочего вещества лазера окажется вследствие теплового возбуждения на каком-нибудь из используемых для работы энергетических уровней. Поэтому в отличие от охлаждаемых трехуровневых мазеров на твердом теле лазеры могут нормально работать без охлаждения. Правда, на практике лазеры некоторых типов приходится охлаждать. Это объясняется тем, что времена жизни атомов в возбужденных состояниях часто чрезвычайно резко изменяются в зависимости от температуры. Некоторые лазеры, работающие в непрерывном режиме, приходится охлаждать и для того, чтобы предотвратить их перегрев и разрушение.
Другое следствие сравнительно больших энергий фотонов, генерируемых лазерами, заключается в том, что шумовая температура лазерных усилителей с необходимостью оказывается большой. Как мы уже знаем (см. главу 3), шумовая температура идеального усилителя равна
^ot = 6'85-10"11^
Обращаясь к табл. 1, мы видим, что частота, соответствующая красной границе чувствительности глаза, равна 7,2- IO14 гц. Следовательно, шумовая температура для идеального усилителя, работающего на такой частоте, будет достигать 28 000° К. Практически существующие лазерные усилители имеют вдвое-втрое большую шумовую температуру. Ясно, что шумы за счет квантовых явлений при усилении сигналов окажутся гораздо интенсив-
74 нее, чем шумы, обусловленные электромагнитным излучением тел, находящихся при комнатной температуре.
Действие лазера, как и мазера, основано на переходах между различными энергетическими уровнями, однако некоторые детали работы лазера и мазера различны. В качестве рабочего вещества для лазеров используются не только ионы в кристаллах (скажем, ионы хрома в рубине), но и атомы и молекулы или даже ионы газов, таких, например, как неон. В лазере на рубине накачка
энергии осуществляется с помощью света, а в газовых лазерах — посредством постоянного тока или радиочастотных газовых разрядов. В последнем случае энергия накачки передается рабочему веществу лазера благодаря процессам столкновений быстрых электронов с атомами, молекулами или ионами.
На фиг. 13 мы видим диаграмму энергетических уровней, описывающую работу. лазера. Под действием накачки ионы или атомы переходят с низшего энергетического уровня, или из основного состояния 0, на какой-либо из группы энергетических уровней, помеченных цифрой 3. Вследствие не сопровождающихся излучением потерь энергии (превращения ее в кинетическую энергию столкновений или колебаний) ионы или атомы спускаются на уровень 2. Переходя с этого уровня на уровень I1 они и передают свою энергию электромагнитному полю в лазерном резонаторе.
