Принцип работы лазера

[Basov]

Немного не понимаю как работают лазеры. Вот есть у нас какая-то активная среда, мы ее поместили в оптический резонатор и подали импульс накачки. Пускай накачка будет осуществляться лазерным диодом, который излучает непосредственно в область поглощения активного элемента лазера.
Пускай мы подали всего один импульс.
В книгах про лазеры пишут, что для генерации нужно обеспечить такое расстояние $L$ между зеркалами лазерного резонатора, чтобы на нем укладывалось целое число полуволн. $L=(n \lambda)/2$, где $n$ - целое число. Выполняя это условие, в резонаторе возникает стоячая волна. И тут у меня вопрос:
1) Зачем нам нужна эта стоячая волна, ведь существуют лазеры, резонаторы которых не образуют стоячие волны (например, лазер с кольцевым резонатором - излучение в таком резонаторе идет по кругу, волны не накладываются друг на друга, не возникает интерференции и как следствие стоячей волны)
2) Как обеспечивается выполнение условия $L=(n \lambda)/2$, ведь величину расстояния между зеркалами резонатора померить с точностью до половины длины волны невозможно.
3) Привожу картинку из википедии

Если мы накачиваем активный элемент непосредственно в область поглощения, значит резонатор будет формировать только одну собственную частоту? Как следствие в ширину спектральной линии всегда будет входить только одна собственная частота резонатора. Или нет?

[Xey]

(Оффтоп)

А что, Прохоров вам этого не обьяснил ?

[realeugene]

Basov в сообщении #1203314 писал(а):

1) Зачем нам нужна эта стоячая волна, ведь существуют лазеры, резонаторы которых не образуют стоячие волны (например, лазер с кольцевым резонатором - излучение в таком резонаторе идет по кругу, волны не накладываются друг на друга, не возникает интерференции и как следствие стоячей волны)

Если точнее, нужна не стоячая волна, а резонанс резонатора. У резонаторов с двумя зеркалами резонансы соответствуют стоячим волнам. В кольцевом резонаторе условием резонанса будет целое число длин волн, укладывающихся на длине оптического пути в резонаторе.

Интерференция в круговом резонаторе возникает между различными оборотами луча.

Basov в сообщении #1203314 писал(а):

2) Как обеспечивается выполнение условия $L=(n \lambda)/2$, ведь величину расстояния между зеркалами резонатора померить с точностью до половины длины волны невозможно.

А почему ядрёная бомба попадает всегда в эпицентр?

Куда попало - туда и попало. На той длине волны и генерирует. Но иногда частоту специально точно подстраивают, например, управляя точным положением одного зеркала при помощи какого-нибудь пьезопривода.

[amon]

Basov в сообщении #1203314 писал(а):

Зачем нам нужна эта стоячая волна

Стоячая волна нам нафик не нужна. Нужна положительная обратная связь. Активная среда лазера это оптический усилитель. Если на вход усилителя подать часть его (усилителя) выходного сигнала, то усилитель превратится (при выполнении некоторых условий) в генератор. Резонатор это и делает.

[Basov]

realeugene в сообщении #1203334 писал(а):

Куда попало - туда и попало. На той длине волны и генерирует.

А что это значит на практике?
1) Например, Nd:YAG лазер генерирует на длине волны 1.064 мкм, других длин волн в его генерации нет. Как же вы говорите, что "куда попало, там и генерирует"?
2) С другой стороны, если мы используем лазерный диод и накачиваем строго в область поглощения активной среды, то как вообще могут появляться разные длины волн? Процессы излучения/поглощения ведь описываются формулой $h\nu=E_2-E_1$. Мы накачали среду на уровень $E_2$, при излучении электроны активной среды возвращаются на основной уровень $E_1$ и происходит генерация на частоте $\nu=(E_2-E_1)/h$. Частота (длина волны) же от резонатора никак не зависит, нет?

