Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Преобразуем (5.75) к виду А  — ~-1 Так как Ез — Е~ = Лщ то для объемной плотности энергии излуче- ния получаем А 1 ехр — — 1 (5.78) Сравнивая (5.78) и (1.38), видим, что эти формулы совпадают, если считать, что между коэффициентами Эйнштейна А и В есть связь, которая выражается формулой (5.79) В чем же отличия вынужденного излучения атомов от спонтанного? Отметим следующие свойства вынужденного излучения: 1. Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее. 2. Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны.
3 Вынужденное излучение линейно поляризовано с той же серостью поляризации, что и падающее излучение. 7 ким образом, кванты вынужденного излучения неотличимы первичных стимулирующих квантов. Поэтому вынужденное ение при распространении в веществе отличается от спонниого излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны.
Перечисленные особенности вынужденного излучения являют- „следствием законов сохранения энергии, импульса и момента импульса (А. Эйнштейн, П. Дирак, 1927 г.). Среды с инверсной заселенностью энергетических уровней. Опыт показывает, что вещество в обычных равновесных условиях поглощает излучение и по мере распространения излучения в веществе его энергия уменьшается.
Это уменьшение энергии излучения в пучке, распространяющемся вдоль направления оси ~, описывается законом Бугера, который соответствует экспоненциальному убыванию интенсивности излучения: 1(~) = 10 ехр( — ра). (5.80) Здесь 1(с) — интенсивность излучения в веществе на глубине с >0; 1о — интенсивность излучения на входе в слой вещества. Коэффициент (з называется коэффициентом поглощения вещества Для сред, поглощающих излучение, коэффициент (з положителен (рис. 5.17). 1 А возможно ли создать среду, при распространении в которой электромагнитное излучение будет усили(з<0 ваться? Существуют ли среды с отрицательным коэффициентом погло- 1с щения (см. Рис.
5.17)? утвердительный ответ на эти вопросы был дан в 1939 г. профессо- )г>0 Ром В.А. Фабрикантом, который показал, что среда может усиливать вынужденное излучение, но такая актинная среда должна иметь инверс- Рис. 5.17. Изменение интеи"Ую заселенность энергетических сивиости излучения при расУр~елей. Инверсия (от лат. (лз егз(о — простраиеиии в веществе 305 переворачивание, перестановка) заселенностей энергетических уровней соответствует нестандартной заселенности, когда в среде число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в основном состоянии.
Физический механизм усиления вынужденного излучения при распространении его в активной среде очевиден. Направленный пучок вынужденного излучения встречает на пути распространения атомы вещества. Если такой атом находится в основном состоянии, то он может поглотить квант энергии излучения лоэ (см. рис. 5.15). Если же атом находится в возбужденном состоянии, то под действием падающего излучения он может вынужденно испустить еще один квант излучения (см.
рис. 5.16), увеличивая энергию распространяющегося в веществе излучения на лоэ. Вероятности этих процессов взаимодействия вынужденного излучения с атомами в любом состоянии одинаковы (см. (5.77)). Поэтому при прохождении за время т достаточно тонкого слоя вещества, содержащего У1 невозбужденных атомов и Жг атомов в возбужденном состоянии, будет наблюдаться относительное гпменение энергии излучения, равное— Ьи г Вйоэ(уг Ж1 ) т (5.81) "а,г Из (5.81) следует, что Ьищг < О (среда поглощает излучение), если Фг <М1, и Ьи,„г >О (среда усиливает излучение), если )тг > л11 Замечание. В случае, когда энергетические уровни Е, и Ег вырождены и кратности их вырождения равны Ь1 и Ьг, условие усиления вынужденного излучения имеет вид 1'1г — >— В обычном равновесном состоянии вещества, как это следует из формулы Больцмана (5.69), число Ф1 атомов в основном состоянии всегда больше числа атомов )тг в возбужденном состоянии.
