Оптика и фотоника. Принципы и применения
В 2 томах Том 2
Покупка
Тематика:
Оптика
Издательство:
Интеллект
Перевод:
Дербов В. Л.
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 784
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
Сравнительно новый термин "фотоника" возник по аналогии с хорошо известным термином "электроника". Это современное состояние науки о взаимодействии света и вещества и многочисленных технологических приложениях.
Этот термин отражает квантовую (фотонную) природу света и включает широкий круг физических явлений, методов и устройств, используемых для генерации света, управления его свойствами, передачи, регистрации, воздействия светом на вещество и оптической диагностики материальных сред. В учебной литературе на русском языке, рассчитанной на студентов физических и технических специальностей, в настоящее время отсутствует книга, объединяющая указанный круг проблем.
Данный пробел призван восполнить перевод на русский язык второго издания книги известных американских специалистов Б.Салеха и М.Тейха, посвященной введению в фотонику и рассчитанной на широкий круг читателей - студентов и преподавателей вузов, инженеров и специалистов, работающих в области современных оптических технологий.
Только для владельцев печатной версии книги: чтобы получить доступ к дополнительным материалам, пожалуйста, введите последнее слово на странице №548 Вашего печатного экземпляра.
Ввести кодовое слово
ошибка
-
Салех 2 TOM Цв вкл.pdf
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Б. САЛЕХ, М. ТЕЙХ ОПТИКА И ФОТОНИКА ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЯ Том 2 Перевод с английского В.Л. Дербова Издательский Дом ИНТЕЛЛЕКТ ДОЛГОПРУДНЫЙ 2012
Б. Салех, М. Тейх Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т 2 / Б. Салех, М. Тейх — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 784 с.: цв. вкл. ISBN 978-5-91559-135-5 Сравнительно новый термин «фотоника» возник по аналогии с хорошо известным термином «электроника». Это современное состояние науки о взаимодействии света и вещества и многочисленных технологических приложениях. Этот термин отражает квантовую (фотонную) природу света и включает широкий круг физических явлений, методов и устройств, используемых для генерации света, управления его свойствами, передачи, регистрации, воздействия светом на вещество и оптической диагностики материальных сред. В учебной литературе на русском языке, рассчитанной на студентов физических и технических специальностей, в настоящее время отсутствует книга, объединяющая указанный круг проблем. Данный пробел призван восполнить перевод на русский язык второго издания книги известных американских специалистов. Содержание книги охватывает оптику лучей, волн и пучков, фурье-оптику, электромагнитную теорию света, поляризационную оптику, оптику фотонных кристаллов, волноводов и резонаторов, элементы статистической и квантовой оптики, взаимодействие фотонов с атомами, лазерные усилители и лазеры, оптику полупроводников, полупроводниковые источники и приемники фотонов, акусто- и электрооптику, основы нелинейной оптики, включая оптику ультракоротких импульсов света, а также основные сведения об оптических системах связи и их элементах — оптических соединителях и переключателях. Начиная с элементарных основ оптики, авторы достаточно быстро подводят читателя к самым современным научным достижениям и техническим решениям. Математический аппарат изложен лаконично, но достаточно строго, наглядность обеспечивается большим количеством иллюстраций. Каждый раздел книги снабжен хорошо продуманным набором задач, что делает ее весьма полезной как для преподавателей, так и для самостоятельной работы студентов. Огромный объём материала, охватывающего все разделы оптики, потребовал выпустить книгу на русском языке в виде двухтомника. FUNDAMENTALS OF PHOTONICS SECOND EDITION BAHAA E. A. SALEH Boston University MALVIN CARL TEICH Boston University Columbia University ISBN 978-5-91559-135-5 ISBN 978-0-4713-5832-9 (англ.) WILEY-INTERSCIENCE A John Wiley & Sons, Inc., Publication ® © 2007, John Wiley & Sons © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление
ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 15 ЛАЗЕРЫ..............................................................9 15.1. Теория лазерной генерации..................................11 15.1.1. Оптическое усиление и обратная связь.................11 15.1.2. Условия лазерной генерации...........................15 15.2. Выходные характеристики лазера.............................19 15.2.1. Мощность.............................................19 15.2.2. Спектральное распределение...........................25 15.2.3. Пространственное распределение и поляризация.........31 15.2.4. Селекция мод.........................................34 15.3. Распространенные лазеры....................................37 15.3.1. Твердотельные лазеры.................................38 15.3.2. Газовые лазеры.......................................51 15.3.3. Другие лазеры........................................53 15.3.4. Таблица характеристик................................58 15.4. Импульсные лазеры..........................................58 15.4.1. Методы получения импульсной генерации................61 *15.4.2. Анализ переходных эффектов..........................64 *15.4.3. Модуляция добротности...............................66 15.4.4. Синхронизация мод....................................72 Глава 16 ОПТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.............................................87 16.1. Полупроводники.............................................88 16.1.1. Энергетические зоны и носители заряда................89 16.1.2. Полупроводниковые материалы..........................94 16.1.3. Концентрации электронов и дырок.................... 101 16.1.4. Генерация, рекомбинация и инжекция................. 110 16.1.5. Переходы........................................... 115 16.1.6. Гетеропереходы..................................... 120 16.1.7. Квантово-размерные структуры....................... 122 В конце каждой главы приведены литература, рекомендуемая авторами, и задачи. — Прим, издательства.
