Учебное пособие. — М.: МФТУ, 2010. — 336 с. Версия 16.02.2010
Настоящее учебное пособие основано на курсе лекций, читаемых
автором студентам четвёртого курса Московского физико-технического
университета. В пособии изложены физические основы лазеров, включая
основы теории взаимодействия квантовых систем с излучением и
теоретические основы оптических резонаторов и волноводов. Описаны
различные типы газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров,
а также лазеры на свободных электронах и рентгеновские лазеры.
Рассмотрены квантовые свойства световых полей и основы квантовой
теории лазеров. Книга рассчитана на студентов и аспирантов,
обучающихся по специальностям, связанным с оптикой, спектроскопией
и лазерной физикой. Она может быть полезной и для молодых
специалистов, работающих в этих областях.
Содержание.
Физические основы лазеров.
Инверсия населенности.
Вынужденное поглощение и испускание.
Обратная связь.
Механизмы релаксации.
Схемы создания инверсной населённости.
Взаимодействие атомов с излучением.
Когерентное взаимодействие атома с излучением.
Амплитуды вероятности и волновая функция.
Вероятность возбуждения.
Атомная матрица плотности. Динамические уравнения.
Неподвижный атом.
Движущийся атом.
Релаксация атомной матрицы плотности.
Квантование вакуумного поля.
Релаксация состояний двухуровневого атома.
Некогерентное взаимодействие атома с излучением.
Возбуждение атома бегущей световой волной.
Возбуждение атома стоячей световой волной.
Спектр спонтанного излучения.
Взаимодействие материальной среды с излучением.
Уравнения электромагнитного поля.
Материальные уравнения.
Уравнения динамики среды.
Уравнения для медленных переменных среды.
Динамика среды в поле непрерывного излучения.
Когерентное взаимодействие среды с импульсным излучением.
Некогерентное взаимодействие. Однородно-уширенный переход.
Квазистационарная поляризация среды.
Электрическая восприимчивость среды.
Диссипация электромагнитного поля.
Поглощение и дисперсия среды.
Некогерентное взаимодействие. Неоднородно-уширенный переход.
Взаимодействие с бегущей световой волной.
Взаимодействие со стоячей световой волной.
Открытые оптические резонаторы.
Закрытые и открытые резонаторы.
Добротность резонатора.
Структура электромагнитного поля.
Плоскопараллельный резонатор.
Пучки Эрмита-Гаусса.
Пучки Лагерра-Гаусса.
Конфокальный резонатор.
Распространение световых лучей.
Параксиальные лучи.
Гауссов пучок.
Обобщённый сферический резонатор.
Расчёт геометрии.
Устойчивость сферического резонатора.
Неустойчивые резонаторы.
Интерферометр Фабри-Перо.
Кольцевой резонатор-интерферометр.
Методы селекции мод.
Селекция продольных мод.
Селекция поперечных мод.
Диэлектрические волноводы и резонаторы.
Планарные волноводы.
Поперечные электрические моды.
Поперечные магнитные моды.
Цилиндрический ступенчатый волновод.
Уравнения распространения поля.
Граничные условия для локализованных мод.
Волноводные моды.
Потери в волноводах.
Планарные резонаторы.
Поперечные моды.
Поляризация мод.
Микрорезонаторы.
Дисковые микрорезонаторы.
Сферические микрорезонаторы.
Квадратные микрорезонаторы.
Квазиклассическая теория лазера.
Уравнения многомодового лазера.
Уравнения одномодового лазера.
Непрерывная генерация.
Импульсная генерация при модуляции добротности.
Многомодовая генерация.
Конкуренция мод.
Захват мод в кольцевом лазере.
Шумы лазерного излучения.
Спектральная плотность оптического сигнала.
Теорема Винера-Хинчина.
Спектр лазерного излучения.
Генерация оптических импульсов.
Метод синхронизации мод.
Активная и пассивная синхронизация мод.
Получение ультракоротких лазерных импульсов.
Газовые лазеры.
Гелий-неоновый лазер.
Аргоновый лазер.
Лазер на смеси CO2 — N2.
Эксимерные лазеры.
Химические газовые лазеры.
Лазеры на люминесцентных кристаллах и стёклах.
Рубиновый лазер.
Неодимовые лазеры.
Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой.
Твердотельные микролазеры.
Жидкостные молекулярные лазеры.
Лазеры на красителях.
Методы перестройки частоты.
Однородные полупроводники.
Плотность электронных состояний.
Представление бегущих волн.
Представление стоячих волн.
Полупроводники AIIIBV.
Равновесные электронные состояния.
Квазиравновесные электронные состояния.
Накачка электронных состояний.
Поглощение и усиление света.
Вынужденные переходы.
Приведённая плотность состояний.
Коэффициент поглощения.
Коэффициент усиления.
Полупроводниковые диодные лазеры.
Инжекционные лазеры на p — n переходах.
Инжекционные лазеры на гетеропереходах.
Распределённая обратная связь.
Распределённые брэгговские отражатели.
Квантоворазмерные полупроводники.
Структуры с квантовыми ямами.
Электронные состояния.
Плотность состояний.
Заселённости равновесных состояний.
Поглощение и усиление света.
Квантовые нити и квантовые точки.
Электронные состояния.
Плотность состояний.
Лазеры на квантоворазмерных структурах.
Поверхностно-излучающие инжекционные микролазеры.
Материальная структура.
Распределённые брэгговские отражатели.
Частота генерации.
Лазеры на квантовых нитях и квантовых точках.
Оптическое усиление.
Каскадные лазеры.
Лазеры на полимерах.
Квантовые свойства световых полей.
Состояния чисел заполнения.
Когерентные состояния.
Сжатые состояния.
