3. Индуцированное излучение атомов.

Излучение одного атома чрезвычайно мало, большого числа атомов крайне неупорядочено. Поиски управления излучением атомов или молекул для получения мощных потоков когерентного излучения привели к созданию мазеров – молекулярных усилителей, затем лазеров (квантовых генераторов). Именно эти вопросы являются основными в квантовой электронике, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем.

Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники. Эйнштейн доказал, что кроме двух явлений (поглощения и испускания) для атома существует ещё одно – вынужденное или индуцированное излучение, сущность которого заключается в следующем. Фотон света, пролетая мимо возбуждённого атома, превращает его в невозбуждённый атом (если энергия фотона совпадает с энергией возбуждённого атома), который излучает новый фотон. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться два одинаковых фотона: один – первичный, внешний, а второй – вторичный, излучаемый. Два фотона, пролетая в свою очередь мимо других возбуждённых атомов, переведут их также в нормальное состояние с излучением ещё двух фотонов.

Число вынужденных переходов, совершённых в секунду, будет зависеть от числа фотонов, попадающих в вещество. Кроме того, вынужденный переход будет определяться заполненностью или заселённостью соответствующих энергетических уровней. При таком излучении происходит лавинообразное увеличение числа фотонов, т.е. усиление света. Такое излучение и называется индуцированным. Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном излучении (когерентном усилении). Существование индуцированного излучения было предсказано Эйнштейном теоретически. Его следовало проверить экспериментально.

В атоме «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Вторичные фотоны, возникающие в результате индуцированного излучения, а также многие фотоны внешнего воздействия будут поглощаться атомами, расположенными на более низких уровнях. В результате поглощение будет больше, чем излучение и усиление света не произойдёт. Чтобы осуществить усиление света, необходимо кроме внешнего воздействия, подобрать такую активную среду, в которой число возбуждённых атомов было бы больше числа невозбуждённых атомов, т.е. распределение в атоме электронов должно быть обратным больцмановскому (инверсия населённости). В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.

4. Оптические квантовые генераторы (лазеры).

Явление вынужденного излучения используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Первый такой генератор в диапазоне СВЧ был сконструирован в 1955 году независимо друг от друга советскими учёными Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым и американским учёным И. Таунсом. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. В 1969 году был создан первый генератор видимого диапазона с рубином в качестве рабочего вещества.

Р ассмотрим принцип получения индуцированного излучения на примере рубинового лазера, главной частью которого является рубин – кристалл окиси алюминия Al₂O₃ с примесью трехвалентных ионов хрома Cr³⁺ (0,03 – 0,05%). В качестве внешнего воздействия, или так называемой накачки, используется импульсная ксеноновая лампа (ИЛ), спирально расположенная вокруг рубинового стержня. Плазма, возникающая в результате разряда в импульсной лампе, излучает мощный поток света, который поступает в глубину рубинового стержня. Из всего потока света полезными являются лишь зелёные лучи (λ=560 нм). Они возбуждают атомы хрома (рис.4), переводя их с уровня 1 на уровень 3. На этом уровне многие атомы хрома долго не задерживаются, а переходят на более низкий уровень 2, расположенный близко к уровню 3. Этот переход безизлучательный (тепловое излучение). В результате такого перехода повышается температура кристаллической решётки рубина. Возбуждённые атомы могут переходить с уровня 1 на уровень 3 за время t=10^-6; с 3 на 2 (t=10^-8); с 2 на 1 (t=10^-3).

Как видно, самое большое время требуется для перехода атомов с уровня 2 на уровень 1, поэтому уровень 2 будет наиболее заселённым возбуждёнными атомами. Этот уровень называется метастабильным (неустойчивым или временно устойчивым). Если фотон внешнего воздействия пролетает мимо возбуждённого атома, находящегося на уровне 2, то атом перейдёт на уровень 1, излучив фотон красного света (λ=694,3 нм). Возникает когерентное индуцированное излучение.

Кристалл рубина имеет удлинённую цилиндрическую форму со строго параллельными отшлифованными торцами (представляет зеркальный резонатор). Передний торец его полупрозрачен, а задний не прозрачен. Длина рубинового стержня ограничена. Использование стержня длиной более 30 см не представляется возможным, т.к. усложняется накачка атомов и фокусировка излучения. Поэтому для увеличения пути фотонов их заставляют многократно отражаться от зеркальных торцовых поверхностей. Поток фотонов, движущийся параллельно оси кристалла, выходит через полупрозрачный торец, фокусируется линзой и направляется на мишень в виде остронаправленного когерентного луча. Оптический квантовый генератор на рубине работает в импульсном режиме. Энергия генерации за время одного импульса накачки достигает 1000 Дж.

Н аряду с кристаллическими лазерами широкое распространение получили газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется газ. Достоинством таких лазеров является непрерывность режима излучения. Первый газовый лазер представлял кварцевую трубку, заполненную смесью газов гелия и неона. Возбуждение газа проводилось с помощью высокочастотного (ВЧ) генератора с частотой в несколько десятков мегагерц (в трубку были вмонтированы электроды). Излучающими в нём были атомы неона. Атомы гелия играли вспомогательную роль. На рис.5 изображена упрощённая схема энергетических уровней атомов гелия и неона. При электрическом разряде часть атомов неона с основного уровня 1 переходит на возбуждённый уровень 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 и 2. Для создания инверсии населённости необходимо увеличить населённость уровня 3 и уменьшить на уровне 2. Внесение в смесь гелия создаёт такие условия. Первый возбуждённый уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона. Возбуждённые атомы гелия при неупругих соударениях с невозбуждёнными атомами неона переводят их в возбуждённое состояние, а сами возвращаются в исходное состояние. В результате этого удаётся добиться преимущественного заселения верхних уровней рабочего газа-неона. Верхние уровни (2, 3) обладают сложной структурой, они состоят из множества подуровней. Поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на многих длинах волн в области видимого и инфракрасного излучения. Так, красным гелий-неоновым лазером излучается (переход 3→2) длина волны 632,8 нм. Вследствие того, что при однократном прохождении луча в активной смеси он усиливается незначительно, применяют внешние отражающие пластины в виде резонаторных зеркал. Создаются условия для самовозбуждения и поддержки генерации. Отражающие пластины могут располагаться и внутри газового лазера. Если торцы трубки имеют вид стеклянных пластин, расположенных под углом Брюстера, то выходящий лазерный луч будет не только высокомонохроматичным и узконаправленным, но и поляризованным.