КОЭффИцИЕНТЫ ЭЙНшТЕЙНА дЛя КВАНТОВЫх ПЕРЕхОдОВ. … ушИРЕНИE СПЕКТРАЛЬНЫх ЛИНИЙ. <...> ИНВЕРСИя НАСЕЛЕННОСТЕЙ во всем дальнейшем изложении мы будем пользоваться известными читателю из курсов общей физики, атомной физики и смежных дисциплин основными понятиями современной картины мира, к которым, в частности, относятся: дискретность энергетических состояний изолированных атомов и молекул, представление оптического излучения (в том числе – света) как поперечной электромагнитной волны, состоящей из потока микрочастиц – фотонов (или квантов света), энергия, поляризация и направление распространения которых совпадают с параметрами волны. <...> первому удалось устранить это противоречие, предположив, что свет излучается порциями (квантами) с различными энергиями, кратными ε0 = hν (h = 6,62 · 10–34 как функция ν и Т имеет вид ρν (ν, T ) = 8 � ν2 c3 hν · exp hv kT – 1 , (1.1) где M' = 8 � ν2 c–3 определяет число типов колебаний (мод) в единице мом деле, интегрируя его по ν, можно получить, что ρν ~ Т 4 кон стефана–больцмана); тот факт, что ρν зависит от ν/Т, приводит к закону вина «смещения» максимума ρν(ν): λмакс объема и в интервале частот от ν до ν + dν, если излучение происходит в объеме, превышающем длину волны излучения λ. из выражения (1.1) вытекают все законы излучения. в са(зарелея–джинса). в соответствии с квантовой теорией, квант электромагнитном · с–1 (или νмакс/Т = const), а в пределе малых и больших ν (по обе стороны от экстремума зависимости ρν(ν) получаем снижение ρν · Т = const (закон го излучения, или фотон, является элементарной квазичастицей, имеющей нулевую массу покоя и движущейся в вакууме с максимальной скоростью движения элементарных частиц материи (с ≈ 3 · 108 дж · с – постоянная Планка), а непрерывный спектр излучения нагретых тел является суперпозицией этих квантов. используя законы статистики, он нашел, что ρν ), а электромагнитное излучение оптического диапазона (свет) представляет собой поток фотонов. <...> Переходы с излучением <...>
Основы_квантовой_электроники.pdf
удк 53.09
ббк 22.31
и 20
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
рецензенты:
профессор, доктор физико-математичских наук В. Ф. Кравченко;
профессор, доктор физико-математичских наук Г. Ф. Заргано;
кандидат физико-математичских наук С. П. Зинченко
Учебное пособие подготовлено и издано в рамках национального проекта
«Образование» по «Программе развития федерального государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»
Иванов, И. Г.
и 20
основы квантовой электроники : учебное пособие / и. Г. иванов.
– ростов-на-дону: издательство ЮФу, 2011. – 174 с.
ISBN 978-5-9275-0873-0
в учебном пособии на современном уровне, последовательно и в сжатой
форме излагаются общие принципы усиления и генерации электромагнитных
колебаний в квантовых системах с использованием явления индуцированного
излучения, а также сущность известных методов получения
инверсии населенностей квантовых состояний в различных средах. кратко
описаны принципиальные конструктивные особенности лазеров и мазеров,
методы управления характеристиками лазерного излучения, при этом
основное внимание уделяется тем типам приборов и устройств квантовой
электроники, которые составляют основу современной лазерной техники,
описаны важнейшие их применения. каждый раздел содержит контрольные
задания и тестовые вопросы самоконтроля.
для студентов и аспирантов физических и технических специальностей
вузов, научно-технических работников и всех интересующихся вопросами
лазерной физики и техники.
ISBN 978-5-9275-0873-0
удк 53.09
ббк 22.31
© Южный федеральный университет, 2011
© иванов и. Г., 2011
© оформление. Макет. издательство
Южного федерального университета, 2011
Стр.2
Содержание
СОдЕРжАНИЕ
ПредисЛовиE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. ВзАИмОдЕЙСТВИE ИзЛучЕНИя С ВЕщЕСТВОм.
КОЭффИцИЕНТЫ ЭЙНшТЕЙНА дЛя КВАНТОВЫх
ПЕРЕхОдОВ. ушИРЕНИE СПЕКТРАЛЬНЫх ЛИНИЙ.
