Теоретически исследован новый метод генерации лазерного излучения без инверсии населённостей в «красном» крыле D1-линии атомов щелочных металлов при резонансном поглощении широкополосного излучения лазерных диодов накачки на переходе D1. Причиной возникновения лазерной генерации является то обстоятельство, что в красном крыле спектральной линии вероятность вынужденного испускания превышает вероятность поглощения, если однородное уширение из-за взаимодействия активных частиц с буферным газом существенно превышает естественное (при больших давлениях буферного газа). Получены аналитические формулы, представляющие работу лазера на парах щелочных металлов при поперечной диодной накачке. Выяснено, что наиболее перспективным объектом для наблюдения лазерной генерации без инверсии населённостей в красном крыле D1-линии атомов щелочных металлов являются атомы цезия. В достаточно длинной активной среде (длина среды в 50 раз превышает её ширину) эффективность преобразования излучения накачки в лазерное излучение может достигать 57 % при давлении буферного газа 5 атм, интенсивности излучения диодов накачки 5 кВт/см2 и полуширине его спектра 1 см-1. Частота лазерного излучения может перестраиваться на несколько десятков см-1. A new method for generating laser radiation without population inversion in the «red» wing of the D1 line of alkali metal atoms under resonant absorption of broadband radiation from pump laser diodes at the D1 transition has been theoretically investigated. The reason for the occurrence of laser generation is the fact that the probability of stimulated emission in the red wing of the spectral line exceeds the probability of absorption if the uniform broadening due to the interaction of active particles with the buffer gas significantly exceeds the natural one (at high pressures of the buffer gas). Analytical formulas that describe the operation of an alkali metal vapor laser under transverse diode pumping are derived. It has been found that the most promising objects for observing laser lasing without population inversion in the red wing of the D1 line of alkali metal atoms are cesium atoms. In a sufficiently long active medium (the length of the medium is 50 times greater than its width), the conversion efficiency of pump radiation into laser radiation can reach 57% at a buffer gas pressure of 5 atm, a pump diode radiation intensity of 5 kW/cm2, and a half-width of its spectrum of 1 cm-1. The frequency of laser radiation can be tuned by several tens of cm-1.
Теоретически исследован новый метод генерации лазерного излучения без инверсии населённостей в «красном» крыле D1-линии атомов щелочных металлов при резонансном поглощении широкополосного излучения лазерных диодов накачки на переходе D1. Причиной возникновения лазерной генерации является то обстоятельство, что в красном крыле спектральной линии вероятность вынужденного испускания превышает вероятность поглощения, если однородное уширение из-за взаимодействия активных частиц с буферным газом существенно превышает естественное (при больших давлениях буферного газа). Получены аналитические формулы, представляющие работу лазера на парах щелочных металлов при поперечной диодной накачке. Выяснено, что наиболее перспективным объектом для наблюдения лазерной генерации без инверсии населённостей в красном крыле D1-линии атомов щелочных металлов являются атомы цезия. В достаточно длинной активной среде (длина среды в 50 раз превышает её ширину) эффективность преобразования излучения накачки в лазерное излучение может достигать 57 % при давлении буферного газа 5 атм, интенсивности излучения диодов накачки 5 кВт/см2 и полуширине его спектра 1 см-1. Частота лазерного излучения может перестраиваться на несколько десятков см-1. A new method for generating laser radiation without population inversion in the «red» wing of the D1 line of alkali metal atoms under resonant absorption of broadband radiation from pump laser diodes at the D1 transition has been theoretically investigated. The reason for the occurrence of laser generation is the fact that the probability of stimulated emission in the red wing of the spectral line exceeds the probability of absorption if the uniform broadening due to the interaction of active particles with the buffer gas significantly exceeds the natural one (at high pressures of the buffer gas). Analytical formulas that describe the operation of an alkali metal vapor laser under transverse diode pumping are derived. It has been found that the most promising objects for observing laser lasing without population inversion in the red wing of the D1 line of alkali metal atoms are cesium atoms. In a sufficiently long active medium (the length of the medium is 50 times greater than its width), the conversion efficiency of pump radiation into laser radiation can reach 57% at a buffer gas pressure of 5 atm, a pump diode radiation intensity of 5 kW/cm2, and a half-width of its spectrum of 1 cm-1. The frequency of laser radiation can be tuned by several tens of cm-1.
1. Введение.К настоящему времени, благодаря интенсивному раз витию лазеров, появилась возможность практического исследования в широком диапазоне частот излучения нелинейного взаимодействия атомных систем с электромагнитным излучением.Результатами такого взаимодействия может быть, в частности, нелинейное рассеяние света и многофотонная ионизация.Имеются обширные теоретические и экспериментальные исследова ния нелинейного взаимодействия атомов с сильным световым полем 3].Настоящий обзор посвящен нелинейным процессам в отрица тельных ионах, которые исследованы значительно менее подробно.Следует отметить, что энергия сродства атома к электрону всегда меньше его первого потенциала ионизации.Следовательно, для излуче ния лазера с определенной частотой процесс нелинейного фотораспада отрицательного иона всегда имеет меньший порядок нелинейности, чем процесс ионизации атома.В табл.I приведены степени нелинейности фотораспада различных отрицательных ионов для частот излучения различных лазеров.Указанные в табл.I энергии сродства взяты из ра боты [4].Остановимся сравнительно кратко на особенностях строения отри цательных ионов.Принципиальное отличие отрицательных ионов от атомов заключается в строении внешней оболочки, которая может содержать p или электрон.При переходе к внутренним оболочкам отличия отрицательного иона от атома стира ются.Поэтому всюду, где это не будет нарушать целостности изложе
1983 г. Август Том 140, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСЕЙX НАУВ МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ .535О ПРИРОДЕ СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В. Л. Гинзбург1. Спонтанное излучение, наряду с поглощением и индуцированным (вынужденным) излучением, принадлежит к числу основных, наиболее элементарных процессов, и с ним приходится иметь дело, особенно в оптике, буквально на каждом шагу.Как найти вероятность или интенсивность •спонтанного излучения, скажем, в случае атома при переходе электрона из какого-либо верхнего состояния в более низкое, хорошо известно: для этого нужно лишь вычислить некоторый матричный элемент, зависящий от волновых функций верхнего и нижнего состояний.Какова, однако, природа спонтанного излучения?Чем оно вызвано, является ли оно квантовым или классическим эффектом?Если читатель знает правильный ответ, который в достаточной мере тривиален, то пусть все же не спешит обвинить автора настоящей заметки в том, что он ломится в широко открытую дверь.Для того чтобы убедиться в существовании ^весьма распространенных недоразумений в вопросе о природе спонтанного излучения, достаточно, вероятно, будет «спросить соседа».Прежде чем решиться написать эту заметку, я и сам произвел такой «опрос», причем -с тем же результатом, о котором недавно сообщалось в литературе 1 .Именно, значительная часть опрошенных считает, что спонтанное излучение представляет собой результат существования нулевых колебаний электромагнитного поля, т. е. является квантовым эффектом.Между тем подобное мнение представляется неверным, поскольку спонтанное излучение света заведомо имеет место в классической теории и, вообще говоря, не может считаться квантовым явлением в большей мере, чем поглощение или индуцированное испускание.Недоразумения, с которыми приходится сталкиваться в вопросе о природе спонтанного излучения, порождены ходом исторического развития квантовой теории в целом и квантовой теории излучения в частности.Несколько конкретнее можно также отметить роль того факта, что в классической и квантовой теории излучения часто применяются разные методы, иначе ставится задача.Поэтому классический характер того или иного результата, получаемого квантовым путем (скажем, методом теории возмущений), может оказаться завуалированным.Вот почему нижеследующие замечания, быть может, представят известный интерес в историческом и методическом отношениях.2. Квантовые представления, особенно понятие о фотонах, пробивали •себе путь с исключительным трудом а > 3 .Достаточно напомнить, что введенная Эйнштейном в 1905 г.4 гипотеза о квантах света, развитая им 5