—I Оглавление 16.2. Взаимодействие фотонов с носителями заряда............. 130 16.2.1. Взаимодействие фотонов с объемными полупроводниками. 130 16.2.2. Межзонные переходы в объемных полупроводниках.... 131 16.2.3. Поглощение, испускание и усиление в объемных полупроводниках........................................... 136 16.2.4. Взаимодействие фотонов с квантово-размерными структурами............................................... 143 16.2.5. Показатель преломления........................... 145 Глава 17 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ФОТОНОВ............................. 152 17.1. Светоизлучающие диоды.................................. 154 17.1.1. Инжекционная электролюминесценция................ 154 17.1.2. Характеристики СИД............................... 161 17.1.3. Материалы и структуры устройств.................. 172 17.2. Полупроводниковые оптические усилители................. 180 17.2.1. Усиление и ширина полосы......................... 181 17.2.2. Накачка.......................................... 187 17.2.3. Гетероструктуры.................................. 190 17.2.4. Структуры с квантовыми ямами..................... 192 17.2.5. Сверхлюминесцентные диоды........................ 197 17.3. Лазерные диоды......................................... 198 17.3.1. Усиление, обратная связь и генерация............. 198 17.3.2. Мощность и коэффициент преобразования.............203 17.3.3. Спектральные и пространственные характеристики....209 17.4. Квантово-размерные лазеры и лазеры с микрорезонаторами..214 17.4.1. Квантово-размерные лазеры.........................214 17.4.2. Лазеры с микрорезонаторами........................222 17.4.3. Материалы и структуры устройств...................225 Глава 18 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ФОТОНОВ..............................241 18.1. Фотоприемники...........................................242 18.1.1. Внешний и внутренний фотоэффект...................242 18.1.2. Общие свойства....................................246 18.2. Фотопроводники..........................................254 18.2.1. Собственные полупроводники........................255 18.2.2. Примесные материалы...............................258 18.2.3. Гетероструктуры...................................259 18.3. Фотодиоды...............................................260 18.3.1. р—п -Фотодиод.....................................260 18.3.2. р — i — п-Фотодиод................................263 18.3.3. Гетероструктуры...................................264 18.4. Лавинные фотодиоды......................................267
Оглавление —i 5 18.4.1. Принципы действия....................................267 18.4.2. Усиление и токовая чувствительность..................270 18.4.3. Время отклика........................................274 18.4.4. Лавинные диоды для регистрации одиночных фотонов (SPAD)..............................................276 18.5. Матричные детекторы........................................277 18.6. Шум в фотодетекторах.......................................279 18.6.1. Фотоэлектронный шум..................................281 18.6.2. Шум усиления.........................................286 18.6.3. Шум схемы............................................292 18.6.4. Отношение сигнал-шум и обнаружительная способность приемника...................................................296 18.6.5. Частота появления ошибочных битов и обнаружительная способность приемника.......................................302 Глава 19 АКУСТООПТИКА........................................................316 19.1. Взаимодействие света и звука...............................318 19.1.1. Дифракция Брэгга.....................................319 *19.1.2. Теория связанных волн................................328 19.1.3. Брэгговская дифракция пучков.........................331 19.2. Акустооптические устройства................................335 19.2.1. Модуляторы...........................................335 19.2.2. Сканеры..............................................338 19.2.3. Пространственные переключатели.......................341 19.2.4. Фильтры, преобразователи частоты и вентили...........345 *19.3. Акустооптика анизотропных сред.............................346 Глава 20 ЭЛЕКТРООПТИКА.......................................................355 