Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД ДРУГИМИ ИСТОЧНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

ПРИНЦИПЫ УСИЛЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200200 – Оптотехника и специальностям 200201 – Лазерная техника и лазерные технологии, 200203 – Оптико-электронные приборы и системы.

Санкт-Петербург

Митрофанов А.С. Принципы усиления оптического излучения. Учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО, 2005, с.112.

В пособии изложены основные принципы усиления излучения в веществе, необходимые для понимания работы лазеров и лазерных усилителей и формирования характеристик их излучения. Последовательно вводятся термины, используемые в квантовой электронике и лазерной физике и технике, а также приведены вопросы для самоконтроля и основные термины, понятия и определения, используемые в квантовой электронике.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200200 “Оптотехника” при подготовке инженеров по специальностям 200201-”Лазерная техника и лазерные технологии”, 200203-“Оптико-электронные приборы и системы”, а также бакалавров техники и технологии. Пособие может быть использовано, в частности, при изучении курса “Лазерная техника”, входящего как федеральный компонент образовательного стандарта в учебные планы указанных специальностей.

Илл.-21, список лит.-18 наим.

Рецензенты: д.т.н., проф. Балошин Ю.А.

д.т.н., проф. Панков Э.Д.

© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2005

 

© А.С.Митрофанов, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина ”Лазерная техника” является одной из фундаментальных в подготовке специалистов оптического профиля к исследовательской и производственной деятельности. Вопросы, изложенные в пособии, входят в учебные программы дисциплин в соответствии с учебными планами на инженерно-физическом факультете и факультете оптико-информационных систем и технологий ГУИТМО.

Помимо студентов, специализирующихся в области физики, техники и оптики лазеров, вопросы, изложенные в пособии, изучают студенты и других направлений подготовки, что объясняется достижениями лазерной физики и техники, позволяющими создавать высокоэффективные приборы и системы на основе лазеров.

Следует отметить что, несмотря на довольно обширную литературу по квантовой электронике и лазерной физике и технике, количество учебных пособий по основам лазерной техники и оптики весьма ограничено. Пособия часто не учитывают специфику той или иной программы курса, разработанной для различных специальностей, специализаций и объемов курса.

Данное пособие предназначено, в первую очередь, для студентов, обучающихся по направлению подготовки “Оптотехника” и соответствует согласованным с выпускающими кафедрами программам подготовки по лазерной физике, технике и оптике, примерной программе дисциплины “Лазерная техника”, входящей как федеральный компонент программ подготовки по специальностям ”Лазерная техника и лазерные технологии”, “Оптико-электронные приборы и системы”.

В нем изложены основные физические процессы, происходящие в лазерах и лазерных усилителях, знание которых необходимо для понимания принципов работы указанных устройств.

Ввиду ограниченности объема пособия в него внесены в основном материалы, по которым ощущается дефицит учебной литературы в условиях вуза. Этим же объясняется отсутствие или краткость тех или иных разделов, включенных в программу курса, что дополняется рекомендациями по использованию имеющейся в достаточном количестве литературы, с помощью которой можно ознакомиться с указанными вопросами.

При изложении курса автор стремился прежде всего отразить наиболее важные, фундаментальные вопросы лазерной физики, техники и оптики, показать возникающие проблемы и пути их разрешения, памятуя, что знание принципов, фундаментальных вопросов, вполне заменяет незнание ряда фактов и что высшая школа должна обеспечить своим ученикам фундаментальность образования, проблемный характер обучения и широкий кругозор.

Для овладения специальной терминологией в пособии последовательно вводятся термины, используемые в квантовой электронике и лазерной технике, которые выделены в тексте жирным шрифтом. Материал сопровождается численными примерами.

Для самоконтроля в конце каждого раздела приведены вопросы, позволяющие оценить степень усвоения материала. Дан также примерный перечень экзаменационных вопросов, а также список учебной и научной литературы для самостоятельной подготовки по программе курса и для решения конкретных инженерных задач.

