| Что такое лазер и чем замечательно лазерное излучение |
| Предисловие |
| Глава I. | СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРТИРОВАННЫХ АКТИВНЫХ СРЕД |
| | 1.1. | Некоторые общие вопросы |
| | | Инверсия активной среды как необходимое условие генерации лазера.
Квантовый выход и КПД лазера. Условие инверсии для
четырехуровневой модели. Общие принципы создания инверсии.
Механизмы заселения уровней. Механизмы очищения уровней.
Классификация лазеров с учетом методов накачки. Некоторые
проблемы, возникающие при непрерывной генерации; столкновительные
лазеры. Преимущества импульсной накачки; генерация на
самоограниченных переходах. Лазеры на разлетных молекулах |
| | 1.2. | Оптическая накачка. Твердотельные лазеры |
| | | Специфические свойства оптической накачки. Условия реализации
стационарной инверсии при оптической накачке. Твердотельные
лазеры; вопросы практической реализации оптической накачки, рабочие
схемы лазеров. Лазер на рубине. Лазер на иттрий-алюминиевом
гранате с неодимом. Оптическая накачка полупроводниковым лазером или светодиодом |
| | 1.3. | Лазеры на органических красителях |
| | | Органические красители. Оптическая накачка лазеров на красителях.
Схема уровней и основные переходы. Перестройка длины
волны генерации; селективные резонаторы. Проблема расширения
диапазона перестройки длины волны генерации |
| | 1.4. | Газовые лазеры с широкополосной оптической накачкой |
| | | Проблема оптической накачки газовых активных сред.
Фотодиссоционные лазеры. Фотодиссоционный йодный лазер. Проблема
прямого преобразования солнечной энергии в лазерное излучение |
| | 1.5. | Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда в разреженных газах |
| | | Типы газоразрядных лазеров , Электрические разряды, применяемые
в газоразрядных лазерах. Аргоновый лазер. Механизм
возникновения инверсии в аргоновом лазере. Лазер на гелий-неоне.
Лазер на парах меди. Молекулярный лазер на двуокиси углерода.
Механизм возникновения инверсии в СО2-лазере |
| | 1.6. | Электроионизационные лазеры |
| | | Проблема повышения давления в газовом лазере.
Электроионизационный метод накачки. Электроионизационный СО2-лазер.
Использование различных активных сред. Способы ионизации |
| | 1.7. | Газодинамические лазеры (тепловая накачка) |
| | | Тепловые методы создания инверсии. Газодинамический СО2-лазер.
Механизм возникновения инверсии в газодинамическом СО2-лазере.
Пути повышения КПД газодинамических лазеров |
| | 1.8. | Химические лазеры |
| | | Химические реакции; инициирование и ускорение реакций.
Химическая и лазерная длина цепи. Лазеры с прямым и непрямым
образованием инверсии. Химический лазер на фтор-водородной
смеси. Химические лазеры на сероуглероде. Химические лазеры на электронных переходах молекул |
| | 1.9. | Плазменные лазеры (рекомбинационная накачка) |
| | | Рекомбинирующая плазма как активная среда лазера. Принципиальные
вопросы создания лазера на рекомбинирующей плазме.
"Открытая" двухуровневая модель плазменного лазера. Проблема
очищения нижнего рабочего уровня. Импульсные плазменные лазеры.
Плазменные лазеры с использованием жестких ионизаторов;
реактор-лазер. Плазмодинамические лазеры. Плазмохимические лазеры |
| | Список литературы |
| Глава 2. | ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАТОРЕ ЛАЗЕРА |
| | 2.1. | Условие обеспечения генерации |
| | | Необходимость превышения начального коэффициента усиления над
коэффициентом потерь. Начальный коэффициент усиления для
оптически разрешенных и запрещенных переходов. Зависимость
начального коэффициента усиления от скорости накачки. Зависимость от частоты |
| | 2.2. | Оптический резонатор и лазерное излучение |
| | | Оптимальный коэффициент полезных потерь. Резонансные частоты.
