3. Оптичні квантові генератори (лазери).

Відомо, що поглинання і розсіювання, які виникають при взаємодії випромінювання з речовиною, приводять до послаблення потоку випромінювання. Але можливі процеси, при яких потік випромінювання, проходячи через речовину, буде навпаки посилюватися, на що вперше вказав Фабрикант (1939 р, радянський вчений). Ці процеси лежать в основі роботи принципово нових джерел випромінювання, які отримали назву мазерів і лазерів, в залежності від діапазону випромінювання. Під мазерами мають на увазі відповідні прилади (генератори і підсилювачі), які працюють в сантиметровому діапазоні радіохвиль. Слово «мазер» виникає із перших літер англійської назви «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (підсилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання)

Використання вимушеного випромінювання для підсилення електромагнітних хвиль в мікрохвильовому діапазоні було запропоновано в 1953 р. незалежно радянськими вченими Басовим і Прохоровим і американським вченим Таунсом, за що вони в 1964 р. були нагороджені Нобелівською премією.

Лазерами називаються генератори і підсилювачі світла в видимій і ближній інфрачервоних областях (в оптичному діапазоні). Лазер («Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання)) вперше був створений в 1960 р. Мейманом (США). Іноді лазери називають оптичними квантовими генераторами.

Одним з перших оптичних квантових генераторів с твердим тілом в якості підсилюючого середовища був лазер на рубіні. Кристал рубіну представляє собою окис алюмінію () з невеликою (0,03 – 0,05 %) добавкою окису хрому (). В даному випадку в кристалічній решітці окису алюмінію визначена частка томів алюмінію Al замінена іонами , іони є активною речовиною, в якій відбуваються вимушені переходи, а алюміній і кисень залишаються інертними.

Рис. 9.3.1

Конструкція лазера показана на (рис. 9.3.1.) Тілом слугує циліндр із рубіну, довжина якого приблизно 5 см, а діаметр стержня – 1 см. Торці рубінового стержня ретельно відполіровані і паралельні з високим ступенем точності. Один торець покритий непрозорим шаром срібла, інший – таким шаром срібла, який пропускає ~ 8% діючої на нього енергії. Рубіновий циліндр оточений витками спіральної імпульсної лампи, за рахунок енергії випромінювання якої і відбувається збудження. Спрощена енергетична схема рівнів зображена на (рис. 9.3.2)

Рис. 9.3.2

Вона вміщує близькі до головного рівня дві широкі полоси – 2, і подвійний рівень – 3, переходи з якого на основний рівень – 1 відповідають довжині хвилі червоного світла .

При інтенсивному опроміненні рубіну зеленим світлом потужної імпульсної лампи відбувається перехід іонів хрому на рівні широкої полоси, звідки найбільш вірогідним являється безвипромінювальний перехід () на подвійній рівень з передачею надлишку енергії кристалічної решітки рубіну (можливі також спонтанні переходи , але вони незначні). Перехід () заборонений правилами відбору, тому середній період життя іона в стані 3 (~ ) приблизно в разів перевищує період життя в звичайному збудженому стані. Таким чином можна створити умови, при яких населеність іонами подвійного рівня буде перевищувати населеність головного рівня і отримати оптичний генератор на цих лініях, тобто будуть відбуватися переходи (ймовірність заборонених переходів значно менше, ніж дозволених, але відмінна від нуля) з випромінюванням фотона з . Якщо тепер на рубін направити світло такої ж довжини хвилі, тобто створити вимушене випромінювання, то перехід іонів хрому буде відбуватися значно швидше, ніж при спонтанному випромінюванні, тобто початковий сигнал багаторазово підсилюється. Як уже було сказано, фотони, які виникають при вимушеному випромінюванні, прямують в тому ж напрямку, куди і падаючі фотони.

До початку імпульсу іони хрому знаходяться в основному стані.

Світло накалювання переводить більшість іонів в збуджений стан. Каскад починає розвиватися, коли збуджені іони спонтанно випромінюють фотони в напрямку, паралельному осі кристала, фотони ж, випущені по іншим напрямкам, із кристалу виходять. Фотони розмножуються за рахунок вимушеного випромінювання, процес розвивається, так як фотони зазнають багаторазового відбиття від торців. При достатній інтенсивності пучка, його частина виходить через напівпрозорий торець.

Хоча лазери на рубіні і працюють в імпульсному режимі, але всередині кристалу виділяється велика кількість тепла, тому приміняють систему охолодження (рідке повітря).

Використання в якості робочої речовини газу (наприклад, перший газовий лазер працював на суміші гелію і неону, 1961 р.) дозволило зробити лазери неперервної дії. Перші напівпровідникові лазери були створені в 1963 році, проводяться пошуки підходящих речовин для рідких лазерів.

Промінь лазера суттєво відрізняється від звичайного променя світла, що визначає його широке застосування. Випромінювання лазерів характеризується наступними особливостями:

а) часова і просторова когерентність (просторова когерентність значить, що визначені фазові співвідношення зберігаються не тільки на проміжку часу в даній точці простору (тимчасова когерентність), але і між коливаннями в різних точках простору);

б) сувора монохроматичність ();

в) велика потужність;

г) вузькість пучка.

Зважаючи на високу когерентність і гостру направленість випромінювання оптичних генераторів, вони можуть з високою ефективністю використовуватися для зв’язку, локації, отримання високих температур. Наприклад, при ширині смуги випромінювання в на довжині хвилі в 1 мкм теоритично можливо здійснити передачу 10 000 радіопередач. За допомогою сучасних молекулярних генераторів можна здійснювати зв’язок на відстані ~ 10 світових років. Енергія імпульсу лазера порядку 1 Дж, а час імпульсу ~ 1 мксек. Внаслідок чого, потужність імпульсу – 1000 Вт. Якщо такий промінь сконцентрувати на поверхні з площею в 100 , то питома потужність під час імпульсу складатиме , при якій будь-які тугоплавкі матеріали перетворюються в пар. Звідси виникають преспективи використання лазерів для обробки тугоплавких і надміцних матеріалів.

Промені лазеру вже знайшли застосування в техніці (мікросварка і пробивання отворів) і в медицині (в якості «хірургічного ножа» під час операцій на очах).

Але потрібно відзначити, що на сьогодні все ще не всі характеристики квантових генераторів відомі, а відомі – ще далекі від можливих. Тому області їх застосування в недалекому майбутньому чисельні.