Лекционный курс дополняется лабораторным практикумом, позволяющим студентам получить практический навык работы с лазерами, закрепить и расширить полученные в лекционном курсе знания, познакомиться с особенностями схемного и конструктивного выполнения лазеров, их узлов и элементов, особенностями юстировки и эксплуатации, методами управления лазерным излучением и измерения его параметров, оптикой лазерных пучков, вопросами взаимодействия лазерного излучения с веществом, а также вопросами техники безопасности. Предусмотрена возможность изменения содержания работ с учетом особенностей специальности студентов, а также решения учебно-исследовательских задач.

Вопросы, касающиеся основных принципов и физики работы лазеров, изложены в учебном пособии автора: “Основные принципы работы лазеров” [9].

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия бурно развивается новое направление в науке и технике, связанное с созданием когерентных генераторов световых волн - лазеров. Это направление получило название “Квантовая электроника”. Начав с создания квантовых генераторов и усилителей в радиодиапазоне, она быстро “захватила” оптический диапазон, создав источники когерентного света (лазеры) и лазерные усилители. Квантовая электроника возникла благодаря синтезу идей оптики, радиотехники, радиофизики и спектроскопии.

Рассмотрим кратко пути развития оптики и радиотехники, их отличие и общие закономерности.

Освоение того или иного диапазона электромагнитных волн означает создание соответствующих источников (генераторов) излучения, изучение вопросов распространения излучения, разработку методов его преобразования и приема с целью передачи и приема информации.

Оптика начала свое развитие с видимого участка спектра ( ) мкм, поскольку человек мог получать непосредственно информацию об окружающем его мире с помощью органов зрения, причем не только об освещенности предметов, но и об их конфигурации, взаимном расположении, цвете и т.д. Источники излучения были созданы природой: Солнце, звезды, Луна, огонь. Дальнейшее развитие оптики шло в направлении разработки оптических приборов, усовершенствующих свойства глаза (микроскопы, телескопы и пр.), создания искусственных источников излучения (нагретые тела, различного рода газоразрядные лампы), освоения инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов.

Световые волны, имеющие весьма малую длину, могли быть излучены лишь весьма малыми по размерам вибраторами, которыми являются атомы и молекулы излучающих тел, причем количество вибраторов в них чрезвычайно велико ( ). Все эти вибраторы излучают электромагнитные волны хаотично, несинхронно, в широком интервале частот, с различными поляризациями и в различных направлениях.

Таким образом, излучение, применяемое в оптике, было немонохроматичным, некогерентным, его можно представить как хаос из электромагнитных волн, имеющих различные частоты, фазы, поляризацию и направления распространения. Совершенно очевидно, что это накладывало свои особенности как при теоретических и экспериментальных исследованиях, так и при практических применениях и резко отличалось от той ситуации, которая имела место в радиотехнике.

Что касается радиотехники, то ее возникновение относится к концу девятнадцатого века. А.С.Поповым было показано, что электромагнитные волны больших длин волн способны распространяться на значительные расстояния и переносить необходимую информацию. Поскольку естественных источников электромагнитных волн, в отличие от оптического диапазона, в радиотехническом диапазоне не существовало, а искусственные источники, используемые в оптике, не излучали в радиодиапазоне, необходимо было прежде всего найти пути создания генераторов электромагнитных волн. Эта задача была успешно решена благодаря изобретению резонансной системы - электрического колебательного контура и электронной лампы, позволивших создать как резонансные усилители, так и генераторы незатухающих электромагнитных колебаний в километровом, метровом и дециметровом диапазонах. Важным моментом при создании генераторов явился принцип положительной обратной связи, позволивший превратить резонансный усилитель в генератор незатухающих колебаний, заключающийся в том, что колебания с выхода усилителя снова подавались на его вход, причем в фазе с имеющимися на входе усилителя колебаниями (условие баланса фаз). Амплитуда передаваемых по цепи обратной связи колебаний должна быть не менее некоторой величины, при которой усиление способно компенсировать потери в усилителе и цепи обратной связи (условие баланса амплитуд).

Существенным достоинством таких генераторов явилось то, что благодаря использованию резонансной системы излучение происходило в весьма узкой полосе частот и обладало высокой степенью монохроматичности и когерентности. Причем частота излучения таких генераторов могла легко изменяться за счет изменения параметров колебательного контура (индуктивности и емкости).

Изобретение объемных резонаторов позволило освоить еще более коротковолновый диапазон (диапазон СВЧ), вплоть до длины волны , создать новые генераторы: магнетроны, клистроны и т.п.

Анализируя работу различных радиотехнических генераторов, можно увидеть, что их объединяет один общий принцип - взаимодействие потока “свободных” электронов, ускоренных внешним полем, с полем резонансной системы. Это взаимодействие приводит к передаче энергии электронных потоков резонирующей системе в виде энергии электромагнитного поля. Однако освоение длин волн короче с помощью методов радиотехники оказалось невозможным, что объясняется следующими причинами:

- резонирующая система (объемный резонатор) должна иметь размеры, примерно равные длине генерируемой волны. Таким образом, при уменьшении длины волны уменьшается объем резонирующей системы, вместе с тем уменьшается и энергия, запасенная в резонаторе, а, следовательно, и мощность генератора;

- добротность резонаторов при уменьшении длины волны значительно снижается из-за уменьшения их объема и площади поверхности, что приводит к возрастанию потерь. При этом резонатор теряет свои частотно-селективные свойства из-за значительного размытия (расширения) резонансной кривой, т.е. практически перестает выполнять функции резонатора (частотно-селективной системы);

- уменьшается объем пучка электронов, взаимодействующих с полем резонатора, а, следовательно, и мощность генерации;

- конструктивные трудности создания резонаторов размером менее .

Таким образом, радиотехника, начав свою деятельность в области весьма длинных волн, пройдя колоссальный путь последовательного освоения все более коротких волн, пришла к диапазону, непосредственно граничащему с оптическим инфракрасным диапазоном. Освоение более коротких волн методами радиотехники, по указанным причинам, оказалось невозможным.

Одной из задач радиотехники было создание одиночных генераторов электромагнитного излучения с заданными параметрами: мощностью, длиной волны и т.д.

Оптики же оперировали с элементарными микроскопическими вибраторами, созданными природой (атомами и молекулами), но при этом с огромным их числом, излучающими хаотически, несинхронно колебания с различными частотами, поляризациями и направлениями распространения.

Таким образом, оптика и радиотехника разошлись в вопросах генерирования излучения еще больше, чем в вопросах распространения электромагнитных колебаний. Но различие между оптикой и радиотехникой оказалось не только в области генерирования и распространения волн, но и в области их приема, преобразования и индикации.

Прием излучаемых радиопередатчиком электромагнитных волн осуществляется при помощи резонансной системы, настроенной в резонанс с передатчиком. Явление резонанса позволяло отзываться на весьма слабые сигналы определенной частоты, осуществлять передачу на большие расстояния, вести передачу на определенной частоте, не влияя на другие передачи, производимые на других, даже близких частотах. Применение радиоэлектронных резонансных усилителей позволило осуществить многократное усиление и преобразование возникающих в резонансном контуре сигналов, что значительно повысило чувствительность радиоприемников.

Иными путями шло развитие индикации и приема электромагнитных волн оптического диапазона в оптике. Невозможность использования явления резонанса послужило причиной создания приемников интегрального типа, реагирующих на поток лучистой энергии, падающей на индикатор: термоэлементов, болометров, фотохимических элементов и, позже, с развитием электроники, фотоэлементов, фотоумножителей, фотодиодов и т.п.

Поскольку в этих элементах явление резонанса не используется, их чувствительность оказывалась значительно ниже. Последнее обстоятельство несколько улучшилось с момента проникновения электроники в оптику.

Таким образом, радиотехника, имея дело с более совершенным - когерентным - излучением, достигла больших успехов в области передачи, обработки и приема информации. Весьма привлекательным было распространение этих методов и на оптический диапазон, но там, как уже указывалось, источники создавали некогерентное излучение. Все попытки получить более организованное излучение (по частоте, поляризации, направлению) известными оптическими приемами - с помощью спектральной фильтрации (монохроматоров), поляризационной фильтрации (поляризаторов), пространственной фильтрации (коллиматоров) вступали в противоречие с энергетической стороной - мощность такого излучения существенно снижалась, и в тем более высокой степени, чем выше достигалась организация излучения по тому или иному параметру. Такое “организованное “ излучение можно было использовать только в лабораторных экспериментах ввиду его крайне низкой интенсивности, да и качество и возможности технических элементов (монохроматоров, поляризаторов, коллиматоров) накладывало ограничения на достижимые результаты по степени монохроматичности, когерентности, поляризации и направленности.