КОЛЛЕКТИВНОЕ СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ) А. В. Андреев, В. И. Емельянов, Ю. А. Ильинский СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 2. Сверхизлучение систем с размерами меньше длины волны излучения . . . .3. Сверхизлучение протяженных систем а) Общие соображения (660).б) Одномодовая модель сверхизлучения (661).в) Квантовая миогомодовая теория сверхизлучения (662).1) Условия возникновения эффекта (663); 2) Анализ решения системы уравнений многомодового сверхизлучательного распада (666); 3) Сверхизлучение в слабоусиливающих средах (667); 4) Осцилляторный режим сверхизлучения (669); 5) Сверхизлучение неоднородно уширенных систем (670); 6) Конкуренция коллективных и спонтанных процессов (672).г) Полуклассическая теория сверхизлучения.Учет пространственного изменения огибающей поля (673).д) О роли флуктуации при сверхизлучательном распаде (блоховское представление) (674).4. Сверхизлучение в коротковолновом диапазоне 676 а) Сверхнзлученг J в гамма-диапазоне (676).б) Сверхизлучение в рентгеновском диапазс.ге(677). 5. Экспериментальное исследование сверхпзлучения а) Сверхнзлучение на вращательных переходах молекул (679).б) Сверхизлучение на оптических переходах атомов (680).6. Сверхизлучение при комбинационном рассеянии света (многомодовая теория) 683 Основные уравнения теории СИКР и анализ их решения (684) 7. Заключение 691 Дополнение.Фазовый переход в равновесной системе двухуровневых атомов, взаимодействующих через электромагнитное поле 692 Цитированная литература 693 1. ВВЕДЕНИЕВ своей основополагающей работе г Дике в 1954 г. показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов может спонтанно перейти в основное состояние за время, обратно пропорциональное числу атомов т с ~ 1A/V.Этот эффект обусловлен наведением корреляций между моментами перехода пространственно разделенных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения.В результате атомы, находящиеся в макроскопически большом объеме, излучают когерентно.Поскольку полная энергия, излучаемая коллективом TV атомов, равна ΝΗω 0 , где ω 0 -частота перехода, то интенсивность излучения 7~ JVUco o /i: c ~ iV 2 .Такое излучение получило название коллективного спонтанного излучения или сверхизлучения (СИ) Дике *).В случае обычного спонтанного *) В зарубежной литературе помимо этого названия испол!:ι ется такж термин «суперфлуоресценция».
Laser Generation without Population Inversion in the Red Wing of the D1-Line of Alkali Metal Atoms under Resonant Diode Pumping
A new method of laser radiation generation without population inversion in the red wing of the D1 -line of alkali metal atoms under resonant absorption of broadband radiation of pump laser diodes at the D1 transition is studied theoretically. The appearance of laser generation is caused by the fact that the probability of stimulated emission in the red wing of the spectral line exceeds the probability of absorption if homogeneous broadening due to interaction between active particles and the buffer gas significantly exceeds the natural broadening (under high pressures of the buffer gas). Analytical formulas representing the operation of a transversely diode-pumped alkali metal vapor laser are obtained. It is found that cesium atoms are the most promising object for observation of laser generation without population inversion in the red wing of the D1 -line of alkali metal atoms. In a sufficiently long active medium (the length of the medium is 50 times its width), the efficiency of pumping radiation conversion into laser radiation can reach 57% at a buffer gas pressure of 5 atm, a pump diode radiation intensity of 5 kW/cm 2 , and a half-width of its spectrum of 1 cm −1 . The laser radiation frequency can be tuned by several tens of cm −1 .
Генерация фотона возбужденным атомом происходит в конечном по времени процессе перестройки внутренних полей напряжений вокруг электрона, меняющего орбиту. Излучение света имеет близкие аналогии с генерацией вихревых структур в сплошной среде и адекватно отражается в рамках традиционной, не квантовой механики. Рассмотрены силовые параметры перехода электрона между термами атома в режиме автоколебаний с излучением фотона. Проведен анализ трансформации исходного момента вращения электрона в спин излучаемого фотона с формированием нового момента вращения за счет работы поля ядра. Из частотных и энергетических зависимостей получены оценки геометрических размеров оптического фотона. The generation of a photon by an excited atom occurs in a fi nite time-dependent process of rearrangement of internal stress fi elds around an electron that changes its orbit. Radiation of light has close analogies with the generation of vortex structures in a continuous medium and is adequately refl ected in the framework of traditional, non-quantum mechanics. Power, energy characteristics of the electron transition between the terms of the atom in the regime of self-oscillations with the emission of a photon are considered. An analysis is made of the transformation of the initial angular momentum of the electron into the spin of the emitted photon with the formation of a new angular momentum due to the work of the nuclear fi eld. From the frequency and energy dependences, estimates of the geometric dimensions of the optical photon are obtained.