Моды оптического резонатора. Роль оптического резонатора
в лазере. Пассивные и активные резонаторы |
| | 2.3. | Общие замечания об открытых резонаторах |
| | | Невозможность использования объемных резонаторов в оптическом
диапазоне. Открытый резонатор. Добротность резонатора.
Добротность, обусловленная пропусканием выходного зеркала.
Добротность и моды открытого резонатора. Дифракционные потери;
число Френеля. Основные параметры пассивного резонатора,
образованного двумя зеркалами. Геометрическое приближение |
| | 2.4. | Линзовые волноводы и открытые резонаторы (приближение геометрической оптики) |
| | | Линзовый волновод и открытый резонатор. Условие устойчивости
для линзового волновода. Устойчивые и неустойчивые открытые
резонаторы; диаграмма устойчивости. Матрица передачи светового
луча. Матрица передачи луча для двойного прохода резонатора |
| | 2.5. | Расстройка открытого резонатора |
| | | Разъюстировка оптического элемента. Резонатор с разъюстированным оптическим элементом |
| | 2.6. | Рассмотрение открытых резонаторов на основе
итерационного метода Фокса – Ли. Эквивалентные резонаторы |
| | | Дифракционный интеграл Кирхгофа-Гюйгенса. Интегральное
уравнение Фокса – Ли. Поперечные моды открытого резонатора.
Резонатор, образованный двумя сферическими зеркалами.
Конфокальный резонатор. Учет величины апертуры зеркал резонатора.
Эквивалентные резонаторы. Резонатор, эквивалентный
резонатору с внутренней линзой. Резонатор с диафрагмой |
| | 2.7. | Гауссовы пучки |
| | | Пространственная форма гауссова пучка. Распространение гауссова
пучка в свободном пространстве. Радиус кривизны
поверхности постоянной фазы. Основные соотношения. Комплексные
параметры гауссова пучка. Гауссов пучок как решение
параболического уравнения. Обобщение на моды высоких порядков |
| | 2.8. | Преобразование и согласование гауссовых пучков |
| | | Преобразование гауссова пучка в свободном пространстве. Линза
как фазовый корректор. Преобразование гауссова пучка в линзе.
Преобразование в линзовой системе. Закон ABCD.
Преобразование гауссова пучка в квадратичной среде. Согласование гауссовых пучков |
| | 2.9. | Гауссовы пучки в устойчивых резонаторах |
| | | Самовоспроизведение гауссова пучка при отражении от сферического
зеркала. Гауссов пучок в резонаторе (большие апертуры зеркал).
Замечания, связанные с учетом апертуры зеркал. Фазовый
сдвиг для гауссова пучка и спектр резонансных частот.
Применение закона ABCD к рассмотрению поля в резонаторе.
Неопределенность каустики конфокального резонатора с неограниченными
апертурами зеркал. Конфокальный резонатор с конечными апертурами
зеркал. Конфокальный резонатор с диафрагмой |
| | 2.10. | Неустойчивые резонаторы |
| | | Гомоцентричность пучка, выводимого из неустойчивого резонатора.
Потери в неустойчивом резонаторе по геометрооптической теории.
Применение закона ABCD к неустойчивым резонаторам. Лазер
с неустойчивым резонатором телескопического типа. Учет
дифракции на крае зеркала. Преимущества неустойчивых резонаторов |
| | 2.11. | Принципы частотной селекции |
| | | Различные типы частотной селекции. Применение широкополосных
поглощающих фильтров и дисперсионных элементов. Общие
замечания о селекции продольных мод. Интерференционные
методы селекции. Резонаторы с анизотропными элементами.
Нелинейно-оптический метод частотной селекции |
| | 2.12. | Эффекты "выгорания дыр" и затягивания частот |
| | | Однородное и неоднородное уширение спектральных линий.
