	Уровень: Глоссарии:

Лазер как нелинейная самоорганизующаяся система

Перед изучением основного материала рекомендуем читателям подробнее ознакомится с физическими механизмами поглощения и излучения.

1. Схема устройства лазера

Для конкретности рассмотрим схему твердотельного лазера, например, рубинового (рис. 1).

Рис 1. Схема рубинового лазера: 1 - корпус; 2 - рубиновый стержень; 3 - ксеноновая лампа накачки; 4 - излучение; 5 - конденсатор; 6 - ключ; 7 - источник постоянного напряжения.

В корпусе 1 помещен рубиновый стержень 2, на торцах которого имеются зеркала; при помощи ксеноновой лампы 3 производится оптическая накачка рубинового стержня. Свет ксеноновой лампы поглощается в полосах поглощения рубина с длинами волн 410 и 560 нм. С торца рубинового стержня с полупрозрачным зеркалом происходит лазерное излучение 4 с длиной волны 694,3 нм. При замыкании ключа 6 от источника питания 7 заряжается конденсатор 5; при разрыве этой цепи происходит разряд конденсатора и далее - импульсное излучение ксеноновой лампы.

Рис 2.Зарождение излучения в активном теле:
а) фотон взаимодействует с возбужденным атомом;
б) возникли два фотона;
в) излучение от трех атомов;
г) фотоны, отраженные от полупрозрачного зеркального торца.

Механизм излучения схематически представлен на рис. 2. Пусть в активном теле большинство атомов находятся в возбужденном состоянии; в это состояние их можно привести различными способами - оптической накачкой, из-за соударений с электронами или возбужденными атомами, а также благодаря спонтанному излучению атомов. На рис. 2а представлены три возбужденных атома (белые кружки); внешний фотон с энергией h стимулирует атом 1 испустить фотон 2; далее движутся два фотона с энергией h (рис. 2б), которые стимулируют атом 2 испустить фотон 3 с энергией h (рис. 2в); далее эти три фотона отражаются от полупрозрачного зеркала (рис. 2г). Отраженные фотоны проходят по стержню обратный путь, и все большее число атомов заселяет более высокий энергетический уровень.

Рис 3. Волновые цуги, испущенные из лампы (а) и из лазера (б).

При ограниченной мощности накачки лазер работает как лампа - излучения отдельных атомов не согласованы друг с другом и ими излучаются цуги волн, длиною в несколько метров (рис. 3а). При некотором критическом значении мощности накачки резко возрастает мощность лазерного излучения. Происходит согласованное, кооперативное излучение волн, находящихся в одной фазе, и длина цугов волн возрастает до 10⁹ м (рис. 3б). Происходит переход от режима лампового излучения к лазерному режиму (рис. 4).

Рис 4. Зависимость мощности лучистого потока от мощности накачки.

До разработки лазера в 1960 г. все доступные человечеству излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра были некогерентны. Отметим особенности лазерного излучения: монохроматичность ( ~ 0,1 ); высокая временная и пространственная когерентность; большая интенсивность; узость пучка (от Земли до Луны 360000 км, а расширение пучка всего 3 м).

Предлагаем читателям так же ознакомится с математической моделью работы лазера.

2. Оптические транзистор и память

Генерация когерентных излучений с помощью лазера произвела целую революцию в одном из самых устоявшихся разделов физики - оптике. Было показано, что это явление можно рассматривать как своего рода процесс самоорганизации, возникающий при неравновесных условиях.

Рис 5. Оптическая бистабильность.
а) Схема экспериментального устройства: 1 - лазер; 2 - нелинейная среда; 3, 4, 5 - зеркала, 6 - полупрозрачное зеркало.
б) Зависимость интенсивностей прошедшего и падающего света в пустой полости.
в) то же для оптически активной среды.

Рассмотрим принципиальную схему использования явления оптической бистабильности для реализации оптического компьютера. На рис. 5а схематически представлено устройство для наблюдения оптической бистабильности. От лазера 1 пучок света интенсивностью I₀ проходит через оптическую среду 2 и выходит с интенсивностью I₁. За счет определенного положения зеркал 3-6 часть света возвращается в среду 2 (обратная положительная связь). Если бы среда 2 была пустой, то зависимость I₁ = f₁(I₀) имела бы вид, представленный на рис. 5б. Заполним полость 2 оптическим веществом и заметим, что взаимодействие вещества со светом нелинейно при наличии резонанса вещества с падающим лучом. Тогда на некоторой части кривой I₁ = f₂(I₀) возникает усиление (рис. 5в). Система приобретает свойства оптического транзистора. Существуют условия, при которых зависимость I₁ = f₃(I₀) поведения системы характеризуется наличием бистабильности: могут возникнуть два (иногда несколько) устойчивых стационарных состояния (рис. 6).

Рис 6. Схема оптического транзистора или переключателя.

При некотором значении параметра , существует лишь одно устойчивое состояние (ветвь а). Увеличивая I₀, входим в область множественных состояний <I₀< . Однако система остается на ветви а до тех пор, пока I₀ не превысит значения , после чего происходит скачкообразный переход на ветвь б, на котором система и остается. Если теперь изменить I₀ в обратном направлении, то система будет на ветви б вплоть до значений . Два уровня передачи можно привести в соответствие логическим состояниям "0" и "1", т. е. построить на этой основе элемент "оптической памяти" или "оптического переключателя".