Квантово-оптичні генератори

Квантово-оптичні генератори (лазери)Наприкінці 50-х — на початку 60-х рр. XX ст. фахівці з квантової фізики здійснили низку відкриттів, які згодом значно змінили життя людства. Гідне місце серед цих відкриттів належить винайденню квантових генераторів. Що приховане під цією назвою, яка мовби зійшла зі сторінок науково-фантастичних романів?

Якщо атом якимось чином перевести у збуджений стан, то, повертаючись в основний стан, він випромінює квант світла. «Стандартним» способом збудження світлового випромінювання є зіткнення атомів за високих температур, проте існують й інші (нетеплові) способи збудження атомів. Атоми речовини можуть перейти у збуджений стан під час хімічних реакцій, унаслідок обробки речовини звуком високої частоти, опромінення рентгенівськими та γ-променями, внаслідок розтирання, розколювання речовини тощо. Час життя атома у збудженому стані зазвичай є дуже нетривалим і становить 10¯⁹-10¯¹⁰ с, після чого атом «самостійно» (спонтанно) повертається в основний стан із випромінюванням фотонів (або фотона) чітко визначених частот.

Випромінювання, що виникає внаслідок спонтанного переходу атомів у стан із нижчим рівнем енергії, називають спонтанним випромінюванням. Спонтанне випромінювання некогерентне, адже кожен атом починає і закінчує випромінювати незалежно від інших. Проте в деяких випадках перехід атома зі збудженого стану в основний може відбуватися вимушено. Випромінювання, яке виникає під впливом зовнішньої електромагнітної хвилі, називають індукованим (вимушеним) випромінюванням.

Власна частота переходу — частота фотона, унаслідок поглинання якого атом переходить з основного стану в збуджений. Атом перебуває у збудженому стані дуже короткий час. Однак є речовини, атоми яких мають збуджені стани, в яких вони можуть перебувати протягом доволі тривалого часу, порядку 10¯³ с. Такі збуджені стани атомів називають метастабільними. Індуковане випромінювання таких атомів спричинило появу принципово нового типу генераторів світла — квантових генераторів. Особливостями індукованого випромінювання є його монохроматичність і когерентність.

Явище нетеплового світіння речовини, яке відбувається після поглинання речовиною енергії збудження, називають люмінесценцією, а речовини, які здатні перетворювати поглинуту нетеплову енергію на світлове випромінювання, — люмінофорами. Прикладом застосування люмінесценції є так звані лампи денного світла. Ці лампи являють собою трубки, заповнені випарами ртуті за низького тиску. Внутрішню поверхню трубок вкрито люмінофором. Ультрафіолетове випромінювання, яке утворюється внаслідок газового розряду у випарах ртуті, потрапляє на люмінофор, і він починає випромінювати світло, близьке до денного.

Квантовий генератор — це джерело електромагнітних хвиль, дія якого будується на явищі вимушеного випромінювання.

. Принцип роботи лазерів такий. Якщо на збуджений атом падає фотон, енергія якого дорівнює енергії збудження, то взаємодія цього фотона зі збудженим атомом спричиняє повернення атома в основний стан із випромінюванням вторинного фотона. Напрямок руху та енергія вторинного фотона такі самі, як у фотона, що спричинив випромінювання, тобто виникають два фотони-«близнюки» . Якщо в речовині буде багато збуджених атомів, то кожний із фотонів-«близнюків» спричинить появу двох нових «близнюків» і т. д. Урешті-решт виникне «лавина» фотонів з однаковими характеристиками.

Розглянемо, як відбуваються посилення та генерація електромагнітного випромінювання в рубінових лазерах. Активним середовищем таких лазерів є кристал рубіну. Рубін — це кристал алюміній оксиду (Аl2 О3), у якому невелика кількість атомів Алюмінію (~ 0,05%) заміщена атомами Хрому (атоми Хрому мають метастабільний стан). Кристалу надають форми циліндра (рис. 38.2), на два торці якого наносять відбивний шар (дзеркало). Одна із дзеркальних поверхонь повністю відбиває світло, друга є частково прозорою: 92 % світлового потоку відбивається від неї, а близько 8 % пропускається. Рубіновий стрижень поміщений усередину імпульсної спіральної лампи, яка є джерелом збуджувального випромінювання. Під час спалаху лампи атоми Хрому, поглинаючи випромінювання певної частоти, переходять із основного стану з енергією Е1 у збуджені стани з енергіями E3, Е4 .

Процес переведення атомів з основного стану в збуджений називають накачуванням, а лампу, яку використовують для цього, — лампою накачування. Час перебування атомів Хрому в збудженому стані (на рівнях з енергіями E3, Е4) є малим, і тому майже миттєво більша частина атомів переходить у метастабільний стан з енергією Е2 .

Варто одному атому Хрому здійснити спонтанний перехід із метастабільного стану в основний із випромінюванням фотона, як виникає лавина фотонів, спричинена індукованим випромінюванням атомів Хрому, що перебувають у метастабільному стані. Якщо напрямок руху первинного фотона є чітко перпендикулярним до торців рубінового циліндра (а такі фотони є завжди), то первинні та вторинні фотони відбиваються від одного торця й летять крізь кристал до другого торця. На своєму шляху фотони спричиняють вимушене випромінювання в інших атомах Хрому і т. д. Процес завершується за 10¯⁸-10¯¹⁰ с. Потужність світлового випромінювання лазера може сягати 10⁹ Вт, що перевищує потужність електростанції.

Різні види квантових генераторів. Квантові генератори мають різні назви залежно від того, яку довжину хвилі випромінює генератор, і всі ці назви походять від абревіатури англійського словосполучення amplification by stimulated emission of radiation (посилення шляхом стимулюючого випромінювання).• Першим квантовим генератором був мазер — пристрій, який випромінював когерентні електромагнітні хвилі в міліметровому радіодіапазоні (англ. microwave — мікрохвильовий).• Квантові генератори іншого типу — лазери — працюють в оптичному діапазоні шкали електромагнітних хвиль (англ. light — світло).• Разер — квантовий генератор, який випромінює рентгенівські хвилі.• Газер — квантовий генератор,

Сучасні квантові генератори є досить різноманітними: вони працюють у різних діапазонах довжин хвиль (мазери, лазери, разери, газери), мають різну активну речовину (твердотілі, газові, напівпровідникові, рідкі). а — лазерне лікування шкіри; б — лазерний скальпель; в — лазерна корекція зору

Дом. робота пп 38 Розв. вправа 38 (3, 4) Експериментальне завдання стор 224