-- 25.03.2017, 16:00 --

amon в сообщении #1203368 писал(а):

Basov в сообщении #1203314 писал(а):

Зачем нам нужна эта стоячая волна

Стоячая волна нам нафик не нужна. Нужна положительная обратная связь. Активная среда лазера это оптический усилитель. Если на вход усилителя подать часть его (усилителя) выходного сигнала, то усилитель превратится (при выполнении некоторых условий) в генератор. Резонатор это и делает.

Другими словами, вначале мы подаем импульс накачки на активную среду, далее электроны АС переходят с основного на верхний лазерный уровень, создавая тем самым инверсную населенность. С верхнего лазерного уровня электроны быстро переходят обратно в основной уровень, излучая фотоны с определенной частотой. Эти фотоны частично выходят из резонатора, представляя лазерный луч, частично отражаются и снова взаимодействуют с активной средой, тем самым еще раз прокачивая лазерный кристалл. (Тут уже электроны АС переходят не на уровень лазерной генерации?) Таким образом, у нас происходит два процесса - накачка с помощью лазерных диодов и накачка, которая получается при частичном отражении от выходного зеркала резонатора?

[realeugene]

Basov в сообщении #1203391 писал(а):

1) Например, Nd:YAG лазер генерирует на длине волны 1.064 мкм, других длин волн в его генерации нет. Как же вы говорите, что "куда попало, там и генерирует"?

На вашей картинке нарисован колокол, гораздо шире ширины резонанса резонатора. Этот колокол - коэффициент усиления активной среды. Для газового лазера линия размазывается не только из-за ограниченности времени жизни возбуждённого состояния, но и из-за эффекта Доплера и разброса скоростей молекул в газе. В твёрдом теле, наверное, можно получить ширину линии самой среды гораздо уже. Но петлевое усиление равно произведению коэффициента усиления активной среды и коэффициента обратной связи в резонаторе. Который сам представляет собой решетку из узких пиков. Условие генерации - это петлевое усиление должно быть больше единицы. Чьи пики уже - те и определят ширину линии лазера. А если пики усиления среды и резонатора не пересекутся, то и генерации не будет.

[Basov]

realeugene в сообщении #1203424 писал(а):

Для газового лазера линия размазывается [...] В твёрдом теле, наверное, можно получить ширину линии самой среды гораздо уже.

Вот тут Вы, пожалуй, неправы. Сегодня читал книгу Пахомова по квантовой электронике (2006 год), там сказано обратное - "Число генерируемых типов колебаний достигает десятков в газовых лазерах, сотен и тысяч в лазерах на твердом теле". То есть спектр излучения твердотельного лазера содержит большее число одновременно генерируемых частот, чем в газовом лазере.
Мне все-таки не очень понятно отличие в работе системы накачки от работы оптического резонатора. Накачка одним импульсом (разом?) переводит атомы среды из основного состояния в возбужденное. Когда атомы перешли в возбужденное состояние (мы же их селективно прокачали лазерным диодом, который генерирует строго в область поглощения активной среды, следовательно все атомы перешли на нужный нам верхний лазерный уровень???) Таким образом получилась инверсная населенность, которая необходима для индуцированного излучения. Происходит индуцированное излучение, генерируется несколько фотонов, которые вылетают из активного элемента.
1) Что произойдет, если не будет никакого резонатора? Эта пара фотонов будет являться лазерным лучом?
2) Если все-таки добавить в схему оптический резонатор - получается при отражении от выходящего зеркала фотоны снова попадают в активный элемент, тем самым снова возбуждая активную среду????

[amon]

Basov в сообщении #1203391 писал(а):

Таким образом, у нас происходит два процесса - накачка с помощью лазерных диодов и накачка, которая получается при частичном отражении от выходного зеркала резонатора?

Что-то мне подсказывает, что Вы не шибко различаете спонтанное и вынужденное излучение (вынужденное излучение - это единственное, благодаря чему лазер получил гордое название квантовый генератор). Активная среда лазера обладает свойством усиливать попавший в нее свет в некотором диапазоне частот. При этом не важно, откуда этот свет взялся - снаружи пришел, или внутри излучился. Тогда, если мы соединим выход усилителя (не важно какого, квантового или обычного, радиочастотного) со входом так, что $GK=1,$ где $G$ - коэффициент усиления, а $K$ - коэффициент возврата сигнала, то усилитель превратится в генератор. Усилитель звуковых частот противно запищит, если микрофон поднести к динамику, а усилитель оптических частот засветится. В этом явлении ничего квантового нет. Вся квантовость - в том, как и почему активная среда усиливает свет.