С другой стороны, как оптики, так и радиотехники представляли те огромные возможности, которые возникли бы в оптическом диапазоне, появись там генераторы излучения, подобные радиотехническим, генерирующие мощное монохроматическое, когерентное излучение: это колоссальное увеличение информационной емкости каналов связи, скорости передачи информации, осуществление остронаправленной передачи информации, возможность острой фокусировки излучения, получение огромных значений поверхностной и объемной плотности энергии и мощности, возможность осуществления супергетеродинного приема в оптике и т.п.

Проиллюстрируем это некоторыми численными примерами, считая, что в оптическом диапазоне появились достаточно мощные, монохроматичные, когерентные источники излучения.

1. Рассчитаем, сколько телевизионных каналов ( ) можно было бы разместить в крайне узком участке оптического диапазона от до , считая, что один телевизионный канал занимает полосу частот :

Здесь - скорость света ( ).

Таким образом, оптический диапазон обладает колоссальной информационной емкостью.

2. Оценим, во сколько раз быстрее можно было бы передать информацию в оптическом диапазоне по отношению к радиотехническому, учитывая, что время , затрачиваемое на передачу единиц информации, равно: , где - количество периодов волны, необходимых для качественной передачи единицы информации.

Как видно из этого соотношения, отношение времен передачи одного и того же количества информации в оптическом и радиотехническом диапазонах может составлять миллионы и более раз, учитывая, что максимальная частота излучения в радиотехническом диапазоне составляет , а в оптическом диапазоне до и даже выше.

3. Оценим возможное увеличение направленности потока излучения при использовании оптического диапазона.

Как известно, направленный поток излучения создается в радиотехнике с помощью антенн, использующих сферические и параболические отражатели - антенны, а в оптическом диапазоне - с помощью зеркальных и линзовых систем. Минимальная угловая расходимость ограничивается дифракционными явлениями и может быть оценена соотношением:

,

где - апертура антенны (линзы), - коэффициент, учитывающий форму апертуры, близкий к единице, - длина волны излучения.

Из этого соотношения следует, что угловая расходимость излучения при переходе в оптический диапазон (где может быть значительно меньше, в миллионы и более раз, чем в радиотехническом диапазоне), может быть в такое же количество раз меньше и достигать значений единиц угловых секунд. Отсюда следует также, что размеры антенн в оптическом диапазоне могут быть значительно меньше, чем в радиотехническом диапазоне, даже при формировании значительно менее расходящегося излучения.

4. Значительное уменьшение длины волны излучения при переходе в оптический диапазон определяет и возможность значительно более острой фокусировки излучения фокусирующими элементами. Размер области фокусировки связан с угловой расходимостью излучения и параметрами фокусирующей системы. Минимальный размер фокального пятна определяется дифракционной расходимостью излучения, фокусным расстоянием и аберрациями фокусирующей системы.

Если пренебречь аберрациями и считать дифракционную расходимость исходя из размеров (апертуры) фокусирующей системы, то диаметр фокального пятна будет равен:

,

где - фокусное расстояние фокусирующей системы.

Если учесть, что относительное отверстие лучших современных объективов от до и теоретически не может быть больше , минимально возможный размер фокального пятна .

Таким образом, если в радиотехническом диапазоне наименьший размер фокального пятна составляет миллиметры, в оптическом диапазоне он может составлять доли микрометра (видимый диапазон) и даже доли нанометра (рентгеновский диапазон).

Указанное обстоятельство, помимо возможности обеспечения высокой локальности облучения, необходимых в системах записи и считывания информации и многих других применениях, позволяет получать высокие значения поверхностной и объемной плотностей мощности и энергии в области фокального пятна, достаточные для нагрева, расплавления, испарения различных материалов, что открывает путь для оптических технологий: термообработки, пайки, сварки, резки и т.п.

