Читать онлайн «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.