Квантовая теория лазера.
Квантовомеханическая динамика активных частиц.
Квантовостатистическая динамика активных частиц.
Статистика числа фотонов.
Подпороговый режим.
Надпороговый режим.
Специфические лазерные системы.
Лазеры на свободных электронах.
Уравнения движения.
Усиление в ЛСЭ.
Рентгеновские лазеры.
Проблема гамма-лазера.
Физические основы лазеров.
Инверсия населенности.
Вынужденное поглощение и испускание.
Обратная связь.
Механизмы релаксации.
Схемы создания инверсной населённости.
Взаимодействие атомов с излучением.
Когерентное взаимодействие атома с излучением.
Амплитуды вероятности и волновая функция.
Вероятность возбуждения.
Атомная матрица плотности. Динамические уравнения.
Неподвижный атом.
Движущийся атом.
Релаксация атомной матрицы плотности.
Квантование вакуумного поля.
Релаксация состояний двухуровневого атома.
Некогерентное взаимодействие атома с излучением.
Возбуждение атома бегущей световой волной.
Возбуждение атома стоячей световой волной.
Спектр спонтанного излучения.
Взаимодействие материальной среды с излучением.
Уравнения электромагнитного поля.
Материальные уравнения.
Уравнения динамики среды.
Уравнения для медленных переменных среды.
Динамика среды в поле непрерывного излучения.
Когерентное взаимодействие среды с импульсным излучением.
Некогерентное взаимодействие. Однородно-уширенный переход.
Квазистационарная поляризация среды.
Электрическая восприимчивость среды.
Диссипация электромагнитного поля.
Поглощение и дисперсия среды.
Некогерентное взаимодействие. Неоднородно-уширенный переход.
Взаимодействие с бегущей световой волной.
Взаимодействие со стоячей световой волной.
Открытые оптические резонаторы.
Закрытые и открытые резонаторы.
Добротность резонатора.
Структура электромагнитного поля.
Плоскопараллельный резонатор.
Пучки Эрмита-Гаусса.
Пучки Лагерра-Гаусса.
Конфокальный резонатор.
Распространение световых лучей.
Параксиальные лучи.
Гауссов пучок.
Обобщённый сферический резонатор.
Расчёт геометрии.
Устойчивость сферического резонатора.
Неустойчивые резонаторы.
Интерферометр Фабри-Перо.
Кольцевой резонатор-интерферометр.
Методы селекции мод.
Селекция продольных мод.
Селекция поперечных мод.
Диэлектрические волноводы и резонаторы.
Планарные волноводы.
Поперечные электрические моды.
Поперечные магнитные моды.
Цилиндрический ступенчатый волновод.
Уравнения распространения поля.
Граничные условия для локализованных мод.
Волноводные моды.
Потери в волноводах.
Планарные резонаторы.
Поперечные моды.
Поляризация мод.
Микрорезонаторы.
Дисковые микрорезонаторы.
Сферические микрорезонаторы.
Квадратные микрорезонаторы.
Квазиклассическая теория лазера.
Уравнения многомодового лазера.
Уравнения одномодового лазера.
Непрерывная генерация.
Импульсная генерация при модуляции добротности.
Многомодовая генерация.
Конкуренция мод.
Захват мод в кольцевом лазере.
Шумы лазерного излучения.
Спектральная плотность оптического сигнала.
Теорема Винера-Хинчина.
Спектр лазерного излучения.
Генерация оптических импульсов.
Метод синхронизации мод.
Активная и пассивная синхронизация мод.
Получение ультракоротких лазерных импульсов.
Газовые лазеры.
Гелий-неоновый лазер.
Аргоновый лазер.
Лазер на смеси CO2 — N2.
Эксимерные лазеры.
Химические газовые лазеры.
Лазеры на люминесцентных кристаллах и стёклах.
Рубиновый лазер.
Неодимовые лазеры.
Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой.
Твердотельные микролазеры.
Жидкостные молекулярные лазеры.
Лазеры на красителях.
Методы перестройки частоты.
Однородные полупроводники.
Плотность электронных состояний.
Представление бегущих волн.
Представление стоячих волн.
Полупроводники AIIIBV.
Равновесные электронные состояния.
Квазиравновесные электронные состояния.
Накачка электронных состояний.
Поглощение и усиление света.
Вынужденные переходы.
Приведённая плотность состояний.
Коэффициент поглощения.
Коэффициент усиления.
Полупроводниковые диодные лазеры.
Инжекционные лазеры на p — n переходах.
Инжекционные лазеры на гетеропереходах.
Распределённая обратная связь.
Распределённые брэгговские отражатели.
Квантоворазмерные полупроводники.
Структуры с квантовыми ямами.
Электронные состояния.
Плотность состояний.
Заселённости равновесных состояний.
Поглощение и усиление света.
Квантовые нити и квантовые точки.
Электронные состояния.
Плотность состояний.
Лазеры на квантоворазмерных структурах.
Поверхностно-излучающие инжекционные микролазеры.
Материальная структура.
Распределённые брэгговские отражатели.
Частота генерации.
Лазеры на квантовых нитях и квантовых точках.
Оптическое усиление.
Каскадные лазеры.
Лазеры на полимерах.
Квантовые свойства световых полей.
Состояния чисел заполнения.
Когерентные состояния.
Сжатые состояния.
Квантовая теория лазера.
Квантовомеханическая динамика активных частиц.
Квантовостатистическая динамика активных частиц.
Статистика числа фотонов.
Подпороговый режим.
Надпороговый режим.
Специфические лазерные системы.
Лазеры на свободных электронах.
Уравнения движения.
Усиление в ЛСЭ.
Рентгеновские лазеры.
Проблема гамма-лазера.