Насыщение усиления при однородном и неоднородном уширении линий;
эффект "выгорания дыр". Специфика рассмотрения насыщения
усиления при неоднородном уширении линии перехода. Эффект
затягивания частот. Эффект затягивания частот для случаев однородного и неоднородного уширения |
| | 2.13. | Тепловая линза |
| | | Эффект тепловой линзы. Термоупругие напряжения; термические
искажения резонатора. Фокусное расстояние и главные плоскости
тепловой линзы. Учет тепловой линзы в лазерных системах |
| | 2.14. | Волноводные резонаторы |
| | | Волноводный резонатор; волноводные моды. Число волноводных
мод в резонаторе. Волноводный резонатор половинного типа.
Преимущества волноводных резонаторов |
| | 2.15. | Оптическое излучение в тонкопленочном волноводе |
| | | Распределенная обратная связь.
Волноводные моды в тонкой пленке. Число волноводных мод
в пленке. Распределение поля в волноводных модах. Методы
ввода и вывода излучения для тонкопленочного волновода.
Принцип действия элемента связи призма – пленка. Распределенная
обратная связь. Пленочные РОС-лазеры. Пленочные лазеры
с периодической структурой в качестве зеркала резонатора |
| | Список литературы |
| Глава 3. | ДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ В ЛАЗЕРЕ |
| | 3.1. | Общие сведения о режимах работы лазеров |
| | | Причины нестационарности лазерной генерации. Режим свободной
генерации. Режим генерации гигантских импульсов при активной
модуляции добротности резонатора. Режим генерации гигантских
импульсов при пассивной модуляции добротности резонатора.
Режим синхронизации продольных мод. Режим синхронизации
поперечных мод. Режим разгрузки резонатора. Генерация
последовательности импульсов в лазерах с непрерывной накачкой.
Использование отрицательной обратной связи для получения импульсов
микросекундной длительности |
| | 3.2. | Приближенные уравнения для описания динамики
процессов в лазерах (балансные уравнения) |
| | | Дифференциальное уравнение для плотности светового потока.
Дифференциальные уравнения для плотности инверсной заселенности.
Полная система балансных уравнений в частных производных.
Усредненные балансные уравнения (скоростные уравнения).
Уравнения Статца – Де Марса. Сопоставление уравнений
Статца – Де Марса и системы усредненных балансных уравнений.
Пороговая плотность инверсной заселенности и условие генерации.
Безразмерная форма записи уравнений Статца – Де Марса.
Учет вклада спонтанного излучения в интенсивность поля. Общие
замечания о методе балансных уравнений. Лазер как распределенная автоколебательная система |
| | 3.3. | Режим свободной генерации. Регулярные затухающие пульсации мощности излучения |
| | | Предгенерационный этап. Переходные процессы, сопровождающие
возникновение генерации. Фазовый портрет свободно генерирующего
твердотельного лазера. Выявление структуры фазового портрета
лазера. Анализ картины пульсаций на основе балансных
уравнений. Замечания о свободной генерации в многомодовом лазере |
| | 3.4. | Лазер с нестационарным резонатором. Незатухающие пульсации мощности излучения |
| | | Балансные уравнения для лазера с периодически изменяющейся
добротностью резонатора. Пульсации малой амплитуды. Замечания
о возможности реализации незатухающих пульсаций большой
амплитуды. Периодическая модуляция добротности при равномерном
движении отражающей плоскости. Периодическая модуляция
добротности при нагреве активного элемента. Природа
незатухающих пульсаций в режиме свободной генерации |
| | 3.5. | Активная модуляция добротности резонатора |
| | | Оптико-механическая модуляция добротности. Электрооптическая
модуляция добротности. Акустооптическая модуляция добротности.
Акустооптическая и электрооптическая модуляция добротности
(сопоставление). Модуляция полезных потерь |
| | 3.6. | Режим генерации гигантских импульсов при активной модуляции добротности резонатора |
| | | Основные временные этапы. Балансные уравнения; мгновенное
включение добротности. Фазовый портрет лазера при мгновенном
включении добротности. Анализ этапа линейного развития генерации.
