Фізичні основи квантової электроніки (стр. 3 из 7)
(2.18)Знайдена повна імовірність переходу за t секунд пропорційна часу, а тому імовірність переходу за одиницю часу є величиною постійною.
2.3. Інтенсивність та ширина спектральних ліній випромінювання.
Якщо атом знаходиться у збудженому стані m, то можливий спонтанний перехід на рівень піз випромінюванням кванта світла.
У загальному випадку для інтенсивності випромінювання можна записати формулу:
(2.19)Для довільної точки ми можемо записати для інтенсивності випромінювання формулу:
(2.20), де 
.Перетворюючи попередній вираз для напівширини спектральної лінії одержимо, що:
(2.21). Оскільки коефіцієнт затухання коливань γ рівний: 
, то вираз (2.21) отримає вигляд: 
(2.22).Ширина спектральної лінії визначається формулою (2.22) та носить назву природної ширини спектральної лінії випромінювання. Вона залежить тільки від затухання коливань атома внаслідок коливання та не залежить від інших причин, які можуть викликати розширення спектральних ліній випромінювання. Розрахунок дає значення
.Необхідно також відмітити, що на ширину спектральної лінії впливає густина частинок у випромінюваному об’ємі та ефект Доплера. Ширина спектральних ліній зумовлена ефектом Доплера в багато разів більша за величину природної ширини лінії.
2.4. Кут розбіжності лазерного пучка.
У лазерах для створення зворотного зв’язку використовують системи дзеркал.
Нехай коефіцієнти відбивання для них рівні R1 та R2. сучасні багатошарові покриття дзеркал дозволяють одержати
.Як правило одне із дзеркал має нижчий показник відбивання для виводу випромінювання назовні. Лазерний промінь має здатність розфокусовуватися, але якщо виміряти кутову відстань для променя лазера, то вона виявиться рівною близько
. Тому лазерний промінь розфокусовується у значній мірі лише на великих відстанях. Наприклад розфокусовування лазерних променів виявляють під час вимірювання відстаней до Місяця.Розділ 3. Методи створення інверсного заселення рівнів.
Створення в активній речовині інверсії населеності проводиться різноманітними методами (11). Найчастіше використовують вплив на речовину електромагнітного випромінювання (оптична накачка), електричного розряду, електронних пучків із енергією від кількох десятків еВ до МеВ, (електронний удар), високотемпературний нагрів речовини із наступним швидким охолодженням (теплова накачка), екзотермічні хімічні процеси в речовині, інжекцію носіїв заряду в р-п-область в напівпровідниках під дією електричного поля.
Оптичну накачку здійснюють із допомогою газорозрядних ламп в імпульсному чи неперервному режимах роботи. Оскільки їх випромінювання має широкий спектр, то в якості активного середовища слід використовувати матеріали із широкою смугою поглинання. Однак із зростанням ширини спектральної лінії зменшується переріз σ і тому важко досягти порогових значень
, які рівні: 
. Тому реалізації інверсної населеності використовують домішкові атоми, наприклад хрому в кристалах рубіна.Аналогічна схема накачки і для лазерів на основі скла та ітрій-алюмінієвого граната, активованого неодимом Ndта деяких твердо тільних лазерів, в яких для створення інверсної населеності використовують енергетичні рівні домішкових атомів. Оптичну накачку використовують також в лазерах на органічних барвниках (рідкі активні середовища).
Інша схема оптичної накачки заснована на тому, що при поглинанні широкополосного спектру випромінювання відбувається фотоліз із появою радикалів та збуджених атомів, останні й утворюють активне середовище лазерів. Наприклад при фотолізі молекули
при дії ультрафіолетового випромінювання із довжиною хвилі 200- 250 нм виникає збуджений атом І в стані 
: 
При переході атома йоду І в стан
випромінюється фотон із довжиною хвилі 1,315 мкм: 
Електронний удар використовують для накачки, як правило, газових лазерів. Накачка заснована на збуджені атома при його співударі із електроном, що володіє достатньо великою кінетичною енергією. Наприклад в He – Ne - лазері відбуваються наступні процеси:
де
- основний стан атома гелію, а 
- один із його збуджених станів. Релаксація енергії збудження та рекомбінації іонів із електронами протікають у цій системітаким чином, щоРис. 3.1. Схема електронних рівнів в збуджені атоми гелію
Heта Ne, що використовуються для накопичуються на метастабільних
накачки He – Ne – лазера електронним рівнях 2s1 та 2s3. Інверсна ударом в газовому розряді. населеність отримується при передачі енергії збудження від гелію до неону, рівні енергії якого 2s та 3sблизькі по енергії до 2s1 та 2s3 рівнів гелію (рис. 3.1):
Переходи 3s → 3p, 3s → 2pта 2s → 2pв неоні використовуються для генерації когерентного випромінювання на довжинах хвиль 3,39, 0,63 та 1,15 мкм відповідно. Електронний удар використовують також для накачки СО2- та СО – лазерів, лазерів на парах металів, ексимерних (точніше ексиплексних), а також деяким напівпровідникових лазерів.
Теплова накачка відбувається при швидкому охолодженні сильно нагрітих газових сумішей при підборі компонентів газових сумішей вдається знайти такі системи енергетичних рівнів частинок в яких розташовані нижче рівні «охолоджуються», швидше чим ті, що розташовані вище. Це приводить до утворення інверсної заселеності рівнів. Практично найбільш вживаний метод – надзвукове витікання газів через отвір, найбільш вдалі активні середовища – суміші
, 
. Лазери із тепловою накачкою на цих активних середовищах отримали назву теплових газодинамічних лазерів.Інжекція носіїв струму через р-п-перехід – основний спосіб накачування напівпровідникових лазерів. Активне середовище являє собою кристал напівпровідника, що складається з областей р- і п-типу (рис. 3.2). Між цими областями виникає контактна різниця потенціалів, що урівноважує потоки носіїв з однієї частини в іншу.
Рис. 3.2. Інжекційний напівпровідниковий лазер. Область потенціального бар’єра заштрихована. (+) та (–) – контакти для прикладення напруги. Лазерне випромінювання направлене перпендикулярно площині малюнка (хвиляста стрілка).
Електричний струм через контакт дорівнює нулю. Якщо до зразка прикласти електричну напругу, рівну по величині контактній різниці потенціалів, виникнуть потоки носіїв назустріч один одному і їхня рекомбінації з випроміненням фотонів. Дзеркалами оптичного резонатора в такому типі лазерів служать добре відполіровані плоскопаралельні грані самого кристала напівпровідника. Найбільш досконалі зразки напівпровідникових інжекційних лазерів являють собою більше складну структуру (гетероструктуру).
Важлива особливість інжекційних лазерів – їхня мініатюрність, довжина активної зони звичайно рівна кільком міліметрам, робоча частина р-п-переходу має розміри в напрямку протікання струму ~1 мкм, поперечний розмір звичайно 1мм.
Розділ 4. Принципова блок-схема квантового генератора. Оптичні резонатори.
Принципова схема лазера містить такі компоненти як активне середовище, яке підсилює (генерує) випромінювання, резонатор, що складається із двох дзеркал, одне із яких напівпрозоре і пристрій накачування енергії в активне середовище (4), (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Принципова схема лазера.
Активне середовище може бути газоподібним, рідким, твердотільним або являти собою плазму, релятивістський електронний потік, тощо. Важливо, щоб активне середовище мало інверсну населеність, тобто більшість випромінювачів повинна перебувати в збудженому стані. Відповідно до розподілу Больцмана число випромінювачів, що перебувають у збудженому стані N2 в інвертованому середовищі, дорівнює: