физика лазеров: учебное пособие

Физика лазеров В. Г. Миногин 16 февраля 2010 г. ii Оглавление 1 Физические основы лазеров 1.1 Инверсия населенности . . . . . . . . . . 1.2 Вынужденное поглощение и испускание 1.3 Обратная связь . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Механизмы релаксации . . . . . . . . . . 1.5 Схемы создания инверсной населённости . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 5 7 9 2 Взаимодействие атомов с излучением 2.1 Когерентное взаимодействие атома с излучением . . . . 2.1.1 Амплитуды вероятности и волновая функция . . 2.1.2 Вероятность возбуждения . . . . . . . . . . . . . 2.2 Атомная матрица плотности. Динамические уравнения 2.2.1 Неподвижный атом . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Движущийся атом . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Релаксация атомной матрицы плотности . . . . . . . . . 2.3.1 Квантование вакуумного поля . . . . . . . . . . . 2.3.2 Релаксация состояний двухуровневого атома . . 2.4 Некогерентное взаимодействие атома с излучением . . . 2.4.1 Возбуждение атома бегущей световой волной . . 2.4.2 Возбуждение атома стоячей световой волной . . 2.5 Спектр спонтанного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 15 18 20 20 23 24 25 30 37 37 39 41 . . . . . 45 45 46 46 50 52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Взаимодействие материальной среды с излучением 3.1 Уравнения электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . 3.2 Материальные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Уравнения динамики среды . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Уравнения для медленных переменных среды . . . 3.3 Динамика среды в поле непрерывного излучения . . . . . 3.4 Когерентное взаимодействие среды с импульсным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii . 56 iv Оглавление 3.5 3.6 Некогерентное взаимодействие. Однородно-уширенный переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Квазистационарная поляризация среды . . . . . . . 3.5.2 Электрическая восприимчивость среды . . . . . . . . 3.5.3 Диссипация электромагнитного поля . . . . . . . . . 3.5.4 Поглощение и дисперсия среды . . . . . . . . . . . . Некогерентное взаимодействие. Неоднородно-уширенный переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Взаимодействие с бегущей световой волной . . . . . 3.6.2 Взаимодействие со стоячей световой волной . . . . . 4 Открытые оптические резонаторы 4.1 Закрытые и открытые резонаторы . . . . . . 4.1.1 Добротность резонатора . . . . . . . . 4.1.2 Структура электромагнитного поля . . 4.2 Плоскопараллельный резонатор . . . . . . . . 4.3 Пучки Эрмита-Гаусса . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Пучки Лагерра-Гаусса . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Конфокальный резонатор . . . . . . . . . . . . 4.6 Распространение световых лучей . . . . . . . 4.6.1 Параксиальные лучи . . . . . . . . . . 4.6.2 Гауссов пучок . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Обобщённый сферический резонатор . . . . . 4.7.1 Расчёт геометрии . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Устойчивость сферического резонатора 4.8 Неустойчивые резонаторы . . . . . . . . . . . 4.9 Интерферометр Фабри-Перо . . . . . . . . . . 4.10 Кольцевой резонатор-интерферометр . . . . . 4.11 Методы селекции мод . . . . . . . . . . . . . . 4.11.1 Селекция продольных мод . . . . . . . 4.11.2 Селекция поперечных мод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Диэлектрические волноводы и резонаторы 5.1 Планарные волноводы . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Поперечные электрические моды . . . . 5.1.2 Поперечные магнитные моды . . . . . . 5.2 Цилиндрический ступенчатый волновод . . . . 5.2.1 Уравнения распространения поля . . . . 5