9. Изучение свойств излучения оптического квантового генератора.

Цель работы: Определение пространственной когерентности, угловой расходимости, коэффициентом поляризации; наблюдение интерференции и дифракции лазерного излучения.

1. Основные понятия и определения.

Особенности лазерного излучения обусловлены квантовыми свойствами атомных и молекулярных систем. В равновесном состоянии системы электроны распределяются по энергиям согласно классическому распределению Максвелла – Больцмана

N_i ~ e^-Ei/kT , (9.1)

Где N_i - число электронов, обладающие i-м значением энергии Ei (населённость i- го уровня энергии). Как исследует из (9.1) Nm < Nn при Em > En переходя из более низкого энергетического состояния в более высокое, электрон поглощает энергию фотона равной h_nm , что соответствует нахождению атома в возбуждённом состоянии, которое не устойчиво. Совершая через время  ~ 10^-8 с., спонтанный переход в более низкое энергетическое состояние, электрон излучает фотон с такой же энергией h_nm = h_mn. Так как населённость верхних уровне меньше нижних, то поглощательных переходов больше чем излучательных и выполняется закон Бугера – Ламберта

Ф_е = Ф_еое^-кх (9.2)

Где Ф_е – это поток энергии излучения, прошедший через слой вещества толщиной х (см. л.р. 4-14), к – линейный коэффициент поглощения. Эйнштейн ввёл понятие стимулированных переходов, которые совершают электроны уровня m, находясь в поле излучения частоты _mn на уровень n, т.е. вынужденное излучение носит резонансный характер если населенность Nm> Nn, то проходящее излучение будет на ослабляться , а усиливаться. Это условие называется инверсией населённости и возможно согласно (9.1) только в системах с отрицательной температурой. Но Т<0 реально не выполнимо и понятие «отрицательной » температуры условно. Реально условие Nm> Nn осуществляется в квантовых системах с метастабильными m уровнями, время жизни электронов на которых >> 10^-8 с. Методы создания инверсии населённости в твёрдых, жидких и газообразных средах весьма разнообразно и различаются способами сообщения электроном на уровне n энергии h_mn (оптические, электродинамические, химические). Практическое значение имеют не только квантовые усилители, но и генераторы. Квантовые генераторы работающие в оптическом диапазоне называются ОКГ или лазерами. Схематические устройства изображено на рисунке

1- активная среда с инверсией населённости, 2 – непрозрачное заднее зеркало, 3 – полупрозрачное зеркало, 4 – выходные окна под углом Брюстера (см. л.р. 4-4)

Зеркала 2 и 3 образуют оптический резонатор для частоты _mn высокой добротности. Окна пропускают только поляризованное излучение. Из рисунка видно, что излучение возбужденного атома индуцирует излучение других атомов ₁=₂ и ₁=₂, Е₁II Е₂, т.е. волны имеют одинаковую частоту и поляризацию, а так же не зависящую от времени разность начальных фаз. Излучение естественных источников носит нерезонансный характер и поэтому некогерентно. Так как длительность излучений атома порядка 10^-8 с., то атом излучает цуг волн, т.е. любой конечный сигнал согласно Фурье – представлению есть совокупность монохроматических волн разной амплитуды, частоты и фазы. Поэтому цуг волн немонохроматичен. В то же время на длине цуга можно выделить участки длиной l_ког, при смещении на которую цуги ещё остаются когерентными и можно наблюдать их интерференцию. Для атома, как колебательной системы с невысокой добротностью выполняется условие: 1, где - разброс частот по длине цуга. С другой стороны при наблюдении интерференции необходимо, что бы максимум интерференционной картины порядка m(+) не попал на максимум (m+1), т.е.

m=/ , тогда l_ког =m= ²/, _ког = l_ког/c. для солнечного света: l_ког 5 . Так как методика наблюдений интерференции естественного света (см. л.р. 4-8) заключается в разделении цугов и наблюдении интерференции вторичных когерентных цугов, смещение между вторичными цугами не может превысить l_ког. Для лазерного излучения l_ког может достигать сотен метров. Условия когерентности можно определить и для ширины пучка h тогда l_ког =2, h_ког = 2d, где d - расстояние между источниками вторичных цугов  продольная разность хода между ними. Благодаря оптическому резонатору и сферическому заднему зеркалу излучение ОКГ высоко – монохроматично /₀ <<1 , поляризовано, имеет малую угловую расходимость, большую спектральную плотность энергетической светимости и когерентность.