20.1. Принципы электрооптики.....................................357 20.1.1. Эффекты Поккельса и Керра............................357 20.1.2. Электрооптические модуляторы и переключатели.........359 20.1.3. Сканеры..............................................366 20.1.4. Направленные ответвители.............................367 20.1.5. Пространственные модуляторы света....................371 *20.2. Электрооптика анизотропных сред............................374 20.2.1. Эффекты Поккельса и Керра............................375 20.2.2. Модуляторы...........................................383 20.3. Электрооптика жидких кристаллов............................385 20.3.1. Фазовые пластинки и модуляторы.......................385 20.3.2. Пространственные модуляторы света....................392 *20.4. Фоторефрактивность.........................................395 20.5. Электропоглощение..........................................401
JU Оглавление Глава 21 НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА.................................................409 21.1. Нелинейные оптические среды..............................411 21.2. Нелинейная оптика второго порядка........................416 21.2.1. Генерация второй гармоники (ГВГ) и оптическое выпрямление...............................................416 21.2.2. Электрооптический эффект..........................419 21.2.3. Трехволновое смешение.............................421 21.2.4. Фазовый синхронизм и кривые настройки.............426 21.2.5. Квазисинхронизм...................................432 21.3. Нелинейная оптика третьего порядка.......................435 21.3.1. Генерация третьей гармоники (ГТГ) и оптический эффект Керра.....................................................436 21.3.2. Самомодуляция фазы (СМФ), самофокусировка и пространственные солитоны...............................437 21.3.3. Фазовая кросс-модуляция (ФКМ).....................442 21.3.4. Четырехволновое смешение (ЧВС)....................443 21.3.5. Обращение волнового фронта (ОВФ)..................446 *21.4 . Нелинейная оптика второго порядка: теория связанных волн..450 21.4.1. Генерация второй гармоники (ГВГ)..................455 21.4.2. Преобразование оптической частоты (ПОЧ)...........459 21.4.3. Параметрическое усиление (ПУ) и параметрическая генерация (ПГ) света.................................................460 *21.5 . Нелинейная оптика третьего порядка: теория связанных волн.464 21.5.1. Четырехволновое смешение (ЧВС)......................464 21.5.2. Трехволновое смешение и генерация третьей гармоники (ГТГ)...........................................467 21.5.3. Обращение волнового фронта (ОВФ)..................470 *21.6 . Анизотропные нелинейные среды...........................472 *21.7 . Нелинейные среды с дисперсией...........................477 Глава 22 ОПТИКА СВЕРХБЫСТРЫХ ПРОЦЕССОВ.....................................489 22.1. Характеристики импульсов.................................490 22.1.1. Временные и спектральные характеристики...........490 22.1.2. Гауссовы импульсы и гауссовы импульсы с чирпом....497 22.1.3. Пространственные характеристики...................500 22.2. Формирование и компрессия импульсов......................504 22.2.1. Фильтры с чирпом..................................505 22.2.2. Осуществление фильтрации с изменением чирпа.......515 22.2.3. Сжатие импульсов..................................521 22.2.4. Формирование импульсов............................523
Оглавление —i 7 22.3. Распространение импульсов в оптических волноводах.........526 22.3.1. Оптическое волокно как фильтр с чирпом..............526 22.3.2. Распространение гауссова импульса в оптическом волокне.530 *22.3.3. Уравнение диффузии для медленной огибающей..........538 *22.3.4. Аналогия между дисперсией и дифракцией..............541 22.4. Линейная оптика ультракоротких импульсов..................546 22.4.1. Оптика лучей........................................546 *22.4.2. Волновая и Фурье-оптика.............................548 *22.4.3. Оптика пучков.......................................552 22.5. Нелинейная оптика ультракоротких импульсов................561 22.5.1. Импульсные параметрические процессы.................562 22.5.2. Оптические солитоны.................................569 *22.5.3. Суперконтинуум......................................582 22.6. Детектирование импульсов..................................584 22.6.1. Измерение интенсивности.............................585 22.6.2. Измерение спектральной интенсивности................591 22.6.3. Измерение фазы......................................593 *22.6.4. Измерение спектрограмм..............................597 Глава 23 ОПТИЧЕСКИЕ МЕЖСОЕДИНЕНИЯ И КОММУТАТОРЫ ............................606 23.1. Оптические межсоединения..................................608 23.1.1. Межсоединения в свободном пространстве на основе рефракции и дифракции.......................................611 23.1.2. Волноводные межсоединения...........................616 23.1.3. Невзаимные оптические межсоединения.................618 23.1.4. Оптические межсоединения в микроэлектронике.........618 23.2. Пассивные оптические маршрутизаторы.......................625 23.2.1. Маршрутизаторы с разделением по длине волны.........626 23.2.2. Маршрутизаторы с разделением по поляризации, фазе и интенсивности.............................................631 23.3. Фотонные коммутаторы......................................635 23.3.1. Архитектуры пространственных коммутаторов...........635 23.3.2. Конструкции оптических пространственных коммутаторов...637 23.3.3. Полностью оптические пространственные коммутаторы......648 23.3.4. Коммутаторы с разделением по длине волны............654 23.3.5. Коммутаторы с разделением по времени................658 23.3.6. Коммутаторы пакетов.................................662 23.4. Оптические логические элементы............................665 23.4.1. Бистабильные системы................................665 23.4.2. Основы оптической бистабильности....................667 23.4.3. Бистабильные оптические устройства..................670
JU Оглавление Глава 24 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ.............................684 24.1. Волоконно-оптические компоненты.......................686 24.1.1. Оптические волокна..............................686 24.1.2. Источники для оптических передатчиков...........693 24.1.3. Оптические усилители............................695 24.1.4. Детекторы для оптических приемников.............698 24.2. Волоконно-оптические системы связи....................700 24.2.1. Эволюция волоконно-оптических систем связи......701 24.2.2. Эксплуатационные показатели оптических волоконных систем..................................................705 24.2.3. Системы, ограниченные по ослаблению и дисперсии.709 24.2.4. Компенсация ослабления и дисперсии и управление ими....718 24.2.5. Солитонная оптическая связь.....................721 24.3. Модуляция и мультиплексирование.......................723 24.3.1. Модуляция.......................................723 24.3.2. Мультиплексирование.............................725 24.3.3. Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM).727 24.4. Волоконно-оптические сети.............................729 24.4.1. Топологии сетей и коллективный доступ...........730 24.4.2. Сети, использующие мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)....................................733 24.5. Когерентная оптическая связь..........................738 Првложение А ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ..........................................752 А.1. Одномерное преобразование Фурье........................752 А.2. Длительность и спектральная ширина.....................754 А.3. Двумерное преобразование Фурье.........................762 Приложение Б ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ...............................................766 Б.1. Одномерные линейные системы............................766 Б.2. Двумерные линейные системы.............................770 Приложение В МОДЫ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ...........................................773 В.1. Моды дискретной линейной системы.......................775 В.2. Моды непрерывной системы, описываемой интегральным оператором..................................................776 В.3. Моды системы, описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями.................................................778 В.4. Моды системы, описываемой дифференциальным уравнением в частных производных.......................................778
