Квантовые генераторы

В первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе активной средой являлся пучок молекул аммиака NН₃, из которого с помощью сложного квадрупольного конденсатора выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащённый возбуждёнными молекулами пучок представлял собой активную среду. В объёмном резонаторе, взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ν = 24840 МГц усиливалось.

Молекулярные квантовые генераторы такого типа, работающие в СВЧ диапазоне, получили название мазеров. Они применяются в радиолокаторах,

12 - 5

радиотелескопах, линиях космической связи, в устройствах для измерения частоты колебаний и промежутков времени с высокой точностью.

В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор, получивший название лазер.

Обычно в возбуждённом состоянии атомы находятся лишь 10^-9 – 10^-7 с. Однако некоторые атомы имеют возбуждённые состояния, в которых они могут находиться довольно длительное время, например, 10^-3 с. Такие состояния называются метастабильными.

Процесс перевода среды в инверсное состояние, необходимое для работы ОКГ, называется накачкой усиливающей среды. Практически накачка осуществляется по трёхуровневой схеме. В первом лазере, работающем по трёхуровневой схеме был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды (Al₂O₃ c примесью Cr₂O₃) Активным веществом служили ионы Cr^{3 +} .

Ближайшими к основному уровню С в Cr^{3 +} являются две широкие энергетические зоны А и двойной метастабильный уровень В.

Интенсивное облучение рубина зелёным светом мощной импульсной лампы накачки, наполненной неоном и криптоном переводит ионы хрома на уровни зоны А, откуда происходят безизлучательные переходы на уровни В. Избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. В результате создаётся инверсная заселённость ионами хрома уровней В и оптический квантовый генератор работает на двух линиях красного света λ = 692,7 нм и λ = 694,3 нм, соответствующих переходу ионов хрома с уровней В на уровень С.

Лавинообразное нарастание интенсивности в активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электромагнитных волн.

12 - 6

Эффект усиления света в ОКГ увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой усиливающей среды.

Фотон, движущийся параллельно оси активной среды 1, рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины (~8%) пройдёт через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть (92%) отразится и будет нарастать в активной среде. Часть лавины фотонов, дошедших до сплошного зеркала 2, поглотится в нём, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный затравочный фотон. Многократно усиленный поток фотонов, вышедший из ОКГ сквозь полупрозрачное зеркало 3, создаёт пучок света большой интенсивности, остро направленный, с малым расхождением.

Опыт показывает, что генерация света возникает только при определённой длине резонатора (расстоянии между зеркалами) кратному целому числу полуволн

.

В этом случае на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т.е. в резонаторе образуется стоячая волна.

Мощность светового излучения импульсного лазера (время высвечивания 10^-8 – 10^-10 с) может быть более 10⁹ Вт т.е. превышать мощность крупной электростанции.

ВОПРОСЫ К РУБЕЖНОМУ КОНТРОЛЮ

1. Законы теплового излучения: