3. Квантовые явления в физических средах.Квантовые генераторы: физическая сущность, виды и особенности лазеров, области применения

В различных средах, особенно в так называемых «активных» средах имеются квантовые эффекты, которые с успехом могут быть использованы в прикладном плане. Так например в результате накачки атомов активной среды внешней электрической или световой энергией электроны в среде переводятся на более высокий уровень, чем они находятся в обычном состоянии, а затем уже самопроизвольно перебрасываются на нижний уровень, испуская электромагнитную волну строго определенной частоты. При этом испускание фотонов света частью атомов стимулирует механизм испускания фотонов другими атомами, получается лавинный процесс, в котором все испускаемые фотоны синфазируются друг с другом. На это основан принцип действия квантовых генераторов.

Квантовый генератор - это генератор электромагнитных волн, в котором использовано явление вынужденного излучения. Квантовый генератор радио-диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) так же как и квантовый усилитель этого диапазона часто называют мазером. Первый квантовый генератор был создан в диапазоне СВЧ в 1955 г. одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). В качестве активной среды а нем использовался пучок молекул аммиака. Поэтому он получил название молекулярного генератора. В дальнейшем был построен квантовый генератор на пучке атомов водорода, стабильность частоты в нем составляла 10^-13, в силу чего такие генераторы используются как стандарты частоты для целей высокоточного измерения вре­мени.

Квантовые генераторы оптического диапазона - лазеры появились в 1960 г. Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стеклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от других источников света лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия которых концентрируется в очень узком телесном угле.

Первый лазер был создан в США с использованием монокристалла рубина. Источником накачки была лампа-вспышка. Эти лазеры в дальнейшем оказались рекордсменами в части энергии импульса. При средней энергии из­лучения в 3 Дж вследствие очень короткого импульса в 1-10 нс, получается мощность одного импульса, исчисляемая миллиардами Вт.

Затем были созданы газовые лазеры, работающие на смели гелия и неона, а затем полупроводниковые. В газовых лазерах накачка происходит за счет газового разряда в рабочем теле. Особенно перспективен для юстировочных и нивелировочных работ газодинамический лазер на СО₂.

В полупроводниковых лазерах накачка происходит за счет инжекции (проникновения) носителей тока через электронно-дырочный переход. Полупроводниковые лазеры отличает высокий кпд и относительная большая мощность непрерывного излучения.

Применение лазеров очень широкое - считывание информации с оптических носителей, измерение дальности (впервые с помощью установленного на Луне уголкового отражателя было измерено расстояние до Луны с точностью 1,5 м), обработка материалов и др. Лазеры нашли применение в микробиоло­гии, медицине, фотохимии, катализе, топографии и пр.