ГЛАВА 15 ЛАЗЕРЫ Артур Шавлов (1921—1999) Теодор Мейман (род. 1927) В 1958 г. Артур Шавлов вместе с Чарльзом Таунсом показали, как обобщить принцип мазера на оптический диапазон спектра. Шавлов разделил Нобелевскую премию 1981 г. с Николасом Бломбергеном. Теодор Мейман впервые получил генерацию в рубиновом лазере в I960 г. Лазер — оптический генератор. Он состоит из резонансного оптического усилителя, выходной сигнал которого подается на вход с совпадением по фазе (рис. 15.1). Процесс генерации может быть инициирован при наличии на входе усилителя даже малого шума, содержащего спектральные компоненты, попадающие в полосу усиления. Этот входной сигнал усиливается и снова подается на вход, где претерпевает дальнейшее усиление. Процесс продолжается неограни ченно, пока выходной сигнал не станет большим. Рост сигнала в конечном счете ограничивается насыщением усиления, и система приходит к стационарному состоянию, в котором выходной сигнал создается на частоте резонансного усилителя. Рис. 15.1. Генератор как усилитель с положительной обратной связью Обратная связь WWW Усилитель от источника питания Выход
Для осуществления генерации необходимо выполнение двух условий: • усиление в усилителе должно превосходить потери в системе обратной связи, так чтобы при полном обходе петли обратной связи происходило нарастание сигнала; • полный фазовый сдвиг за один полный обход должен быть кратным, чтобы фаза сигнала обратной связи совпадала с фазой первоначального входного сигнала. Если эти условия выполнены, система становится неустойчивой и начинается генерация. С увеличением мощности усиление насыщается и становится ниже своего первоначального значения. Устойчивость достигается, когда усиление уменьшается до уровня потерь (рис. 15.2). В этом состоянии усиление лишь компенсирует потери, так что в ходе цикла «усиление—обратная связь» сигнал не меняется, что и обеспечивает стационарность генерации. Рис. 15.2. Если первоначальное усиление превосходит потери, может начаться генерация. С ростом мощности генерации усилитель насыщается, что приводит к снижению усиления. Стационарное состояние достигается, когда усиление равно потерям Поскольку усиление и фазовый сдвиг являются функциями частоты, оба условия генерации удовлетворяются только на одной (или нескольких) частотах, которые являются резонансными частотами генератора. Полезный выходной сигнал получается путем вывода части мощности из генератора. Таким образом, генератор включает в себя: • усилитель с насыщением; • систему обратной связи; • механизм селекции частоты; • схему вывода полезного сигнала. Лазер — оптический генератор (рис. 15.3), в котором усилителем служит активная среда с накачкой, рассмотренная в разд. 14.1 и 14.2. Насыщение усиления является основным свойством лазерных усилителей, что обсуждалось в разд. 14.4. Обратная связь обеспечивается путем помещения активной среды в оптический резонатор, отражающий свет туда и обратно между зеркалами, как описано в гл. 10. Селекция частот достигается совместным действием усилителя и резонатора, поддерживающего лишь определенные моды. Для вывода излучения одно из зеркал резонатора делается частично пропускающим. Лазеры имеют невероятное разнообразие форм и приложений в науке и технике, включая интерферометрию, спектроскопию, формирование изображений, литографию, метрологию, связь, оптическое зондирование, охлажде-
15.1. Теория лазерной генерации —J 11 ние атомов и обработку материалов. Излишне говорить о неоценимой роли лазеров в фундаментальных исследованиях по фотонике, как и во всех областях науки, техники и медицины. Предшественником лазера был мазер (англ. maser — тicrowave amplification by stimulated emission of radiation). Принцип генерации в мазерах и лазерах можно применить к волнам, отличным от электромагнитного излучения. Например, сазер — акустическая версия лазера, излучающая пучок фононов за счет усиления звука посредством вынужденного испускания (sound amplification by stimulated emission of radiation) Рис. 15.3. Лазер состоит из оптического усилителя (включающего активную среду), помещенного внутрь оптического резонатора. Выходной сигнал извлекается через частично пропускающее зеркало Выход О данной главе Глава содержит введение в принципы действия лазеров. В разд. 15.1 описано поведение лазерного резонатора и лазерного усилителя и выведены условия генерации. Свойства света, излучаемого лазерами, таких как мощность, спектральное и пространственное распределение, поляризация, рассмотрены в разд. 15.2. Распространенные типы лазеров обсуждаются в разд. 15.3, а работа импульсных лазеров — в разд. 15.4. 