Основы физики генерации лазеров.
3-й курс, 6-й семестр,
доц. В.Ф. Бойцов - 48 ч,

1. Физические основы работы ОКГ.

    Предмет квантовой электроники. Достоинства квантовых усилителей и генераторов. Излучение и поглощение электромагнитных волн веществом. Спонтанное и вынужденное излучение.
    Принцип квантового усиления. Населённость и инверсная населённость уровней. Превращение усилителя в генератор. Роль открытого резонатора.

2. Открытые оптические резонаторы и световые пучки лазеров.

    Виды оптических резонаторов. Двухзеркальные и многозеркальные резонаторы.
    Лучевой метод в теории открытых резонаторов. Критерий устойчивости лучей в резонаторе по первому приближению. Расчет собственных частот и полей открытого резонатора методом параболического уравнения. Каустические поверхности в резонаторе. Моды высших порядков. Устойчивость резонатора. g-плоскость.
    Матрицы передачи параксиального луча, периодическая последовательность оптических систем и их связь с резонаторами. Матричный метод расчета резонаторов.
    Гауссов пучок. Распространение гауссова пучка в пустом пространстве и квадратичной среде. Преобразование гауссовых пучков с помощью системы линз. Согласование мод резонаторов.
    Интегральное уравнение резонатора. Свойства оптических резонаторов с учетом дифракции на зеркалах. Радиационные потери и спектр частот. Плоский и конфокальный резонаторы. Условия эквивалентности сферических резонаторов. Результаты численных расчетов дифракционных потерь и фазовых сдвигов у резонаторов с разными g-параметрами. Ширина резонаторной линии.
    Неустойчивые резонаторы и их применения.
    Резонаторы с переменными коэффициентами отражения зеркал.
    Явление обращения волнового фронта.

3. Типы лазеров и разные методы получения инверсной населенности.

    Обзор методов создания инверсии населенности; возбуждение световым потоком (оптическая накачка); возбуждение электронным ударом; возбуждение за счет неупругих столкновений атомов; возбуждение при диссоциации молекул (при столкновении молекул); инжекция носителей зарядов через n-p переход.
    Газовые ОКГ. Гелий-неоновый лазер: механизм возбуждения; выходная мощность, когерентность, спектр излучения, эффекты затягивания частоты и образование провалов на линии атомного усиления, стабилизация частоты лазера. ОКГ на парах цезия (оптическое возбуждение). Мощный молекулярный газовый лазер на CO2. Ионный ОКГ на аргоне.
    Твердотельные ОКГ. Краткая характеристика твердотельных лазеров. Энергия излучения; мощность излучения в импульсе; длительность импульса; расходимость луча; потребляемая мощность и др. Принцип действия ОКГ на рубине. ОКГ на рубине с модулированной добротностью резонатора. Спектр излучения ОКГ. ОКГ на кристаллах с редкоземельными элементами: стекло, активированное неодимом.
    Полупроводниковые ОКГ. Физические характеристики полупроводниковых ОКГ. Принципы работы полупроводникового лазера. Инжекционный лазер на n-p переходе ArGa (арсенид галлия).
    ОКГ на жидких активных веществах и ОКГ на красителях; их физические особенности.

4.Введение в теорию стационарной генерации.

    Естественное уширение спектральной линии атома. Однородное и неоднородное уширение спектральных линий ансамбля атомов.
    Прохождение излучения в среде. Закон Бугера. Коэффициенты Эйнштейна. Инверсия населенности. Насыщение усиления. Кинетические уравнения для трехуровневой схемы. Расчет насыщения усиления. Насыщенный коэффициент усиления для однородно и неоднородно уширенной линии перехода.
    Количественное описание работы лазера. Роль резонатора. Пороговое условие. Мощность генерации.
    Провалы в контуре линии усиления (поглощения) при насыщении. Провалы Бенетта. Их ширина. Принципы лазерной спектроскопии насыщения.
    Провал Лэмба. Его ширина. Стабилизация частоты. Лазер с поглощающей ячейкой.

5. Полуклассический метод в теории генерации.

    Поле в активном резонаторе. Уравнение самосогласованности. Макроскопическая поляризация и ее выражение через элементы матрицы плотности. Основные уравнения для матрицы плотности, описывающие поле излучения и активную среду. Их решения методом итерций. Приближение первого порядка. Пороговое условие. Линейное затягивание частоты генерации к центру линии усиления. Нелинейная теория. Приближение третьего порядка для одномодового режима. Частота и мощность излучения лазера. Лэмбовский провал.

Основная литература.

1. А.Ярив. Квантовая электроника и нелинейная оптика. Сов. радио. 1963.
2. Сб. Лазеры. Под ред. Жаботинского. ИЛ. 1963.
3. Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климков. Оптические и квантовые генераторы. Сов.радио. 1968.
4. А.М.Гончаренко. Гауссовы пучки света. Изд-во “Наука и техника”.1977.
5. О.Звелто. Принципы лазеров. Изд-во Мир. 1984.
6. Н.В.Карлов. Лекции по квантовой электронике. Наука. 1983.