Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике

Н.В.Карлов

ЛЕКЦИИ ПО КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

В книге представлены основные физические идеи квантовой электроники и дано описание принципа действия наиболее важных лазеров. Книга предназначается для студентов физических специальностей вузов — будущих физиков-экспериментаторов и инженеров-физиков, имеющих намерение работать в области исследований и применений лазерного излучения, и имеет целью дать им необходимый для того минимум начальных сведений по квантовой электронике. Книга содержит изложение физических принципов усиления и генерации света на основе индуцированного испускания излучения, описание открытых резонаторов лазерных систем, принципов действия газовых лазеров, твердотельных лазеров и лазеров, перестраиваемых по длине волны излучения.

Содержание

Предисловие	3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЛАЗЕРОВ
Лекция первая. Коэффициенты Эйнштейна	5
Определение квантовой электроники. Индуцированные и спонтанные
переходы, коэффициенты Эйнштейна. Когерентность
индуцированного излучения.
Лекция вторая. Ширина линии	12
Соотношение неопределенностей «энергия — время», естественное
время жизни, ширина спектра спонтанного излучения. Лоренцева
форма линии. Вероятность индуцированных переходов при
монохроматическом излучении. Однородное и неоднородное
уширения. Гауссова форма линии при доплеров-ском уширении.
Лекция третья. Усиление	21
Поглощение и усиление. Активная среда. Сечение поглощения.
Эффект насыщения. Плотность потока энергии насыщающего
излучения. Импульсный режим, энергия насыщения.
Лекция четвертая. Коэффициенты Эйнштейна и матричный элемент	30
оператора перехода
Волновые функции стационарных состояний. Уравнение Шредингера
при? наличии возмущений. Первое приближение теории возмущений.
Суперпозиция волновых функций стационарных состояний.
Вероятность перехода. Вычисление коэффициентов Эйнштейна для
индуцированных переходов в двухуровневой системе. Матричный
элемент оператора дипольного момента перехода. Осцилляции
населенности верхнего уровня, частота Раби.
Лекция пятая. Лазеры-усилители	39
Усиление и генерация. Полоса пропускания усилителя бегущей
волны. Шум квантового усилителя. Максимальная выходная
мощность. Импульсный режим, максимальная выходная энергия,
изменение формы импульса при нелинейном усилении.
Лекция шестая. Генерация	50

Открытый резонатор, его добротность. Регенерация резонатора при
усилении. Проходной резонаторный усилитель. Отражательный
усилитель. Условия самовозбуждения. Условия резонанса. Частота
генерации. Максимальная выходная мощность.
Лекция седьмая. Открытые резонаторы	62
Резонаторы в электронике. Переход к коротким волнам. Падение
добротности и сгущение резонансов замкнутых объемов. Открытые
резонаторы, прореживание спектра. Число Френеля. Моды. Время
жизни моды пассивного резонатора. Дифракционные потери. Метод
Фокса и Ли. Интегральное уравнение открытого резонатора.
Лекция восьмая. Гауссовы пучки	71
Конфокальный резонатор. Распределение поля. Гауссовы пучки.
Размер пятна. Расходимость излучения. Радиус кривизны волнового
фронта. Преобразование гауссовых пучков линзой. Согласование мод
резонаторов. Фокусирование гауссовых пучков. Продольный и
поперечный' размеры фокальной области.
Лекция девятая. Устойчивость резонаторов	81
Устойчивость линзовых световодов. Световод с одинаковыми
линзами. Световод с чередующимися линзами двух различных
фокусных расстояний. Условие устойчивости, диаграмма
устойчивости. Эквивалентность линзового световода и открытого
резонатора. Типы устойчивых резонаторов. Селекция поперечных
мод диафрагмой. Неустойчивые резонаторы.
Лекция десятая. Неустойчивые резонаторы	90
Геометро-оптическое рассмотрение. Коэффициент увеличения,
потери на излучение. Симметричный резонатор, телескопический
резонатор. Эквивалентное число Френеля. Селекция продольных мод.
Частотная селекция, пространственная селекция тонкими
поглотителями. Дисперсионные резонаторы.
Лекция одиннадцатая. Синхронизация мод	100
Генерация излучения в нескольких продольных модах. Нерегулярный
характер спектра генерации. Затягивание мод. Синхронизация мод.
Длительность и период следования импульсов при синхронизации
мод. Активная и пассивная синхронизация. Самосинхронизация.
Модуляция добротности. Провал Лэмба.
Лекция двенадцатая. История квантовой электроники. Основные	113
формулы
История возникновения квантовой электроники. Квантовая природа
света, индуцированное излучение, бозоны. Эйнштейн, Дирак. Первый
мазер, радио и оптика. Радиоспектроскопия. Таунс, Прохоров, Басов.
Метод трех уровней. Предложение открытого резонатора. Первые

лазеры. Место квантовой электроники в оптике. Основные формулы квантовой электроники.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ ЛАЗЕРЫ

