35. Основы квантовой электроники

35.1. Взаимодействие излучения с веществом

Рассмотрим процессы взаимодействия атома с полем излучения. Для простоты будем считать, что атом может находиться в двух состояниях с энергиями W_m и W_n, причем W_m<W_n.

Возможны три типа взаимодействий излучения с атомом (рис. 35.1).

Рис. 35.36

1. Поглощение. В результате поглощения фотона атом переходит с более низкого уровня энергии W_m на более высокий W_n (рис. 35.1, а).

2. Самопроизвольное (спонтанное) излучение. Атом самопроизвольно, без внешних воздействий переходит с более высокого уровня W_n на более низкий W_m, излучая фотон энергии h=W_n–W_m (рис. 35.1, б).

3. Вынужденное (индуцированное) излучение. Под воздействием фотона атом переходит с более высокого уровня на более низкий, излучая фотон с той же энергией, что и у первоначального (рис. 35.1, в). Этот тип излучения был теоретически предсказан А. Эйнштейном в 1916 г.

В состоянии термодинамического равновесия число прямых (W_mW_n) и обратных (W_nW_m) переходов одинаково, что приводит к соответствующим соотношениям между коэффициентами Эйнштейна, определяющими вероятности этих переходов (см. прил. 6).

35.2. Инверсная заселенность

В равновесных условиях число атомов на различных уровнях энергии (заселенность уровней) подчиняется распределению Больцмана. Для двухуровневой системы

.

(35.1)

где N_n и N_m — число атомов, находящихся на уровнях энергии W_n и W_m, причем W_m<W_n (рис. 35.2).

Рис. 35.36

Как правило, при комнатных температурах N_n << N_m. В связи с этим, если на слой вещества падает излучение с частотой , то по мере проникновения излучения в глубь вещества будет наблюдаться его ослабление. В этом случае поглощение света преобладает над вынужденным излучением, т.е. коэффициент поглощения k оказывается положительным и поэтому в соответствии с законом Бугера (28.17) при распространении света внутри вещества его интенсивность экспоненциально убывает (рис. 35.3).

Рис. 35.36

Усиление света можно получить, если вынужденное излучение преобладает над поглощением. Для этого нужно создать среду с так называемой инверсной заселенностью. Это означает, что N_n (число атомов на более высоком уровне) должно быть больше N_m (число атомов на более низком уровне) — рис. 35.4. Тогда фотон с частотой n=(W_n–W_m)/h, взаимодействуя с возбужденными атомами, будет инициировать вынужденные переходы W_nW_m. В результате число актов излучения (переходы W_nW_m) будет преобладать над числом актов поглощения (переходы W_mW_n), вследствие чего произойдет усиление света. В законе Бугера в этом случае k<0 и I>I₀ (рис. 35.3).

Рис. 35.36

Среда с инверсной заселенностью формально характеризуется отрицательной абсолютной температурой. В самом деле из (35.1) при N_n/N_m>1 следует

,

так как W_n–W_m>0, а ln(N_n/N_m)>0. Такой парадоксальный результат вызван тем, что понятие температуры применимо к термодинамически равновесным системам. Среда же с инверсной заселенностью явно неравновесна.

35.3. Лазеры

Идея А. Эйнштейна о вынужденном излучении лежит в основе работы лазеров (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения). Часто употребляется другое название лазеров — оптические квантовые генераторы (ОКГ). Усилители излучения, работающие в сантиметровом диапазоне, называются лазерами (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Первый мазер был создан в 1953 г. Н.Г. Басовым и Н.Г. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом. В 1960 г. был создан первый лазер (Т. Мейман), в котором рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 6 см. Стержень помещался внутрь резонатора , представляющего собой два плоских параллельных зеркала. Одно из зеркал резонатора имело коэффициент отражения равным единице, а второе 0,92.

Кристалл рубина — это окись алюминия (Al₂O₃) с небольшой примесью хрома (Cr⁺⁺⁺). Схема энергетических уровней иона хрома показана на рис. 35.5, а, а принципиальная схема рубинового лазера — на рис. 35.5, б.

Рис. 35.36

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Вначале кристалл рубина освещается мощным световым импульсом от ксеноновой лампы, которая играет роль лампы накачки. При этом большинство ионов хрома переходит в возбужденное состояние S (на рис. 35.5, а — переход 12). Процесс сообщения рабочему телу энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой.