[Basov]

amon в сообщении #1203529 писал(а):

Basov в сообщении #1203391 писал(а):

Таким образом, у нас происходит два процесса - накачка с помощью лазерных диодов и накачка, которая получается при частичном отражении от выходного зеркала резонатора?

Спонтанное и вынужденное излучение.

Знаю такие термины, в первом случае атом переходит в основное состояние, испуская квант света. Во втором случае квант света возникает под воздействием точно такого же кванта света, за счет чего их интенсивности, амплитуды, (?) поляризации (?) складываются и, собственно, происходит усиление света. Но это частности. В общем-то случае эти излученные кванты света, могут не только вызывать индуцированное излучение, но также вызывать те же явления, что происходят при накачке?

-- 26.03.2017, 02:33 --

Кстати, интересно, почему во многих книгах про лазеры, когда упоминается оптический резонатор делается акцент на том, что в нем создается стоячая волна? Ведь не стоячая волна нужна, а резонанс, как отмечалось ранее в этой теме.
Даже вот в учебнике Сивухина:
"Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора" Учебник писался, когда использовались только линейные резонаторы? Нет, в новых учебниках тоже когда идет описание резонаторов, говорится что в них генерируется стоячая волна. Тот же Звелто и Пахомов допускают такие неточности

[realeugene]

Basov в сообщении #1203534 писал(а):

Даже вот в учебнике Сивухина:

А Сивухин, разве, "книга про лазеры"? В большинстве лазеров, действительно, внутри резонатора возникает стоячая волна, и никак иначе. Но если вы хотите изучить тонкости и всякую экзотику, читайте специализированную литературу.

-- 26.03.2017, 09:17 --

Basov в сообщении #1203479 писал(а):

Сегодня читал книгу...

Поздравляю! Но ваша цитата не опровергает то, что написал я.

[Xey]

Не вспоминали что, длина волны накачки меньше , чем излучения лазера. Потому что для создания инверсии применяют трёх и четырёх уровневые схемы, иначе не получается.
Усиление инверсной среды определяется степенью инверсии и длиной взаимодействия. В принципе , длинная трубка с хорошей инверсией сгенерирует импульс когерентного света и без резонатора. Так намереваются сделать гамма лазер.
Резонатор нужен или непрерывному лазеру, или для уменьшения длины, или для стабилизации излучаемой длины волны.

[realeugene]

amon в сообщении #1203529 писал(а):

Тогда, если мы соединим выход усилителя (не важно какого, квантового или обычного, радиочастотного) со входом так, что $GK=1,$ где $G$ - коэффициент усиления, а $K$ - коэффициент возврата сигнала, то усилитель превратится в генератор.

Ещё фазовый сдвиг должен быть кратен 360 градусам. Но у этих больших объёмных оптических резонаторов набег фазы от длины волны зависит очень сильно (как раз между соседними палками в решетке резонансных пиков он возрастает на 360 градусов, эта решетка и есть следствие такого условие), так что, где-нибудь в требуемой полосе усиления среды он и окажется равным 360 градусам.

[Munin]

Про складывающиеся поляризации доставило.

[Basov]

Munin в сообщении #1203632 писал(а):

Про складывающиеся поляризации доставило.

Поляризация - это векторная величина, нет?
Одно из отличие спонтанного (некогерентного) излучения от вынужденного в том, что во втором случае поляризации волн совпадают, так же как совпадают фаза и направление распространения. Поэтому излучение усиливается. В первом же случае все величины различные, поэтому синергии не происходит

[Munin]

Basov в сообщении #1204055 писал(а):

Поляризация - это векторная величина, нет?

Ну как вам сказать...