Оптическое излучение
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРОВ
Усиление световой волны в лазерах основано на явлении индуцированного излучения фотона возбужденной частицей вещества (атомом, молекулой). Чтобы основную роль играло индуцированное излучение, необходимо перевести рабочее вещество (усиливающую среду) из равновесного состояния в неравновесное, при котором создана инверсия населенностей энергетических уровней.
В качестве колебательной системы в лазерах используется так называемой открытый резонатор, представляющий собой систему из двух высокоотражающих зеркал. При помещении между ними рабочего вещества создается условие для многократного прохождения усиливаемого излучения через активную среду, и таким образом реализуется положительная обратная связь.
Процесс возбуждения активной среды с целью создания в ней инверсии населенностей называется накачкой, а физическая система, обеспечивающая этот процесс - системой накачки.
Таким образом, в структурной схеме любого типа лазера можно выделить три основных элемента: активную среду, систему накачки и открытый резонатор.
В соответствии с этим в I главе излагаются основы теории квантового усиления и генерации при взаимодействии светового излучения с веществом, методы накачки и теория открытого резонатора.
Оптическое излучение
Оптическим излучением или светом называют электромагнитные волны, длины волн которых заключены в интервале от единиц нанометров до сотен микрометров. Помимо воспринимаемого человеческом глазом видимого излучения (l=0,38-0,76 мкм), различают ультрафиолетовое (l=0,01-0,38 мкм) и инфракрасное (l=0,78-100 мкм) излучения.
Напомним некоторые положения и формулы волновой и квантовой оптики. Волновая оптика базируется на уравнениях классической электродинамики, основу которой составляют уравнения Максвелла:
[ E]=rot E=
[ H]=rot H= (1.1) где Е, D, Н, B– векторы напряженности и индукции соответственно электрического и магнитного полей (система (1.1) написана для случая отсутствия токов и зарядов в среде). В однородной изотропной среде Dи Bсвязаны с полями E и H соотношениями (в системе СИ):
D=ε0eE, B=μ0mH,(1.2) где e – относительная диэлектрическая, m - относительная магнитная проницаемости среды, e0 – электрическая, m0 – магнитная постоянные. Система (1.1) сводится к волновому уравнению для (или ): (1.3) Уравнение (1.3) имеет решение , (1.4) которое описывает плоскую волну, распространяющуюся в направлении, определяемым волновым вектором с фазовой скоростью:
(1.5)
где с= - скорость света в вакууме. Для немагнитной среды m=1, n= и для скорости волны получим: (1.5а)
Объемная плотность энергии, переносимой электромагнитной волной, дается формулой: r=(1/2)ε0eE2+(1/2)μ0mH2=ε0eE2. (1.6)
Спектральная объемная плотность энергии rn определяетсясоотношением: (1.7)
Модуль вектора Умова-Пойнтинга (1.8)
определяет плотность потока световой энергии, .
Под интенсивностью света понимается усредненный по времени поток энергии (1.9)
Процессы поглощения и испускания света могут быть объяснены только в рамках квантовой оптики, которая рассматривает оптическое излучение в виде потока элементарных частиц – фотонов, не имеющих массы покоя и электрического заряда, обладающих энергией Eф=hn, импульсом p=hk и движущихся со скоростью света.
Плотность потока фотонов F=I/(hn)=ru/(hn) (1.10)
где [hn]=Дж, [F]=1/(м2 с).
Дата добавления: 2016-11-26; просмотров: 1343;