Следует, однако, особо отметить, что для того, чтобы в полной мере реализовать отмеченные преимущества оптического диапазона, излучение должно быть когерентным и иметь достаточную интенсивность. Как уже говорилось, применяемые в оптике источники использовали излучение огромного числа атомов ( ), которые излучали хаотически, создавая некогерентный, ненаправленный поток излучения, что не давало в полной мере реализовать возможности оптического диапазона.

Таким образом, в радиотехническом диапазоне не было естественных источников, а созданные, в силу своей специфики, оказались когерентными. Оптика же использовала некогерентные источники, что существенно ограничивало ее возможности. Очевидно, что когерентное излучение, представляющее собой организованный, согласованный коллектив квантов, приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому ансамблю.

Каков же выход? Радиотехнические методы неприменимы, известные же оптические методы получения когерентного излучения неэффективны.

Очевидно, требовались принципиально новые идеи и методы генерации когерентного оптического излучения.

В результате интенсивных поисков были созданы принципиально новые методы усиления, генерации и преобразования когерентного электромагнитного излучения и новые приборы - квантовые генераторы и усилители как в радиотехническом, так и, что особенно важно, в оптическом диапазоне.

Принципиальная особенность этих приборов - использование имеющихся в природе резонансных систем - атомов и молекул, а работа этих новых приборов основана на взаимодействии излучения с этими резонансными системами, в результате чего происходит усиление или генерация определенных частот, соответствующих собственным частотам атомов или молекул.

В отличие от известных оптических источников атомы или молекулы квантовых генераторов излучают свет не независимо, не хаотически, а согласованно, когерентно. Все достижения этих новых источников так или иначе связаны с когерентностью,с тем, что излучение отдельных частиц оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.

Это новое направление в науке и технике получило название“квантовая электроника”благодаря тому, что в нем имеет место взаимодействие электромагнитных волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул, поведение которых подчиняется законам квантовой механики (в отличие от радиотехнических устройств, где использовалось взаимодействие “свободных” электронов с искусственно созданными резонансными системами).

Под термином “квантовая электроника” понимается область физики, изучающая усиление и генерацию электромагнитного излучения путем использования индуцированного испускания излучения в термодинамически неравновесных квантовых системах, свойства излучения полученных таким образом усилителей и генераторов и их применение.

Основу этого направления положили фундаментальные исследования, которые проводились в СССР под руководством А.М. Прохорова и Н.Т. Басова, а также в США под руководством Ч. Таунса и А. Шавлова. Это открытие было отмечено Нобелевской премией. В основе принципа действия этих новых приборов лежало открытое Эйнштейном в 1917 году явление вынужденного (индуцированного, стимулированного) излучения.

В 1954 году был создан первый квантовый генератор, реализовавший эти новые идеи, работающий в радиотехническом диапазоне.

В 1960 году был создан первый квантовый генератор оптического диапазона (на твердом теле-рубине), получивший название лазер(аббревиатура фразы на английском языке, означающей: усиление света с помощью вынужденного излучения). Затем создается газовый лазер (1961 год) и полупроводниковый лазер (1962 год). В это время началось бурное развитие квантовой электроники и, к настоящему моменту, генерация и усиление когерентного излучения в оптическом диапазоне получены на сотнях веществ в различных агрегатных состояниях: кристаллах, стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Излучение существующих лазеров охватывает широкий диапазон длин волн: от рентгеновского до дальней инфракрасной области, вплотную примыкая к самым коротким волнам, полученным радиотехническими методами.

Лазеры позволили не только улучшить характеристики известных оптических приборов, но и создать принципиально новые оптические приборы.

Поскольку лазеры являются монохроматическими, когерентными источниками, даже при большом их разнообразии они перекрывают только определенные, узкие участки оптического диапазона. Поэтому интенсивно развивались направления в лазерной физике и технике, позволяющие заполнить неосвоенные участки оптического диапазона:

- разработка лазеров с длинами волн излучения, отличными от уже освоенных;

- разработка лазеров, перестраиваемых по длине волны излучения;

- преобразование длины волны излучения лазеров с помощью нелинейно-оптических эффектов (генерация гармоник, параметрическая генерация оптического излучения).

Целью данного курса является изучение основных физических процессов, происходящих в лазерах и лазерных усилителях, их принципа действия, особенностей характеристик лазерного излучения, особенностей преобразования лазерного излучения оптическими элементами и системами, а также привитие навыков практической работы с лазерами, измерения их параметров и характеристик, исследования различных режимов работы лазеров, юстировки, экспериментального исследования распространения и преобразования лазерного излучения оптическими элементами и системами, юстировки оптических систем с помощью лазеров, что решается с помощью лабораторного практикума.

Контрольные вопросы

1. Назовите границы оптического диапазона. На какие части разделяют оптический диапазон?

2. Назовите и объясните основные преимущества оптического диапазона по сравнению с радиотехническим. Что дает уменьшение длины волны в оптическом диапазоне? Как отражается на этих преимуществах когерентность излучения?

3. Объясните принцип действия радиотехнического генератора.

4. Что является “затравкой” генерации в радиотехнических генераторах?

5. Что такое “положительная обратная связь” и как она реализуется в радиотехнических генераторах?

6. Какие резонансные системы используются в радиотехнических генераторах?

7. Основные недостатки нелазерных источников оптического излучения. Традиционные методы увеличения степени монохроматичности, когерентности, поляризации и направленности оптического излучения от обычных (нелазерных) источников, их недостатки.

8. Чем устанавливается предел малости угловой расходимости излучения и области его фокусировки?

9. Основные идеи квантовой электроники.

10. Предельно достижимые характеристики при использовании когерентного излучения: угловая расходимость, размеры пятна фокусировки.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Некоторые основные термины, понятия и определения квантовой электроники

Квантовая электроника- область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения путем индуцированного испускания излучения в термодинамически неравновесных квантовых системах, свойства таких усилителей и генераторов и их применение.

Квантовая система- система, состоящая из микрочастиц (электронов, ядер, атомов и т.д.) и подчиняющаяся квантовым законам, характерным для микромира.

Уровни энергии- возможные значения энергии атомов, молекул и других квантовых систем.

Основной уровень- энергетический уровень с минимальным значением энергии.

Возбужденный уровень- уровень энергии квантовой системы, превышающий наименьшие возможные значения энергии (основной уровень).

Рабочие уровни- энергетические уровни активных центров, между которыми происходят излучательные переходы, определяющие излучение лазера.

Верхний рабочий уровень, нижний рабочий уровень- смысл ясен из определения “рабочие уровни“.

Время жизни на уровне- средняя продолжительность пребывания атома, молекулы или другой квантовой системы в состоянии с определенной энергией.

Метастабильный уровень- возбужденный уровень энергии атома, молекулы или другой квантовой системы, с которого излучательные квантовые переходы на более низкие уровни энергии запрещены, благодаря чему время жизни на метастабильном уровне велико по сравнению с обычными временами жизни возбужденных уровней.

Энергетический спектр- совокупность всех возможных значений внутренней энергии (уровней энергии), которые может иметь квантовая система, например, атом, молекула, твердое тело и т.п.

Частота перехода- частота, определяемая разностью энергий между двумя уровнями энергии, между которыми совершается квантовый переход, деленной на постоянную Планка.

Квантовый переход- скачкообразный переход квантовой системы с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии на более низкий система отдает энергию, а при обратном переходе - поглощает ее. Различают излучательные и безизлучательные квантовые переходы (см. ниже).

Излучательные (оптические) переходы- такие квантовые переходы, при которых система испускает или поглощает электромагнитное излучение.

Безизлучательные квантовые переходы- такие квантовые переходы, при которых система получает или отдает энергию при взаимодействии с другими системами.

Рабочий переход- излучательный квантовый переход на частоте усиления или генерации, или, другими словами, переход между рабочими уровнями.

Вероятность перехода- величина, обратная среднему времени, в течение которого данный переход происходит.

Населенность энергетического уровня- число частиц вещества, находящихся на данном энергетическом уровне (часто дается на единицу объема вещества).