Энергетические характеристики гигантского импульса.
Длительность и форма гигантского импульса. Режим генерации
гигантских импульсов при различных временах включения
добротности. Замечания о развитии импульса в поперечном к оси резонатора направлении |
| | 3.7. | Лазеры с просветляющимся фильтром |
| | | Просветляющийся фильтр. Дифференциальное уравнение для
усредненной плотности светового потока. Полная система балансных
уравнений для лазера с просветляющимся фильтром.
Стационарные решения системы балансных уравнений. Неустойчивость
исходного стационарного состояния и условие самовозбуждения
генерации в лазере с просветляющимся фильтром. Мягкое и жесткое
возбуждение генерации. Устойчивость (неустойчивость)
стационарных состояний в случае мягкого возбуждения генерации.
Режимы генерации лазера с просветляющимся фильтром |
| | 3.8. | Режим генерации гигантских импульсов при пассивной модуляции добротности резонатора |
| | | Условия обеспечения режима генерации гигантских импульсов в лазере
с просветляющимся фильтром. Развитие гигантского импульса.
Балансные уравнения; аналогия со случаем мгновенного включения
добротности. Сопоставление режимов комбинированная
модуляция добротности. Естественная селекция продольных мод при пассивной модуляции добротности |
| | 3.9. | Синхронизация продольных мод (генерация сверхкоротких световых импульсов) |
| | | Сущность идеи синхронизации продольных мод. Неселективный
резонатор. Активная синхронизация мод. Пассивная синхронизация
мод (самосинхронизация мод). Комбинированный метод
синхронизации мод. Способы уменьшения времени релаксации
просветляющихся фильтров. Влияние эффекта самофокусировки света |
| | 3.10. | Измерение длительности сверхкоротких импульсов |
| | | Основные направления в развитии методов исследования структуры
импульсов. Метод, использующий генерацию второй гармоники.
Двухфотонная методика. Полная и неполная синхронизация
мод и проблема временных измерений. Методика, основанная на
измерении структуры спектра сигнала |
| | 3.11. | Рассмотрение самосинхронизации продольных мод
в лазере с просветляющимся фильтром на основе флуктуационных представлений |
| | | Качественное описание физической картины. О спектральном и
временном описании синхронизации мод. Исходный профиль поля
излучения. Показатель нелинейности. Преобразование профиля
поля при взаимодействии излучения с фильтром на этапе просветления.
О возможности синхронизации мод в случае генерации
второй гармоники. Условия полной самосинхронизации мод |
| | 3.12. | Временное описание активной синхронизации
продольных мод в лазере с однородно уширенной линией усиления |
| | | Постановка задачи; основные предположения. Изменение светового
импульса при его прохождении через активный элемент и модулятор.
Система дифференциальных уравнений, описывающая
процесс установления режима синхронизации мод. Замечания
о фазовых (электрооптических) и амплитудных (акустооптических)
синхронизаторах мод |
| | Список литературы |
| Приложение 1. Полиномы Эрмита |
| Приложение 2. Гауссов пучок в свободном пространстве |
| Приложение 3. Устойчивая и неустойчивая сферические волны в неустойчивом резонаторе |
| Приложение 4. Матрицы Джонса |
| Приложение 5. Особые точки двумерной динамической системы |
| Предметный указатель |
Генераторы когерентного оптического излучения включают
в себя две группы приборов. Основную группу составляют
лазеры. Во вторую группу входят генераторы оптических
гармоник, параметрические генераторы света
и др. Данная книга посвящена физике процессов в лазерах.
Написание книги, отражающей с физических позиций
современный уровень развития лазерной техники, представляется
актуальным в связи с тем, что лазеры находят
все более широкое применение как в научных исследованиях,
так и в самых различных отраслях народного хозяйства.
Непрерывно возрастает число инженеров и исследователей,
занятых в области лазерной техники и смежных с нею
областях.
