Успехи, достигнутые при разработке и исследовании кванто­вых усилителей и генераторов в радиодиапазоне, послужили базой для реализации предложения об усилении и генерации света на ос­нове индуцированного излучения и привели к созданию квантовых генераторов оптического диапазона. Оптические квантовые гене­раторы (ОКГ) или лазеры являются единственными источниками мощ­ного монохроматического света. Принцип усиления света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. В.А. Фабри­кантом. Однако обоснование возможности создания оптического квантового генератора было дано лишь в 1958 г. Ч. Таунсом и А. Шавловым на основе достижений разработок квантовых приборов в радиодиапазоне. Первый оптический квантовый генератор был ре­ализован в I960 г. Это был ОКГ с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества. Создание инверсии населенностей в нем осу­ществлялось методом трехуровневой накачки, применявшимся обыч­но в парамагнитных квантовых усилителях.

В настоящее время разработано множество разнообразных оп­тических квантовых генераторов, отличающихся рабочими вещест­вами (в этом качестве используются кристаллы, стекла, пласт­массы, жидкости, газы, полупроводники) и способами создания ин­версии населенностей (оптическая накачка, разряд в газах, химические реакции и т.д.).

создается инверсия населенностей, и резонансной системы (рис.62). В качестве последней в ОКГ используются открытые резонаторы ти­па интерферометра Фабри - Перо, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.

Рабочее вещество осуще­ствляет усиление оптического излучения благодаря индуциро­ванному испусканию активных частиц. Резонансная система, вызывая многократное прохо­ждение возникающего оптиче­ского индуцированного излуче­ния через активную среду, об­условливает эффективное вза­имодействие поля с ней. Если рассматривать ОКГ как автоколеба­тельную систему, то резонатор обеспечивает положительную обрат­ную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения в активную среду. Дяя возникновения колебаний мощность в ОКГ, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после про­хождения через усиливающую среду, отражения от зеркал -/ и 2 , возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.

При прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ изменяется по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ° 1^ ежр [ (ос,^ - b())-c ] , а при отражении от зеркала она изменяется в г раз (т - коэффициент. отражения зеркала), поэтому условие возникновения генерации можно запи­сать как

где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражения зеркал 1 и 2 ; a u - коэффициент усиления активной среды; b 0 - постоянная затухания, учитывающая потери энергии в рабочем веществе в результате рассеяния на неоднородностях и дефектах.

I. Резонаторы оптических квантовых генераторов

Резонансные системы ОКГ, как отмечалось, представляют со­бой открытые резонаторы. В настоящее время наиболее широко при­меняются открытые резонаторы с плоскими и сферическими зерка­лами. Характерная особенность открытых резонаторов - их геоме­трические размеры во много раз превышают длину волны. Подобно объемным открытые резонаторы обладают набором собственных ти­пов колебаний, характеризующихся определенным распределением поля в них и собственными частотами. Собственные типы колеба­ний открытого резонатора представляют собой решения уравнений поля, удовлетворяющие граничным условиям на зеркалах.

Существует несколько методов расчета объемных резонаторов, позволяющих находить собственные типы колебаний. Строгая и наи­более полная теория открытых резонаторов дана в работах Л.А.Вайв-штейна.* Наглядный метод расчета типов колебаний в открытых резонаторах развит в работе А.Фокса и Т.Ли.

Расчет А.Фокса и Т.Ли базируется на следующей формуле Кирх­гофа, являющейся математическим выражением принципа Гюйгенса, которая позволяет находить поде в точке наблюдения А по задан­ному полю на некоторой поверхности Sb

где Eb - поле в точке B на поверхности Sb; k- волновое чи­сло; R - расстояние между точками А и В; Q - угол между ли­нией, соединяющей точки А и В, и нормалью к поверхности Sb

С увеличением числа проходов поде на зеркалах стремится к стационарному распределению, которое можно представить так:

где V(x ,у) - функция распределения, зависящая от координат на поверхности зеркал, не меняющаяся от отражения к отражению;

у - комплексная постоянная, не зависящая от пространственных координат.

Подставив формулу (112) в выражение (III). получим инте­гральное уравнение

Оно имеет решение лишь при определенных значениях [Гамма] =[гамма миним.] назы­ваемых собственными значениями, Функции Vmn, удовлетворяющие интегральному уравнению, характеризуют структуру поля различ­ных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными колебаниями и обозначают как колебания типа ТЕМmn Символ ТЕM указывает на то, что водны внутри резонатора близки к попереч­ным электромагнитным, т.е. не имеющим составляющих поля вдоль направления распространения волны. Индексы m и n обозначают число изменений направления поля вдоль сторон зеркала (для пря­моугольных зеркал) или по углу и вдоль радиуса (для круглых зеркал). На рис.64 показана конфигурация электрического поля для простейших поперечных типов колебаний открытых резонаторов с круглыми зеркалами. Собственные типы колебаний открытых резо­наторов характеризуются не только поперечник распределением поля, но и распределением его вдоль оси резонаторов, которое представляет собой стоячую волну и отличается числом полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Для учета этого в обозна­чения типов колебаний вводится третий ивдекс а , характеризую­щий число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора.