Инверсия населенностей- состояние вещества, при котором населенность верхнего из данной пары уровней больше, чем нижнего.

Величина инверсной населенности- разность населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней, между которыми обеспечено состояние инверсии населенностей.

Плотность инверсии населенностей- отнесенная к единице объема активной среды разность населенностей верхнего и нижнего рабочих уровней.

Скорость перехода- количество квантовых переходов в единицу времени. Часто отнесенная к единице объема вещества. Определяется произведением населенности уровня, с которого переход совершается, на вероятность этого перехода.

Спонтанные квантовые переходы- самопроизвольные излучательные переходы квантовой системы.

Вероятность спонтанных переходов- величина, обратная среднему времени, в течение которого данный спонтанный переход совершается. Определяется интегральным коэффициентом Эйнштейна для спонтанных переходов.

Спонтанное излучение- излучение, возникающее в результате самопроизвольных (спонтанных) квантовых переходов

Мощность спонтанного излучения- определяется как произведение скорости спонтанных переходов на энергию кванта, соответствующую данному переходу.

Спонтанный шум- случайные изменения электромагнитного поля, вызванные самопроизвольным (спонтанным) излучением. Спонтанный шум является вредным в квантовых усилителях и генераторах, однако играет важную роль в процессах развития генерации (являясь “затравкой“ генерации).

Квантовый выход- отношение энергии высвечиваемого на рабочем переходе кванта к энергии возбуждения, затраченной на возбуждение одного активного центра.

Вынужденный квантовый переход- квантовый переход под действием внешнего электромагнитного поля (излучения).

Резонансное поглощение- избирательное поглощение электромагнитного излучения, имеющего частоту, совпадающую с частотой перехода, обусловленное квантовыми переходами частиц вещества с нижнего уровня энергии на верхний.

Вероятность резонансного поглощения- определяется интегральным коэффициентом Эйнштейна для резонансного поглощения, определяющим вероятность резонансного поглощения одной частицей в единицу времени под действием единичной объемной плотности энергии электромагнитного поля на частоте перехода.

Вынужденное (индуцированное, стимулированное) излучение- излучение атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля (излучения), частота которого совпадает с частотой перехода. Важное свойство его состоит в том, что оно ничем не отличается от вынуждающего излучения.

Вероятность вынужденного излучения- определяется интегральным коэффициентом Эйнштейна для вынужденного излучения, определяющим вероятность вынужденного излучения одной частицей в единицу времени под действием единичной объемной плотности энергии электромагнитного поля (излучения) на частоте перехода.

Релаксация- процесс установления теплового равновесия в какой-либо системе частиц.

Релаксационные квантовые переходы - безизлучательный переход квантовой системы с одного уровня на другой в процессе релаксации (установлении теплового равновесия). Такие переходы обычно происходят под влиянием теплового движения окружающих микрочастиц. При этом возможно как поглощение тепловой энергии, при котором частица переходит на более высокий уровень, так и превращение энергии данной микрочастицы в тепло, сопровождающееся переходом частицы на более низкий уровень. В любом случае релаксационные переходы ведут к установлению вполне определенного для данной температуры равновесного распределения частиц по энергии.

Время релаксации -время, в течение которого первоначальное отклонение значения какого-либо параметра квантовой системы от равновесного уменьшается в е раз.

Ширина уровня - неопределенность энергии данного квантового состояния частицы, определяемая соотношением неопределенности для ширины уровня и времени жизни частицы на этом уровне.

Естественная ширина спектральной линии - минимально возможная спектральная ширина линии, обусловленная конечностью времени жизни возбужденных состояний из-за спонтанного излучения.

Контур спектральной линии - зависимость интенсивности излучения (поглощения) электромагнитного излучения от частоты в пределах данного перехода.

Лоренцевский контур спектральной линии - контур линии, соответствующий случаю излучения изолированного неподвижного атома, а также случаю однородного уширения линии.

Уширение спектральной линии - увеличение ширины спектральных линий вследствие взаимодействия частиц и их перемещений. При этом различают случаи однородного и неоднородного уширения линий.

Однородное уширение спектральных линий - такое уширение, при котором контур линии остается лоренцевским, увеличивается только шир

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...