Это означает, что для создания активной среды с инверсной 306 заселенное 1ью энергетических уровней необходимы специальные условия обеспечивающие дополнительную генерацию возбуж„нных атомов. Некоторые из способов создания сред с инверсной заселенностью уровней будут рассмотрены далее при обсуждении „иборов и устройств квантовой электроники. Отметим, что иногда активные среды с инверсной заселеннотью энергетических уровней называют средами с отрицательными температурами. Такое необычное название обусловлено тем, что если в формуле Больцмана (5.69) формально считать температуру среды отрицательной П), то при Т < 0 эта формула даст инверсную заселенность уровней, когда Жз >%1 при Е2 >Еп В среде с отрицательной температурой число атомов с большей энергией превосходит число атомов с меньшей энергией.
Квантовые усилители и генераторы. Идея усиления и генерации вынужденного излучения активной средой была реализована в 1955 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом, Дж. Вебером и другими в США. В первом приборе квантовой электроники — молекулярном генераторе — активной средой являлся пучок молекул аммиака ХНз. Идея создания среды с инверсной заселенностью энергетических уровней была реализована достаточно просто.
Из пучка молекул ЫНз выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащенный возбужденными молекулами пучок представлял собой активную среду. Система, сортирующая молекулы по энергиям, представляла собой сложный (квадрупольный) конденсатор, состоящий из четыРех параллельных стержней, соединенных попарно с высоковольтным выпрямителем (- 30 кВ). Ввиду наличия у молекул дипольного электрического момента, ориентация которого по отношению к электрическому полю различается у невозбужденных и возбужденных молекул, неоднородное электрическое поле конденсатора по-разному отклоняло молекулы аммиака, находящиеся в р~зличных энергетических состояниях.
Молекулы, находящиеся ~~стоянии с меньшей энергией, отклонялись в сторону от оси конденсатора и выводились из молекулярного пучка. Молекулы в возбужденном состоянии отклонялись к оси конденсатора и про"олжали двигаться вдоль нее. Отсортированный таким образом молекулярный пучок с повышенной концентрацией возбужденных 307 молекул направлялся в объемный резонатор, в который подавалось электромагнитное излучение. Взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ч= 24840 МГц (Х= = 1,24 см) усиливалось. При достаточно большом значении коэффициента усиления в резонаторе наблюдалась генерация таких СВЧ-радиоволн.
Молекулярные квантовые генераторы такого типа получили название мазеров. Это название является аббревиатурой английского выражения М!сговаге Атр! Ясаг!оп Ьу Ыти!ше!! ЕтЬ- з!оп оГ' майа!!оп — (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). Молекулярные квантовые усилители применяются в качестве входных каскадов радиоприемных устройств в диапазоне длин волн от 4 мм до 50 см.
Благодаря применению таких усилителей в СВЧ-диапазоне значительно увеличилась дальность действия радиолокаторов, линий космической связи и радиотелескопов. Молекулярные квантовые генераторы позволяют измерять частоты колебаний или промежутки времени с наибольшей достижимой в настоящее время точностью (квантовые стандарты частот, атомные часы). Относительная погрешность измерения частоты с помощью таких устройств составляет 10 — 10 ', а погрешность хода атомных (квантовых) часов не превосходит одну секунду за несколько тысяч лет. Поэтому такие приборы квантовой электроники используются в службе времени и в системах радионавигации. Успешное применение квантовой электроники в области радиоволн дало возможность ее использования и в области более коротких длин волн. Возможность усиления и генерации электромагнитного излучения в оптическом диапазоне была обоснована в работах ~.Г.
Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса, А.Шавлова. В 1960 г. был создан (Т-.-Мейман, США) оптический квантовый генератор, получивший название лазера (Ияй! АтрНЯса!(оп Ьу Ыти!а!ей ЕтЬзшп оГ" Кайа!!оп — усиление света с помощью вынужденного излучения). Первый твердотельный лазер был рубиновым лазером. Рабочим веществом такого лазера являлся монокристапл рубина (корунд А1зОз с примесями ионов хрома Сг + ) в виде цилиндра длиной около 5 см и диаметром приблизительно 1 см. 308 Д„я создания инверсии за- Е,.
3 селе пенностей энергетических овней в лазерах наиболее Ез 2 часто используется метод тРех 1=694,3 нм ровней. Рассмотрим суть это- 1 3 метода на примере рубино- 1 ваго лазера. спе, Рис. 5.18. Трехуровневая схема созЭнергетический дания инверсной заселенности атомов (ионов) хрома содер- уровней жнт три уровня (рис. 5.18) с энергиями Е,, Ез и Ез.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
