Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 46
Текст из файла (страница 46)
В случае, когда энергетические уровни Е, н Е2 вырож.! девы н кратности нх вырождения равны Ь, н Ь~, условие усиления вынужденного излучения имеет внл В обычном равновесном состоянии вещества, как это следует из формулы Больцмана (5.69), число л(1 атомов в основном состоянии всегда больше числа атомов 1т'2 в возбужденном состоянии. Это означает, что для создания активной среды с инверсной еленностью энергетических уровней необходимы специальные у ловня, обеспечивающие дополнительную генерацию возбуженных атомов. Некоторые из способов создания сред с инверсной заселенносгью уровней будут рассмотрены далее при обсуждении зриборов 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 (!), то при Т < 0 эта формула даст инверсную заселенность уровней, когда Ф2 >Ж~ при Ез >Ег 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 ХНз 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 Различных энергетических состояниях. Молекулы, находящиеся состоянии с меньшей энергией, отклонялись в сторону от оси конденсатора и выводились из молекулярного пучка.
Молекулы в возбужденном состоянии отклонялись к оси конденсатора и продолжали 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 у = 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 М1сгоыаге Атр1фсайоп Ьу Яйти1агей Етиз1оп о1' Яайайоп — (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 генерапии электромагнитного излучения в оптическом диапазоне была обоснована в работах Н.Г.
Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса, А.Шавлова. В 1960 г. был создан (Т-.-Мейдан, США) оптический квантовый генератор, получивший название лазера (1,18йг Атр!фсайоп Ьу Ыти1шед Етияоп о1". Кайагюп — усиление света с помощью вынужденного излучения). Первый твердотельный лазер был рубиновым лазером. Рабочим веществом такого лазера являлся монокристалл рубина (корунд А1зОз с примесями ионов хрома Сг + ) в виде цилиндра длиной около 5 см и диаметром приблизительно 1 см. 308 Д 1 соэдания инверсии за- Ез.
3 ленностей энеРгетических вней в лазерах наиболее ез 2 часто используется метод тРех 1=694,3 им „ровней. Рассмотрим суть это- 1 о метода на примере рубино- 1 ного лазера. спе†, ис.5ЛЗ. ТРехуровневая схема Энергетический ма со е дания инвеРсной заселенности жит тРи УРовнЯ (Рис. 5.13) с энергиями Е1, Е2 н Е Верхний уровень 3 на самом деле представляет собой достаточно широкую полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней. Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть мета- стабильным уровнем.
Это означает, что переход 2-+1 в такой системе запрещен законами квантовой механики. Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода. Правила отбора не являются правилами абсолютного запрета перехода 2 -+1. Однако их нарушение для некоторого квантового перехода значительно уменьшает его вероятность.
Попав в такое метастабильное состояние, атом задерживается в нем. При этом время жизни атома в метастабильном состоянии (-10 с) в сотни тысяч раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии (-10 ~ с). Это обеспечивает возможность накопления возбузкценных атомов с энергией Е2. Поэтому на достаточно большое с точки зрения атомных процессов время удается создать инверсную заселенность уровней 1 и 2. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой. Существуют различные физические механизмы накачки.
В рубиновом лазере (Рис 5.19) используется импульсная оптическая накачка. Для этого кристалл рубина освещается ксеноновой газоразрядиой лампой, работающей в импульсном режиме. длительность вспышки имеет порядок 10 с, а мощность накачки в одном им"ульсе составляет десятки миллионов ватт. За счет прохождения 309 импульса тока через газовый промежуток ксенон нагревается до нескольких тысяч градусов и испускает мощный световой импульс, содержащий оптическое излучение различных длин волн. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксено новой лампы, кристалл рубина с лампой накачки помещают в фо. кусе эллиптической полости с хорошо отражающей внутренней поверхностью.
Лампа накачки Зе Рнс. 5.19. Основные элементы рубинового лазера Поглощая 10 ... 15 % лучистой энергии этого излучения, атомы хрома переходят в возбужденное состояние с энергией Ез (1 — > 3 на рис. 5.18). Время жизни таких возбужденных атомов меньше 10 ~ с. За это время атомы хрома переходят на более низкий мета- стабильный энергетический уровень с энергией Ез.
Такой переход 3-+ 2 является безызлучательным, т. е. происходит без испускания фотона, а избыток энергии при этом передается от атома хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2. На это время рубиновый стержень превращается в активную среду, которая может усиливать вынужденное излучение с длиной волны 1=694,3 нм, сожветствующее переходу 2 †>1. Если в результате спонтанного перехода вблизи левого торца стержня одждается фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он ищ~цнрует новые фотоны, точно копирующие первоначальный.
Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер. В результате вынужденное излучение с дяиной волны 2,=694,3 нм (красный свет), распространяясь вдоль оси рубинового стержня, усиливается. 310 для того чтобы такой оптический усилитель превратить в оп- нческий генератор когерентного лазерного излучения, необходимо обеспечить положительную обратную связь, т. е.
усиленный „„„ок излучения снова направить в активную среду. Такую обрат- ю связь обеспечивает оптический резонатор, состоящий из двух строго параллельных плоских зеркал (см. Рис. 5.19), расположенных вблизи торцов рубинового стержня. Отражающими зеркалами могут служить и хорошо отполированные и посеребренные торцы самого кристалла. Отражение излучения от двух параллельных зеркал оптического резонатора приводит к тому, что в нем могут существовать лишь такие электромагнитные волны, для которых выполняется условие образования стоячей волны: 21 =т2„ т =1, 2,...
Здесь 1 — размер оптического резонатора, т. е. расстояние между зеркалами. Такие резонансные колебания в оптическом резонаторе лазера называются модами. В наиболее 1 благоприятном режиме усиления оказываются моды, частоты которых находятся вблизи вершины спектральной линии излучения активной среды (Рис. 5.20). Более ш удаленные от вершины моды при Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
