Оптическое излучение, страница 6

Рис. 1.15. Стадии формирования индуцированного излучения

         В результате взаимодействия первичного кванта с возбужденной частицей, находящейся в состоянии  W₂, частица девозбуждается и излучает вторичный  квант-двойник hν_вт, полностью идентичный первичному кванту. Совпадают все параметры вторичного (индуцированного)  и первичного квантов: энергии hν_вт = hν_п, а следовательно, частоты ν_вт = ν_п; длины волн  λ_вт = λ_п; фазы колебаний φ_вт = φ_п; направления распространения ; вид поляризации. В частности для линейной поляризации векторы напряженности электрического поля вторичной и первичной волн коллинеарны.  

         При рассмотрении поведения первичных и вторичных волн окажется, что все вторичные волны, возникающие в различные моменты времени, будут синфазны с первичной волной (рис. 1.16, а). Такие синфазные волны сформируют в пространстве множество синхронных колебаний, поверхность равной фазы которых (ПРФ), или  фронт волны, будет иметь вид плоскости (рис. 1.16, б).

а                                                                          б                                   

Рис. 1.16. Изменение электрического поля первичных и вторичных волн:

а – во времени; б – пространстве

Благодаря самому принципу возникновения  параметры отдельных волн индуцированного (вынужденного)  излучения взаимно обусловлены. Для описания этой обусловленности в квантовой электронике используют понятие «когерентность» ­– корреляция, взаимосвязь параметров волн,  в частности их фаз. Говорят, что отдельные волны индуцированного излучения когерентны. Различают пространственную и временную когерентность. Излучение с плоским волновым фронтом обладает идеальной, 100%-й пространственной когерентностью и формирует нерасходящийся пучок.  Реально всегда существует разброс квантов  по направлениям  распространения. Если принять, что волны индуцированного излучения исходят из одной точки, то  разброс  по направлениям  приведет к трансформации поверхности равной фазы. В пределах пучка индуцированного излучения  ПРФ  превратится в участок  сферы радиуса R, что приведет к увеличению расходимости потока квантов. Чем больше разброс, тем меньше R и больше расходимость пучка. В таких случаях говорят о степени пространственной когерентности, которая обратно пропорциональна R.

         О временной когерентности волн судят по неизменности разности фаз в фиксированной точке пространства в разные моменты времени. Изменения фазы будут отсутствовать, если генерируется идеальное монохроматическое излучение со строго неизменной длиной волны (частотой). Такое излучение обладает 100%-й временной когерентностью. Идеальной монохроматичностью может обладать только бесконечно длящиеся  колебания. В  силу конечности времени жизни возбужденных частиц процессы излучения являются затухающими, вследствие чего происходит изменение частоты колебаний во времени. Наличие разброса частот приводит к изменению разности фаз и снижению степени временной когерентности. Если степень пространственной и временной когерентности близка к 1 (100 %), то излучение называют  полностью  когерентным.

         Для того чтобы получить поток индуцированного излучения, можно использовать систему возбужденных частиц А* и направить на нее первичный квант  с энергией hν_п = W₂ – W₁ (рис. 1.17). Первичный квант может быть внешним или собственным спонтанным квантом системы.  После первого взаимодействия первичного кванта с возбужденной частицей возникнет вторичный квант-двойник. При последующих взаимодействиях оба кванта являются внешними для других возбужденных частиц и порождают 4, затем 8, 16, 32 квантов и т. д. В итоге получается лавина с числом квантов N_кв = 2ⁿ , где n – число взаимодействий квантов. Это означает, что принцип индуцированного излучения позволяет усилить поток квантов или реализовать оптическое усиление. Между соседними взаимодействиями с возбужденными частицами квант пролетает отрезок пути, равный средней длине свободного пробега  λ_кв = 10^–4…10¹ м.  Конкретные значения λ_кв  определяются свойствами оптических сред.