ПОГЛОщЕНИE И уСИЛЕНИE СВЕТА. ИНВЕРСИя
НАСЕЛЕННОСТЕЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1. о гипотезе квантов света ........................... 5
1.2. виды переходов между энергетическими уровнями
в квантовых системах .............................. 7
1.3. Переходы с излучением и поглощением, их вероятность . 8
1.4. связь между коэффициентами Эйнштейна. . . . . . . . . . . . 11
1.5. релаксационные переходы ......................... 12
1.6. «Форма» и ширина спектральных линий ............. 13
1.7. виды уширения спектральных линий ............... 16
1.8. интегральная вероятность перехода с учетом формы
линии .......................................... 20
1.9. Поглощение излучения средой. Эффект насыщения
поглощаемой мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.10. коэффициент поглощения, влияние насыщения
на форму контура линии поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.11. инверсия населенностей уровней.
коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.12. насыщение коэффициента усиления ............... 27
1.13. Принцип усиления света квантовой системой . . . . . . . . 29
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
вопросы для самоконтроля (тест) ......................... 32
2. ОТКРЫТЫE ОПТИчЕСКИE РЕзОНАТОРЫ ЛАзЕРОВ
И Их СВОЙСТВА ........................................ 37
2.1. Принципы создания резонатора оптического диапазона . 37
2.2. Пассивный оор в приближении плоской волны ....... 39
2.3. устойчивость оор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4. типы колебаний (моды) пассивного оор ............. 43
2.5. Моды активного оор (лазера). влияние вида уширения
линии на модовый состав излучения лазера . . . . . . . . . . . 44
171
Стр.171
Содержание
2.6. Мощность на выходе лазера, оптимальное пропускание
выходного зеркала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7. Методы селекции мод ............................. 51
2.8. одночастотный режим работы лазера ................ 53
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
вопросы для самоконтроля (тест) ......................... 57
3. РЕжИмЫ РАбОТЫ ЛАзЕРОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1. импульсный «режим свободной генерации»,
генерация «пичков» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2. импульсный режим за счет модуляции
добротности оор ................................. 63
3.3. режим синхронизации мод для генерации
сверхкоротких импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
вопросы для самоконтроля (тест) ......................... 71
4. ГАзОВЫE ЛАзЕРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.1. условие создания инверсии населенностей ........... 74
4.2. Лазеры, накачиваемые в газоразрядной плазме
столкновениями с электронами первого рода . . . . . . . . . . 75
4.3. Лазеры с накачкой неупругими столкновениями
второго рода между частицами
в газоразрядной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4. накачка ударным возбуждением и ион-ионной
рекомбинацией, эксимерные лазеры ................. 99
4.5. тепловая накачка, газодинамический лазер ......... 101
4.6. накачка в химической реакции ................... 103
4.7. оптическая накачка газовых активных сред . . . . . . . . . 105
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
вопросы для самоконтроля (тест) ........................ 107
5. ЛАзЕРЫ НА ОСНОВE КОНдЕНСИРОВАННЫх СРЕд .... 113
5.1. специфика оптической накачки активной
среды лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2. квантовые приборы с оптической накачкой,
работающие по «трехуровневой схеме» .............. 115
172
Стр.172
Содержание
5.3. Лазеры с оптической накачкой, работающие
по «четырехуровневой схеме» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4. Параметрическая генерация света ................. 133
5.5. Полупроводниковые лазеры ...................... 134
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
вопросы для самоконтроля (тест) ........................ 141
6. ВАжНЕЙшИE ПРИмЕНЕНИя ЛАзЕРОВ И дРуГИх
ПРИбОРОВ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ . . . . . . . . . . . . . 146
6.1. области применения лазеров ...................... 146
6.2. оптическая голография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3. квантовые эталоны и стандарты частоты в свЧ
и оптическом диапазонах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4. резонансное возбуждение частиц. селективное
возбуждение изотопов ............................ 156
6.5. Генерация импульсов света ультракороткой
длительности ................................... 158
задания и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
вопросы для самоконтроля (тест) ........................ 162
ПравиЛЬнЫE ответЫ к тестаМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
сПисок рекоМендованной ЛитературЫ . . . . . . . . . . 168
сПисок исПоЛЬзуеМЫХ сокращений . . . . . . . . . . . . . 170
173
Стр.173