Согласно авторскому замыслу данная книга должна
решать две задачи: во-первых, систематизировать и расширить
представления читателя о физике процессов в лазерах,
познакомить его с новейшими достижениями и направлениями;
во-вторых, снабдить читателя информацией,
которая помогла бы ему в дальнейшем более свободно пользоваться
специальной литературой. Автор стремился отразить
современный уровень развития лазерной техники
и в то же время дать систематизированное рассмотрение методов,
используемых в теории лазеров, обсудить различные
подходы и приближения. Тем самым автор стремился
к созданию книги, которая не только представляла бы определенный
интерес для научных работников и инженеров,
но могла бы также служить научной и методической основой
для разработки специальных учебных курсов и пособий.
В книге рассмотрены три группы вопросов: способы получения
инвертированных активных сред, формирование
поля излучения в резонаторе, динамика процессов.
В первой главе при рассмотрении способов создания
инверсии в активных средах обсуждаются принципы
и особенности работы лазеров различных типов: твердотельных,
на органических красителях, фотодиссоционных, газоразрядных,
электроионизационных, газодинамических,
химических, плазменных.
Во второй главе анализируется роль резонатора в формировании
поля излучения лазера, излагаются основы теории
открытых резонаторов. Используются геометрооптическое
приближение, итерационный метод Фокса-Ли,
модель гауссовых пучков, закон ABCD. Учитываются
апертуры зеркал, наличие внутри резонатора линзы или
диафрагмы, разъюстировка элементов в резонаторе. Рассматриваются
резонаторы различной геометрии – как устойчивые,
так и неустойчивые. В случае активных резонаторов
обсуждаются эффекты тепловой линзы, затягивания
частот и "выгорания дыр". Уделяется внимание вопросам
селекции продольных мод, а также физике волноводных
резонаторов и пленочных лазеров с распределенной
обратной связью.
Третья глава начинается с обзора различных режимов
генерации лазера, включая режимы активной и пассивной
модуляции добротности резонатора, синхронизации продольных
и поперечных мод, модуляции нагрузки. Вводятся,
анализируются и широко используются балансные
уравнения (уравнения Статца-Де Марса и их модификации).
На основе этих уравнений излагаются различные
вопросы динамики одномодовых лазеров: переходные процессы,
приводящие к затухающим пульсациям мощности
излучения, появление незатухающих пульсаций мощности
при наличии слабой модуляции потерь, генерация гигантских
импульсов при мгновенном включении добротности.
Сопоставляются электрооптический и акустооптический
способы активной модуляции добротности. Подробно
анализируются процессы в лазерах с просветляющимися
фильтрами. Синхронизация продольных мод обсуждается
с использованием как спектрального, так и временного
подходов. При рассмотрении самосинхронизации мод
в лазере с просветляющимся фильтром применяется временное
описание на основе флуктуационных представлений.
Временной подход используется также для описания
акустооптической синхронизации мод в лазере с однородно
уширенной линией усиления. Отдельно обсуждаются методы
исследования сверхкоротких световых импульсов.
В приложениях рассматриваются полиномы Эрмита, матрицы
Джонса, особые точки двумерной динамической системы
и другие вопросы.
Данная книга является логическим продолжением ранее
изданной книги автора "Физические основы квантовой
электроники" (М.: Сов. радио, 1976), где была дана общая
физическая картина взаимодействия оптического излучения
с веществом.
Автор глубоко благодарен В. Г. Дмитриеву, В. Р. Кушниру,
В. К. Иовокрещенову, Е. А. Шалаеву, В. Н. Морозову,
В. А. Дьякову, В. В. Никитину, Ю. Н. Пчельникову,
А. М. Амельянцу, А. А. Соловьеву, В. Ф. Трухину,
прочитавшим рукопись книги и высказавшим весьма ценные
замечания и пожелания. Автор выражает благодарность
А. Н. Тарасовой за помощь в подготовке рукописи
к печати.
Тарасов Лев Васильевич 
Другие издания:
