§ 57. Квантові генератори та їх застосування

Спонтанне і вимушене випромінювання. Як ми знаємо, перехід квантової системи (атома, йона, молекули) з одного енергетичного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням кванта електромагнітного випромінювання. Досі ми говорили лише про такий механізм випромінювання (теплового випромінювання, люмінесценції), за якого атом переходить на нижчий енергетичний рівень спонтанно (самодовільно, без будь-якого зовнішнього впливу) (мал. 241, а).

Мал. 241. Механізм спонтанного (а) та вимушеного (б) випромінювання

Перейти на нижчий енергетичний рівень та випромінити квант енергії квантова система може і під впливом зовнішнього електромагнітного поля (мал. 241, б). Таке випромінювання називають вимушеним (індукованим). Характерною особливістю вимушеного випромінювання є те, що воно тотожне первинному падаючому на речовину випромінюванню, тобто збігається з ним за частотою, напрямками поширення й поляризації та когерентне в усьому об’ємі речовини. Цю особливість використовують у джерелах потужного когерентного випромінювання — квантових генераторах (лазерах, мазерах).

З’ясуймо деякі особливості механізму індукованого випромінювання. Припустимо, що через речовину проходить електромагнітна хвиля. Як відомо, за рахунок поглинутої енергії частина атомів речовини переходить у збуджений стан (вищий за енергією). Збуджений атом може віддати свою енергію, що дорівнює hυ = Е₂ - Е₁, сусіднім атомам під час зіткнення чи випромінити фотон у будь-якому напрямку. Якщо зовнішня електромагнітна хвиля має частоту

то вона ніби «струшує» зі збудженого атома подібні до себе кванти випромінювання, не витрачаючи на це енергії. Під її дією атоми узгоджено переходять на нижчі енергетичні рівні, випромінюючи хвилі, які збігаються за частотою та фазою з падаючою хвилею.

У випадку квантової системи, що має два енергетичні рівні (загальна кількість рівнів завжди велика, але йдеться про «діючі» рівні), якою б потужною не була зовнішня хвиля, кількість збуджених атомів буде не більшою ніж незбуджених. Бо хвиля одночасно збуджує атоми та спричинює індуковані переходи з верхнього рівня на нижній.

Для створення потужного індукованого випромінювання необхідна така квантова система, де кількість атомів у збудженому стані перевищувала б кількість атомів в основному стані (говорять, система з інверсним станом). Такою може бути квантова система з трьох енергетичних рівнів.

Принцип дії квантових генераторів. Можливість індукованого (вимушеного) випромінювання передбачив ще 1917 р. Альберт Ейнштейн. Можливість інверсного заповнення електронами енергетичних рівнів атома передбачив радянський фізик Валентин Олександрович Фабрикант у 1939 р. Таким чином зародилась нова галузь фізики — квантова електроніка, розвиток якої спричинив створення квантових генераторів — мазерів і лазерів.

У 1951-1954 рр. радянські фізики Микола Геннадійович Басов й Олександр Михайлович Прохоров запропонували застосовувати для збудження атомів газорозрядну лампу, яка оточує прозорий стержень. Під час спалаху цієї лампи атоми стержня переходять у збуджений стан, після чого можливе підсилення світла. 1954 р. Микола Басов і Олександр Прохоров та американський фізик Чарлз Таунс сконструювали прилад, який працює на довжині хвилі λ = 1,27 см, його назвали «мазер», а в 1960 р. в США вдалося побудувати прилад, який випромінює в оптичному діапазоні; його назвали «лазер».

Квантові генератори — це джерела когерентного електромагнітного випромінювання з певною частотою та високою напрямленістю.

Лазер — квантовий генератор когерентних хвиль оптичного діапазону. Назва «лазер» є абревіатурою англійської фрази: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — підсилення світла за допомогою індукованого (вимушеного) випромінювання.

Мазер — генератор когерентного вузько напрямленого монохроматичного електромагнітного випромінювання сантиметрового радіодіапазону (ультракороткі хвилі). Принцип його дії подібний до принципу дії лазера й ґрунтується на вимушеному випромінюванні.

Розглянемо принципі дії рубінового лазера, схему якого наведено на малюнку 242. Він складається зі штучного рубінового стержня (окис алюмінію з домішками хрому), торці якого точно паралельні, гладенько відполіровані й покриті сріблом, причому лівий торець роблять непрозорим, а правий (вихідний) — напівпрозорим.

Мал. 242. Схема рубінового лазера

Світлове випромінювання лазера створюють атоми Хрому. Саме атоми Хрому в кристалі мають три енергетичні рівні (мал. 243), для збудження яких використовують спеціальну потужну газорозрядну лампу, що має форму спіралі й дає синьо-зелене світло.

Мал. 243. Енергетичні рівні атомів Хрому

У разі опромінення світлом ксенонової лампи атоми хрому переходять з основного енергетичного рівня 1 на збуджений рівень 3. На рівні 3 електрон перебуває не довго, приблизно 10^-8 с, після цього самовільно без випромінювання переходить до стану 2 (енергія при цьому передається кристалічним ґраткам). На рівні 2 електрони можуть перебувати тривалий час (приблизно 10^-3 с), чим забезпечується інверсний (перенаселений) стан. У цьому разі кристал рубіна є активним середовищем. Якщо тепер декілька електронів перейдуть зі стану 2 в стан 1, вони стимулюють вимушене випромінювання інших атомів, і починається лазерна генерація.

Унаслідок переходів 2 → 1 випромінюються фотони в різних напрямках. Ті з них, які йдуть під кутом до осі кристала, виходять з нього і для наступних процесів не мають ніякого значення. А хвиля, що проходить уздовж осі кристала, багато разів відбивається від спеціальних дзеркал, які нанесені на торцях кристала й утворюють так званий резонатор. Хвиля індукції випромінювання збуджених атомів хрому швидко підсилюється. Через один з торців стержня (напівпрозорий) виходить потужний короткочасний імпульс червоного світла. Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Але є лазери безперервної дії. Наразі розроблено різні лазери на склі, газах, напівпровідниках і т. ін. Коефіцієнт корисної дії газового лазера на СО2 досягає 20 %, саме їх використовують у промисловості.

Лазерне випромінювання має такі властивості:

лазери здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності;
світло лазера є монохроматичним;
лазер є найпотужнішим джерелом світла.

Лазери використовують для зв’язку в космосі, випаровування або зварювання матеріалів у вакуумі, в хірургічних операціях (офтальмологія), для збудження хімічних реакцій, здійснення керованої термоядерної реакції та ін.

Поняття про нелінійну оптику. Квантові генератори створюють світлові пучки дуже високої інтенсивності. Вектор напруженості такої хвилі змінює оптичні характеристики середовища, у якому поширюється хвиля (показник заломлення, коефіцієнт поглинання тощо), тобто поляризація середовища нелінійно залежить від напруженості поля хвилі. При поширенні таких хвиль порушується принцип суперпозиції, і хвилі можуть впливати одна на одну.

Нелінійний характер залежності між поляризацією середовища й напруженістю діючого світлового поля веде до виникнення нових оптичних ефектів і до істотних змін у перебігу вже відомих оптичних явищ.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Яке випромінювання називають спонтанним і чому воно є некогерентним? 2. Яке випромінювання називають вимушеним (або індукованим)? Виконайте малюнок і поясніть процес утворення вимушеного випромінювання. 3. Поясніть принцип дії рубінового лазера. 4. Чим відрізняється лазерне випромінювання від випромінювань, створюваних іншими джерелами світла? 5. Назвіть основні сфери застосування лазерів.

Зміст