Лекция тринадцатая. Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер	125
Особенности газообразной активной среды. Основные методы
возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое
возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная
передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый
лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция
линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда,
параметры лазера.
Лекция четырнадцатая. Ионные лазеры. Лазеры на парах металлов	137
Аргоновый лазер. Схема уровней. Двухступенчатое возбуждение.
Зависимость от плотности тока разряда. Условие инверсии. Эффект
перекачки газа в разряде. Параметры лазера. Гелий-кадмиевый лазер.
Пеннинговский механизм ионизации и возбуждения. Схема уровней.
Катафорез. Параметры лазера. К. п. д. газоразрядных лазеров.
Самоограниченные переходы. К. п. д., энергия, мощность лазеров на
самоограниченных переходах. Медный лазер, схема~ уровней,
параметры лазера.
Лекция пятнадцатая. СО2-лазеры	149
Молекулярные лазеры. Требования к рабочему веществу мощных
газовых лазеров с высоким к. п. д. Колебательные спектры молекул.
P-. Q-, R-ветви. Нормальные колебания многоатомных молекул. СО2-
лазер, общие сведения. Молекула СО2. Механизм инверсии. Роль,
азота и гелия. Лазеры с продольной прокачкой. Отпаянные лазеры.
Лекция шестнадцатая. СО2-лазеры (продолжение)	163
Спектральные свойства СО2-лазеров. Вращательная структура.
Полосы 00°1 — 10°0 и 00°1— 02°0. Вращательная конкуренция.
Перестройка частоты излучения. Плавная перестройка. Импульсный
разряд. ТЕА СО2-лазеры. Самостоятельный и несамостоятельный
разряды. Газодинамические лазеры.
Лекция семнадцатая. Химические лазеры	173
Экзотермические реакции и колебательная энергия. Колебательно-
поступателъная, колебательно-колебательная и вращателъно-
поступателъпая релаксация. Полная и частичная инверсии. Скорость,
химической накачки. Цепные реакции. К. п.д. инициирования и
химический к. п. д. Химические лазеры импульсного и непрерывного
действия. Параметры лазеров. Йодный фотодиссоциационпый лазер.
Лекция восемнадцатая. CO-лазеры, газовые лазеры на электронных	185
переходах в молекулах
Плато в колебательных населенностях. Частичная инверсия.
Особенности спектра генерации CO-лазера. Электронные переходы в
молекулах. Принцип Франка — Кондона. Азотный лазер.
Водородный лазер. Эксимерные лазеры.
Лекция девятнадцатая. Вспомогательное излучение накачки в	197

системах со многими уровнями энергии
Лазеры на конденсированных средах со многими уровнями энергии.
Метод вспомогательного излучения накачки. Трех- и
четырехуровневые схемы. Безызлучательная релаксация в твердом
теле. Матрица лазера на твердом теле. Рубин. Электронные
конфигурации атомов и ионов переходных групп. Основные
состояния трехвалентных ионов хрома и неодима.
Лекция двадцатая Рубиновый и неодимовый лазеры			208
Внутрикристаллическое поле. Уровни энергии иона хрома в корунде.
Рубиновый лазер. Уровни энергии иона неодима. Неодимовый лазер.
Лазерное стекло. Оптическая однородность, лучевая стойкость.
Лекция двадцать первая. Безызлучательная релаксация в твердом			218
теле
Электрон-фононное взаимодействие. Слабая выбранная связь.
Вероятность многофононной релаксации. Колебательный спектр
матрицы. Максимальная длина волны. Примеры ионов неодима и
эрбия. Ион-ионное взаимодействие. Эффективное затухание в
системе слабосвязанных осцилляторов. Вероятность переноса
энергии от донора к акцептору. Миграция энергии. Выбор
оптимальных концентраций. Сенсибилизация.
Лекция двадцать вторая. Лазеры на красителях			234
Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Схема уровней.
Цикл оптической накачки. Перестройка частоты излучения.
Паразитные процессы. Коэффициент усиления. Непрерывный и
импульсный режимы. Пороговая накачка. Ламповая и лазерная
накачка, непрерывный режим.
Лекция двадцать третья. Лазеры на центрах окраски			246
F-центры. Методы окрашивания кристаллов. Анионные вакансии в
ЩГК. F-, F -, F		+-, F --центры. Спектры поглощения и
2	2	2
люминесценции. Цикл оптической накачки. Параметры лазеров.
Вибронные и бесфононные переходы. Ион хрома. Лазер на
александрите.
Лекция двадцать четвертая. Полупроводниковые лазеры			257
Отличительные особенности полупроводниковых лазеров. Зоны
разрешенных состояний. Прямозонные и непрямозонные
полупроводники. Рекомбинационное свечение. Уровень Ферми,
квазиуровни Ферми. Условие инверсии. Безызлучателъная
рекомбинация. Внутренний квантовый выход.
Лекция двадцать пятая. Полупроводниковые лазеры (продолжение)			266
Диодные инжекционные лазеры. Распределение носителей в
полупроводниковом кристалле с p — n-переходом. Инжекция
носителей. Зонная структура полупроводника с p — n -переходом.
Вырожденный полупроводник с p — n -переходом. Зонная структура.

Инверсия при инжекции носителей в p — n -переход вырожденного
полупроводника. К. п. д. Мощность. Гетероструктуры. Диапазон длин
волн излучения. Перестройка.
Лекция двадцать шестая. Лазеры на свободных электронах	277
Генерация СВЧ электронными потоками. Длина волны излучения и
синхронизм для улътрарелятивистского электронного пучка.
Усиление при ондуляторном излучении релятивистских электронов.
Ондуляторный -лазер на свободных электронах.
Лекция двадцать седьмая. Семнадцать наиболее известных лазеров	289
Краткие описания. Характерные особенности. Методы создания
инверсии. Заключение. Тенденции развития. Новые длины волн
лазерного излучения. ИК диапазон. Видимая область. Методы

нелинейной оптики, генерация гармоник, разностных частот. ВКРлазеры. Дальняя УФ -область, -рентгеновская область. Гамма-лазеры. Области применения лазеров.