15.1. ТЕОРИЯ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ В начале раздела дадим сводку сведений о двух основных компонентах лазера — усилителе и резонаторе. Хотя они детально обсуждались в гл. 14 и 10, соответственно, их краткий обзор приводится для удобства чтения. 15.1.1. Оптическое усиление и обратная связь Лазерное усиление Лазерный усилитель — узкополосный когерентный усилитель света. Усиление достигается посредством вынужденного излучения света атомной или молекулярной системой с инверсией заселенностей в одном из переходов (заселенность верхнего энергетического уровня больше, чем нижнего). Шири
Л Глава 15. Лазеры на полосы усиления определяется шириной линии атомного перехода либо одним из механизмов неоднородного уширения, таким как эффект Доплера в газовых лазерах Лазерный усилитель — устройство с распределенным усилением, которое локально характеризуется коэффициентом усиления (усиление на единицу длины) у(ц). Этот коэффициент определяет, насколько быстро нарастает плотность потока фотонов ф (или оптическая интенсивность I = h цф). При малых плотностях потока фотонов ф коэффициент усиления выражается как 1² Уо (v) = N₀° (v) = Nо —— g (и), ⁸я⁻ ?СП (15.1) Коэффициент усиления слабого сигнала где N₀ — равновесная разность плотностей заселенности (плотность числа атомов в верхнем энергетическом состоянии минус плотность числа атомов в нижнем состоянии); N₀ растет с увеличением скорости накачки; с(ц) — сечение перехода: 1² & ⁽у⁾ = л—g (у⁾; tсп tсп — спонтанное время жизни; g (ц) — форма линии перехода; Я = Я₀/п — длина волны в среде, где п — показатель преломления. С ростом плотности потока фотонов действие усилителя становится нелинейным. За счет насыщения усиление снижается. За счет процесса усиления исходная разность заселенностей N₀ снижается до значения N = N₀ 1 + ф/фs (у⁾ для среды с однородным уширением линии, где фₛ(ц) = 1/т₍с(ц) — насыщающая плотность потока фотонов; тₛ — постоянная времени насыщения, которая зависит от времен распада энергетических уровней; в идеальной четырехуровневой схеме накачки тᵢ ~ t , а в идеальной трехуровневой схеме т, » ²1сп. Таким образом, коэффициент усиления для насыщенного усилителя снижается до у(ц) = Nс(ц), поэтому для однородного уширения у (ᵥ) = У° ⁽V⁾ у ⁽v⁾ 1 + ф/ф, (и) • (15.2) Насыщенный коэффициент усиления
15.1. Теория лазерной генерации Процесс лазерного усиления включает также фазовый сдвиг. Когда форма линии лоренцева с шириной А и, g ⁽v⁾ = Av/2я (v - v₀ )² + (Av/²)² ’ сдвиг фазы при усилении, приходящийся на единицу длины, равен V (v ) = У (v) • Аг Этот фазовый сдвиг добавляется к сдвигу, вносимому средой, в которой расположены активные атомы. Графики коэффициентов усиления и фазового сдвига для усилителя с ло-ренцевой функцией формы линии показаны на рис. 15.4. Рис. 15.4. Спектральная зависимость коэффициентов усиления и фазового сдвига для лазерного усилителя с ло-ренцевой функцией формы линии (15.3) Коэффициент фазового сдвига (лоренцева форма линии) Обратная связь и потери: оптический резонатор Оптическая обратная связь достигается помещением активной среды в оптический резонатор. Резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух зеркал, разделенных расстоянием d, содержит среду с показателем преломления п, в которой находятся активные атомы усилителя. Прохождение единицы длины среды вносит фазовый сдвиг, равный волновому числу 2лт к =----. с (15.4) Коэффициент фазового сдвига Резонатор также вносит потери в систему. Поглощение и рассеяние света в среде вносят распределенные потери, характеризуемые коэффициентом ослабления aₛ (потери на единицу длины). При полном обходе резонатора длины d плотность потока фотонов уменьшается на множитель КхК₂ exp (—2aₛd), где К, и К₂ — коэффициенты отражения зеркал. Следовательно, полные потери
