МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ» (ФГБОУ ВПО «СГГА»)

В.С. Айрапетян, О.К. Ушаков

ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 200200.62 и магистров 200200.68 «Оптотехника» и по специальности 200203.65 «Оптико-электронные приборы и системы»

Новосибирск

СГГА

2012

4

5

мы работы лазера, при этом рассмотрены те способы модуляции добротности, которые важны при практическом применении лазеров.

В пятом разделе рассмотрены типы лазеров, представлено их многообразие и разнообразные принципы действия. Далее приводится краткое описание некоторых специфических типов лазеров, таких, как рентгеновские лазеры и лазеры на свободных электронах.

Краткий обзор преобразования частоты лазерного излучения с обсуждением некоторых вопросов нелинейной оптики дается в шестом разделе. Этим разделом заканчивается основное описание принципа действия и свойства лазерного излучения.

Особый интерес представляет вопрос о применении лазера в различных областях науки и техники, который обсуждается в седьмом разделе. После создания лазеров начинает бурно развиваться нелинейная оптика и лазерная спектроскопия, оптическая связь, военная техника, медицина, биология и целый ряд других наук.

Описание каждого раздела заканчивается типовыми задачами и примерами, которые иллюстрируют текст и могут подсказать другие возможные способы применения лазеров.

7

скачкообразным переходом системы из одного стационарного состояния в другое.

В соответствии с законом сохранения энергии переходы атомной системы из одного стационарного состояния в другое связаны с получением или отдачей энергии системой.

Второй постулат – электромагнитное излучение, связанное с переходом атомной системы из стационарного состояния с энергией Ej в стационарное состояние с энергией El, является монохроматическим, и его частота ν определяется соотношением

где h – постоянная Планка.

Электромагнитное излучение при этом поглощается (если El > Ej) или испускается (если El < Ej) определенными порциями h ν – квантами излучения. В световом диапазоне кванты можно рассматривать как фотоны.

Закон (1.1) часто называют правилом частот Бора. Это закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

По аналогии между энергиями стационарных состояний и потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (не различные уровни), на рис. 1.1 изображена простейшая диаграмма уровней энергии, образующих дискретную последовательность.

E

E

ν45

E4

ν34 ν35

E3

ν23 ν24 ν25

E2

ν12 ν13 ν14 ν15

E1

Рис. 1.1. Диаграмма уровней энергии

9

Горизонтальные линии проведены на расстояниях, пропорциональных разностям значений энергий E1, E2, E3, E4, E5 соответствующих стационарных состояний. Слева дана шкала энергий. Как и в случае потенциальной энергии поднятого тела, начало отсчета энергии является произвольным; за нуль может быть принята энергия Е1 самого нижнего уровня или иная энергия, характеризующая определенное состояние системы, например для атома – энергия, соответствующая отрыву электрона, т. е. ионизации атома, а для молекулы – энергия, соответствующая разрыву молекулы на части, т. е. диссоциации молекулы. Переходы между стационарными состояниями – между уровнями энергии – показаны вертикальными линиями, соединяющими соответствующие горизонтальные линии – комбинирующие уровни.

Каждому возможному переходу между дискретными уровнями энергии соответствует определенная спектральная линия, характеризуемая в спектре значением частоты (или волнового числа) монохроматического излучения. Частоты спектральных линий на рис. 1.1 обозначены как ν12,

ν13, ν23, ν34 и т. д.

Из основного соотношения (1.1) вытекает, что между частотами раз-

Например, ν13 = ν12 + ν23, что очевидно из диаграммы.

Таким образом, могут наблюдаться переходы с частотами, равными комбинациям – суммам и разностям частот других переходов. В этом состоит содержание комбинационного принципа, представляющего непосредственное следствие основного квантового закона (1.1).

Комбинационный принцип играет очень важную роль в спектроскопии. Его соблюдение является критерием правильности схемы уровней, найденной исходя из опытных значений частот спектральных линий. При интерпретации сложных спектров отыскивают постоянные разности частот, соответствующие разностям энергий пар уровней.

При переходах между уровнями i, j и уровнями k, l, m… согласно комбинационному принципу

10