38. Принцип работы лазера и свойств лазерного излучения. Основы нелинейной оптики

В начале 60-х годов 20 в. были созданы источники света иного типа, получившие название оптических квантовых генераторов или лазеров. В противоположность некогерентным источникам, э/м волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удалённых друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентными между собой. В этом отношении квантовые генераторы вполне аналогичны источникам когерентных радиоволн. Когерентность излучения проявляется практически во всех свой­ствах оптических квантовых генераторов. Исключение составляет, разумеется, полная энергия излучения, которая, как и в случае некогерентных источников, прежде всего зависит от подводимой энергии. Замечательной чертой лазеров, тесно связанной с коге­рентностью их излучения, является способность к концентрации энергии — концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлениям распространения. Световой пучок, выходящий из оптического квантового генератора, обладает высокой направленностью, которая во многих случаях определяется дифрак­ционными явлениями. Такое излучение можно, как известно, сфокусировать на ничтожно малой площади и создать, следовательно, огромную освещенность.Изучение св-в самих лазеров существенно обогатили наши сведения о дифракционных и интерференционных явлениях. Распространение мощного излучения, испущен­ного оптическим квантовым генератором, сопровождается так называемыми нелинейными явлениями. Некоторые из них- вынужденное рассеяние Мандельштама—Бриллюэна, вынужденное рассеяние крыла линии Рэлея и вынужденное температурное рассеяние; также многофотонное поглощение и многофотонная ионизация, зависимость коэффициента поглощения от интенсивности света, нелинейный или многофотонный фотоэффект, многофотонное возбуждение и диссоциация молекул, эффект Керра, обусловленный электрическим полем света. Совокупность нелинейных явлений составляет содержание нелинейной оптики и нелинейной спектроскопии, которые сформировались в 60-е годы и продолжают быстро развиваться.Оптические приборы и оптические методы исследования широко применяются в самых разнообразных областях естествознания и техники. Оптические квантовые генераторы неизмеримо расширяют возможности оптических методов исследования. В области индустрии отметим применения лазеров для сварки, обработки, и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях.

Принцип действия оптического квантового генератора

Когерентное усиление света средой с инверсной заселенностью энергетических уровней определило возможность использовать такую среду для генерации направленного потока монохроматического излучения.

Рассмотрим, как будет излучать свет активная среда, помещен­ная между двумя зеркалами типа используемых в интерферометрах Фабри —Перо (рис. 40.4). Такую систему принято называть актив­ным оптическим резонатором. Пусть возбужденный атом, рас­положенный в точке А, испускает волну в результате спонтан­ного перехода между уровнями с инверсной заселенностью.Чем больше путь, проходимый волной в активной среде, тем больше усиление волны. Для направлений, перпендикулярных коси резонатора, усиление оказывается наименьшим. Другим направлениям соответствует несколько больший путь, и, следовательно, несколько большее усиление. На рис. 40.4 это схематически показано увеличением числа стрелок в усиливающихся световых потоках. После отражения от зеркала волна вновь распространяется в активной среде, и ее амплитуда продолжает увеличиваться. Затем она достигает противоположного зеркала, отражается от него и испытывает дальнейшее усиление в активной среде, после чего все стадии описанного цикла повторяются, и энергия волны в резонаторе нарастает.Исследования С. И. Вавилова зависимости коэффициента поглощения от интенсивности поглощаемого света послужили к созданию нелинейной оптики. Последующее развитие нелинейной оптики, обусловленное экспериментальным исследованием распространения лазерного излучения, не только подтвердило общие соображения Вавилова о мно­гообразии возможных нелинейных явлений, но и привело к обнаружению всех перечисленных им конкретных эффектов. Поэтому Вавилов по праву признан основоположником нелинейной оптики. Причину нелинейных явлений Вавилов усматривал в изменении числа молекул или атомов, способных поглощать свет, т. е. изменений, обусловленных переходом атомов и молекул в возбужденное состояние и конечной длительностью пребывания в этих состояниях. Помимо указанной, к нелинейным явлениям приводит и ряд других причин. В соответствии с этим и совокупность нелинейных явлений, обнаруженных при исследовании распространения лазерного излучения, оказалась еще более многообразной. Некоторые из них — вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, многофотонное поглощение и ионизация, нелинейный фотоэффект.