Глава 15. Лазеры за один полный обход можно описать с помощью эффективного коэффициента распределенных потерь аᵣ, такого что ехр (-2аᵣd) = <Rх<R₂ ехр (-2а₅d), (15.5) так что ar = as + ami + am2; 1 . 1 , a„, = --- In mi 2 d ^1; 1 , 1 am = --- In m2 2 d «2 ’ (15.6) Коэффициент потерь где аш и аш представляют вклады зеркал 1 и 2 соответственно. Вклад обоих ш 1 ш 2 зеркал: ат = а + а^ = -Д-ln—-—. (15.7) т т⁻ т² 2 d ТТ Поскольку аᵣ описывает полные потери энергии (или числа фотонов) на единице длины, то аᵣс — потери числа фотонов в секунду. Таким образом, тф = — (15.8) ¹ Z’ZV представляет время жизни фотона. Рис. 15.5. Моды резонатора разделены частотным интервалом vF = с/2d и имеют ширину линии Jy = vF/f = 1/2ятф Резонатор поддерживает только те частоты, которым соответствует сдвиг фазы, кратный 2^, за полный обход резонатора. Для резонатора без активных атомов («холодного» резонатора) набег фазы за полный обход: к 2 d = ^^^^- = q 2л, с что соответствует модам с частотами vq = qvF; q = 1, 2, ..., (15.9)
15.1. Теория лазерной генерации где vр= с/2d — межмодовое расстояние резонатора; с — скорость света в среде (рис. 15.5). Спектральная ширина этих мод по половине высоты максимума vр Sv - -£-, У ’ (15.10) где У — параметр резкости резонатора (см. подразд. 10.1.1). При малых потерях резонатора параметр резкости велик и приближенно равен Т ~ -^— = 2л7 v р. J aᵣd ф р (15.11) 15.1.2. Условия лазерной генерации Два условия необходимо выполнить, чтобы лазер мог генерировать. Условие усиления определяет минимальную разность заселенностей и, следовательно, пороговое значение накачки, необходимое для генерации. Фазовое условие определяет частоту (или частоты), на которых происходит генерация. Условие усиления: порог генерации Чтобы инициировать лазерную генерацию, необходимо, чтобы коэффициент усиления слабого сигнала превышал коэффициент потерь: Ко (v)> «г , (15.12) Пороговое условие усиления или, что равносильно, усиление должно превышать потери. В соответствии с (15.1) коэффициент усиления слабого сигнала y₀(v) пропорционален равновесной разности заселенностей N₀, которая, в свою очередь, как известно из гл. 14, увеличивается с ростом скорости накачки R. Поэтому с помощью (15.1) можно преобразовать (15.12) в условие, накладываемое на разность заселенностей: Nо Yо (v⁾ ^ аг с ⁽v⁾ с ⁽v⁾ ■ Итак, Nо > Nа, (15.13) где величина N = ^-— П a (v) (15.14) называется пороговой разностью заселенностей. Величина Nп, пропорциональная аг, определяет минимальную скорость накачки Rп, достаточную для возбуждения лазерной генерации.
¹⁶ -V Глава 15. Лазеры С помощью (15.8) величину аг можно выразить через время жизни фотона, аг = 1/сТф, тогда (15.14) принимает вид NП с ТфСТ (г) ■ (15.15) Следовательно, пороговая плотность разности заселенностей прямо пропорциональна аг и обратно пропорциональна Тф. Большие потери (более короткие времена жизни фотона) требуют более сильной накачки для достижения генерации. Наконец, использование стандартной формулы для сечения перехода приводит к еще одному выражению для пороговой разности заселенностей: N ₌_§яф tсп 1 п " 2²с тф g (v) ’ (15.16) Пороговая разность заселенностей из которого ясно, что Nп — функция частоты v. Порог самый низкий и, следовательно, лазерный эффект легче всего достигается на той частоте, где функция формы линии наибольшая, т. е. на центральной частоте линии v = v₀. Для лорен-цевой функции формы линии g(v₀) = 2/яAv, так что минимальная разность заселенностей для генерации на центральной частоте v₀ оказывается равной N* ₌ ■ (15.17) Я² Т ф Она прямо пропорциональна ширине линии Av. Далее, если уширение перехода обусловлено временем жизни t„п, то Av принимает значение 1/2яt„п (см. подразд. 13.3.4), в результате чего (15.17) упрощается до 2я Алеег Nп = ~₂---= —2^ • (15.18) А² с тф А Эта формула показывает, что минимальная пороговая разность заселенностей, требуемая для достижения генерации, является простой функцией длины волны А и времени жизни фотона Тф. Ясно, что лазерная генерация труднее достигается при уменьшении длины волны. Приведем численный пример: если А₀ =1 мкм, Тф =1нс,а показатель преломления и =1, получаем Nп ~ 2,1 • 10⁷ см³. Упражнение 15.1 Порог рубинового лазера а. В центре линии перехода с А₀ = 693,4 нм коэффициент поглощения рубина при тепловом равновесии (без накачки) при Т = 300 °К равен а(v₀) ^ —у(v₀) ~ 0,2 см⁻¹. При концентрации ионов Сг³⁺, ответственных заданный переход, равной Nₐ = 1,58 • 10¹⁹ см⁻³, определите сечение перехода о₀ = о- (v₀).
Доступ онлайн
В корзину