Квантовые усилители (генераторы) света. Лазеры.

Действие квантовых усилителей (генераторов) электромагнитных волн основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля.

Чтобы среда усиливала излучение необходимо создать такое неравновесное состояние, в котором число атомов в возбужденном состоянии было бы больше, чем число атомов в основном состоянии (в противном случае происходит поглощение излучения). Такое неравновесное состояние называется состоянием с инверсной заселенностью. Впервые на возможность усиления излучения при прохождении через среду с инверсной заселенностью было указано В.А.Фабрикантом в 1939г. в докторской диссертации. Квантовые генераторы видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения называют лазерами (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation —усиление света вынужденным излучением), а микроволнового излучения (СВЧ) — мазерами. Первый мазер был создан в 1954г. (Басов, Прохоров, Таунс) на молекулах аммиака, который генерировал электромагнитное излучение с частотой 24840МГц (см). Первый лазер (на рубине) был создан в 1960г (Т.Мейман, США).

Впростейшем случае инверсную заселенность удается реализовать по трехуровневой схеме (предложена Басовым, Прохоровым, Таунсом в 1957 г.). При этом вероятность пререходас уровня 3 на уровень 2 должна быть значительно больше, чем. Таким образом, электроны переводятся с помощью системы накачки с уровня 1 на 3 (Рис.9.3). Затем, большинство электронов осуществляют спонтанный безизлучательный переход(энергия превращается в тепловую). Инверсная заселенность реализуется, если концентрация атомов в состоянии 2 больше, чем концентрация в основном состоянии:. Состояние с инверсной заселенностью является неустойчивым. Если в этот момент в вещество попадает фотон с энергией, то он вызывает вынужденные переходы (с излучением фотонов той же частоты, поляризации, фазы, направления распространения) атомов в основное состояние. Осуществляется лавинобразный процесс нарастания числа фотонов. Интенсивность света увеличивается по закону, где. Если инициирующий фотон попадает в активную среду извне, то тогда осуществляется усиление света проходящего через вещество. Если же затравочные фотоны возникают в результате спонтанных переходов внутри самой активной среды, то реализуется режим генерации излучения.

Лазер имеет три основных компоненты:

1. Активную среду, в которой создается состояние с инверсной заселенностью.

2. Систему накачки: устройство для создания инверсной заселенности.

3. Оптический резонатор: устройство выделяющее в пространстве избирательное направление пучка фотонов. При отсутствии оптического резонатора излучение происходит с одинаковой интенсивностью во всех направлениях и наблюдается явление сверхлюминесценции.

Для создания инверсной заселенности необходимо, чтобы длительность накачки (вспышки) была меньше, чем время жизни электрона на метастабильном уровне.

Свойства лазерного излучения:

1. Высокая пространственная и временная когерентность: с,м.

2. Строгая монохроматичность: м.

3. Большая плотность потока энергии (интенсивность): Вт/м. Напряженность электрического поля в лазерном луче в сто раз больше чем в поле протона на основном уровне атома водорода.

4. Очень малое угловое расхождение в пучке

Коэффициент полезного действия лазеров колеблется от в гелий неоновом лазере дов лазере на стекле с неодимом. В газовом лазере непрерывного действия на:мкм,.

Лазеры классифицируются по:

1. Типу активной среды: твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные.

2. Методам накачки: оптическая, химическая, тепловая, электроионизационная, газоразрядная, газодинамическая, электронным пучком, инжекция носителей через переход.

3. Режиму генерации: импульсного и непрерывного действия.

Разрабатываются также разеры (рентгеновские лазеры) и гразеры (лазеры на -лучах).

Минимальная длительность импульса лазера с. Длительность рентгеновских импульсовс.

Лазеры широко используются в различных областях деятельности человека. Обширность их использования обуславливается способностью лазерного излучения концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале. Основные направления использования:

1. В медицине для лазерной хирургии и терапии.

2. Для научных исследований в области термоядерного синтеза, получения пятого и шестого состояния вещества (бозе и ферми конденсата), создания точных физических приборов.

3. Системы передачи сигналов по оптоволоконных линиях связи, записи и чтения оптических и магнитооптических компакт дисков.

4. Создание оптических процессоров.

5. Системы лазерного наведения, лазерные дальномеры, системы уничтожения тактических и межконтинентальных ракет.

6. Лазерная резка, сварка и сверление.

7. В металлургии для получения сверхчистых металлов, выплавляемых в вакууме или в контролируемой газовой среде.

8. В экологии для контроля распределения загрязнений в атмосфере, скорости воздушных течений, температуры и химического состава атмосферы.

Ученым из компании Bell Labs удалось разработать лазер нового поколения, используя в качестве полупроводника для изготовления многокаскадного полупроводникового лазера фотонные кристаллы¹. Полученный лазер обладает уникальными свойствами. Его размер составляет всего 50 микрон, что вдвое тоньше диаметра человеческого волоса. При помощи встроенных фотонных кристаллов удалось направить поток излучения от боков к поверхности пленки и заставить лазер излучать в любом, заранее выбранном, направлении. Таким образом, для использования нового лазера не нужны дополнительные устройства фокусировки, что позволит расширить область применения полупроводниковых лазеров (например, встраивать его в полупроводниковые схемы).

1Фотонный кристалл, являющийся неотъемлемой частью нового лазера, представляет собой полупрозрачный диэлектрик с определенной периодической структурой и уникальными оптическими свойствами. Уникальность его заключается в том, что фотонный кристалл обеспечивает почти полное управление движением проходящего через него света. Такие возможности достигаются за счет наличия в кристалле диэлектрика равномерно распределенных мельчайших отверстий. Их диаметр подобран таким образом, что они пропускают световые волны лишь определенной длины, а остальные частично отражают или поглощают. При определенном физическом воздействии на кристалл, например, звуковыми волнами, длина световой волны, пропускаемой кристаллом, и направление ее движения могут значительно меняться.

13