Возбужденный уровень S показан на рис. 35.5, а в виде полосы, так как на самом деле он представляет собой совокупность близко расположенных возбужденных уровней. Время жизни атома в состоянии S очень мало ~10^–8 с. За это время ион хрома переходит на метастабильный уровень M (переход 23) и задерживается на нем на время ~10^–3 с. Большое время жизни иона хрома на уровне M (в 10⁵ раз больше, чем на уровне S) обуславливает накопление ионов хрома на этом уровне (создается среда с инверсной заселенностью).

Далее процесс развивается следующим образом. Какой-нибудь ион самопроизвольно (спонтанно) излучает фотон и переходит в основное состояние (переход 31 на рис. 35.5, а). Если фотон движется под некоторым углом к оси кристалла, он не вызовет генерации и покинет пределы рабочего тела. Если же фотон движется в направлении оси кристалла, то он многократно проходит путь З₁З₂, равный расстоянию между зеркалами резонатора. Если n — число отражений от одного из зеркал, то оптический путь фотона увеличивается в n раз. В этом и состоит роль резонатора: благодаря многократному прохождению фотоном пути З₁З₂ увеличивается число его встреч с ионами и, следовательно, увеличивается число актов вынужденного излучения. Вторичные фотоны ничем не отличаются от первичного («затравочного») фотона и также многократно проходят путь З₁З₂. Происходит лавинообразный процесс нарастания числа фотонов. При этом одновременно происходит опустошение уровня энергии T. Различные стадии формирования лазерного импульса показаны на рис. 35.5: б — начальная стадия — появление фотона, движущегося вдоль оси кристалла рубина; в — развитие генерации и г — возникновение лазерного импульса. Лазерный импульс возникает за счет просветления зеркала З₂, когда энергия светового излучения, заполняющего резонатор, достигает некоторого критического значения. Затем снова происходит вспышка лампы накачки и процесс повторяется с частотой несколько импульсов в минуту.

К настоящему времени, кроме импульсных, разработаны также лазеры непрерывного действия — это газовые и полупроводниковые лазеры. Первый газовый лазер был создан А. Джованом в 1961 г. на смеси неона и гелия. Инверсная населенность уровней поддерживается непрерывно с помощью газового разряда. Накачка происходит в два этапа: 1) электроны, образующиеся в разряде, возбуждают атомы гелия; 2) при столкновении атомов гелия и неона происходит передача энергии в направлении HeNe. В результате создается инверсная заселенность уровней энергии неона. В процессе вынужденных переходов в основное состояние атомы неона дают лазерное излучение с длиной волны =632,8 нм.

Лазерному излучению присущи такие характерные свойства: когерентность; строгая монохроматичность; очень малое расхождение светового пучка; большая мощность.

Эти свойства лазерного излучения предопределяют широкое использование лазеров в науке и технике. Не имея возможности рассказать о всевозможных применениях лазеров, ограничимся рассмотрением их использования на морском флоте.

1. Лазерные гироскопы (см. §  25.5), которые имеют ряд неоспоримых преимуществ перед роторными гироскопами: высокая чувствительность (~10^–3 град/ч), безынерционность, нечувствительность к линейному ускорению. Их использование в навигационной практике сдерживается пока ограниченностью срока службы лазера, трудностями калибровки прибора, необходимостью оснащения прибора рядом вспомогательных систем.

2. Импульсные или фазовые дальномеры, дающие возможность определять расстояние до объекта с точностью до 5 см, и доплеровские локаторы, измеряющие скорости движущихся объектов. Например, доплеровский локатор на основе гелий-неонового лазера позволяет измерить скорости движущихся тел в диапазоне от 0,6 м/с до 8 км/с.

3. Лазерные створы, которые используются для проводки судов в узкостях и в условиях плохой видимости.

4. Метод дистанционного определения глубины моря, основанный на регистрации времени запаздывания лазерного импульса, отраженного от морского дна, по отношению к импульсу, отраженному от поверхности моря.

5. Дистанционная локация нефтяных загрязнений на поверхности моря путем регистрации люминесценции нефти, возбужденной лазерным излучением.

Лекція 49.

Будова атомного ядра i ядернi перетворення. Основнi характеристики атомних ядер. Енергiя зв”язку ядра. Дефект маси. Властивостi ядерних сил. Моделi ядра. Радiоактивнi перетворення атомних ядер. Закономiрностi альфа- i бета-розпадiв, гамма-випромiнювання.