Оптические квантовые генераторы на твердом теле

В оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды ис­пользуются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими части­цами, переходы меяду энергетическими состояниями которых опре­деляют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na 3+ , Cr 3+ , Но 3+ , Pr 3+ . Активные частицы состав­ляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентра­ции и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливаю­щей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.

Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом, анало­гичным используемому в парамаг­нитных усилителях. Она осуще­ствляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучения вы­сокой интенсивности.

Как показывают исследова­ния, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых- в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описыва­ются двумя основными идеализи­рованными энергетическими схе­мами: трех- и четырехуровневой (рис.71).

Рассмотрим вначале метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энер­гетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1->2, и 1->3) принадлежат оптическому диапа­зону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабо­чей пары уровней. Он в действительности занимает широкую поло­су допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.

Сл

В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по-разному:

лазер (оптический диапазон);

мазер (микроволновой диапазон);

разер (рентгеновский диапазон);

газер (гамма-диапазон).

Сл

Реально работа данных устройств базируются на использовании постулатов Бора:

Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Наиболее распространены сегодня именно лазеры, то есть оптические квантовые генераторы. Кроме детских игрушек они получили распространение в медицине, физике, химии, компьютерной технике и прочих отраслях. Лазеры выступили в качестве «готового решения» множества проблем.

Рассмотрим детально принцип работы лазера

Сл4-14

Лазер - оптический квантовый генератор, создающий мощный узконаправленный когерентный монохроматический луч света. (слайды 1, 2)

( 1. Спонтанное и вынужденное излучение.

Если электрон находится на нижнем уровне, то атом поглотит падающий фотон, и электрон перейдет с уровня Е 1 на уровень Е 2 . Это состояние неустойчивое, электрон самопроизвольно перейдет на уровень Е 1 с испусканием фотона. Спонтанное излучение происходит самопроизвольно, следовательно, атом будет испускать свет несогласованно, хаотично, поэтому световые волны несогласованны друг с другом ни по фазе, ни по поляризации, ни по направлению. Это естественный свет.

Но возможно и индуцированное (вынужденное) излучение. Если электрон находится на верхнем уровне Е 2 (атом в возбужденном состоянии), то при падении фотона может произойти вынужденный переход электрона на нижний уровень испусканием второго фотона.

Сл

Излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона) называют вынужденным, или индуцированным .

Свойства вынужденного излучения:

одинаковая частота и фаза фотонов первичного и вторичного;

одинаковое направление распространения;

одинаковая поляризация.

Следовательно, при вынужденном излучении образуются два одинаковых фотона-близнеца.

Сл

2. Использование активных сред.

Состояние вещества среды, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной заселенностью энергетических уровней . Это обычное состояние среды.

Сл

Среду, в которой больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют активной средой с инверсной заселенностью энергетических уровней . (слайд 9)

В среде с инверсной заселенностью энергетических уровней обеспечивается усиление световой волны. Это активная среда.

Усиление света можно сравнить с нарастанием лавины.

Сл

Для получения активной среды используют трехуровневую систему.

На третьем уровне система живет очень мало, после чего самопроизвольно переходит в состояние Е 2 без испускания фотона. Переход из состояния 2 в состояние 1 сопровождается излучением фотона, что и используется в лазерах.

Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой . Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Например, после вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 , спустя малый промежуток времени в состояние 2 , в котором живет сравнительно долго. Так создается перенаселенность на уровне 2 .

Сл

3. Положительно обратная связь.

Для того чтобы из режима усиления света перейти к режиму генерации в лазере используют обратную связь.

Обратная связь осуществляется с помощью оптического резонатора, который обычно представляет собой пару параллельных зеркал. (слайд 11)

В результате одного из спонтанных переходов с верхнего уровня на нижний возникает фотон. При движении в сторону одного из зеркал фотон вызывает целую лавину фотонов. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя испускать фотоны все новые атомы. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока существует инверсная заселенность уровня

Инверсная заселенность энергетических уровней - неравновесное состояние среды, при котором число частиц (атомов, молекул), находящихся на верхних энергетических уровнях, т. Е. В возбужденном состоянии, больше, чем число частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях. .

Активный элемент

накачка

накачка

Оптический резонатор

Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительной энергии. Световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно усиливается. Дно из зеркал делается полупрозрачным, и из него лазерная волна выходит наружу в окружающую среду.

Сл

4. Рубиновый лазер .

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень . Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr . Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Сл

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки . Лампа кратковременно вспыхивает, происходит накачка.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют и другие типы лазеров: газовые, полупроводниковые... Они могут работать в непрерывном режиме.

Сл

5. Свойства лазерного излучения :

самый мощный источник света;

Р Солнца = 10 4 Вт/см 2 , Р лазера = 10 14 Вт/см 2 .

исключительная монохроматичность(монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты) ;

дает очень малую степень расхождения угла;

когерентность (т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов) .

Сл3

Для работы лазера

необходима система накачки. То есть мы придадим атому либо атомной системе какую-либо энергию, тогда, согласно 2 постулату Бора атом перейдет на более высокий уровень с большим количеством энергии. Далее задача состоит в том, чтобы вернуть атом на прежний уровень, при этом, он излучает фотоны в качестве энергии.

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой.

Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение)

Сл15

Физической основой работы лазера служит явление . Суть явления состоит в том, что возбуждённый способен излучить под действием другого фотона без его поглощения, если последнего равняется разности энергий

Мазер излучает микроволны , разер – рентгеновские , а газер – гамма-излучение.

Сл16

Мазер - квантовый генератор, излучающий

когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).

Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Сл

Разер (рентгеновский лазер) - источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, основанный на эффекте вынужденного излучения. Является коротковолновым аналогом лазера.

Сл

Применение когерентного рентгеновского излучения включают в себя исследования в области плотной плазмы, рентгеновской микроскопии, медицинской визуализации фазы с разрешением, исследование поверхности материала, и оружия. Мягкий рентгеновский лазер может выполнять функции лазера двигательной установки.

Сл

Работы в области газера ведутся, так как не создана эффективная система накачки.

Лазеры же используются в целом списке отраслей :

6. Применение лазеров : (слайд 16)

в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);

обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);

в хирургии вместо скальпеля (например, в офтальмологии);

для получения объемных изображений (голография);

связь (особенно в космосе);

запись и хранение информации;

в химических реакциях;

для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;

ядерное оружие.

Сл

Таким образом, квантовые генераторы прочно вошли в быт человечества, позволив решить множество актуальных на тот момент проблем.

В квантовых генераторах для создания электромагнитных ко­лебаний используется внутренняя энергия микросистем - атомов, молекул, ионов.

Квантовые генераторы называют еще лазерами. Слово лазер составлено из начальных букв английского названия квантовых генераторов - усилитель света за счет создания стимулированно­го излучения.

Принцип действия квантового генератора состоит в следующем. При рассмотрении энергетической структуры вещества было по­казано, что изменение энергии микрочастиц (атомов, молекул, ио­нов, электронов) происходит не непрерывно, а дискретно - пор­циями, названными квантами (от латинского quantim - количе­ство) .

Микросистемы, в которых элементарные частицы взаимодейст­вуют между собой, называются квантовыми системами.

Переход квантовой системы из одного энергетического состоя­ния в другое сопровождается излучением или поглощением кван­та электромагнитной энергии hv: Е 2 - Ei=hv, где Е 1 и Е 2 - энер­гетические состояния: h - постоянная Планка; v - частота.

Известно, что наиболее устойчивым состоянием любой систе­мы, в том числе атома и молекулы, является состояние с наимень­шей энергией. Поэтому каждая система стремится занять и со­хранять состояние с наименьшей энергией. Следовательно, в нор­мальном состоянии электрон движется по наиболее близкой к ядру орбите. Такое состояние атома называется основным или ста­ционарным.

Под действием внешних факторов - нагрева, освещения, элек­тромагнитного поля - энергетическое состояние атома может из­меняться.

Если атом, например, водорода взаимодействует с электромаг­нитным полем, то он поглощает энергию Е 2 - E 1 = hv и его элек­трон переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбужденным. В нем атом может находиться некоторое очень малое время, называемое временем жизни возбужденного атома. После этого электрон возвращает­ся на нижний уровень, т. е. в основное устойчивое состояние, от­давая избыток энергии в виде излучаемого кванта энергии - фо­тона.

Излучение электромагнитной энергии при переходе квантовой системы из возбужденного состояния в основное без внешнего воз­действия называется самопроизвольным или спонтанным. При спонтанном излучении фотоны испускаются в случайные моменты времени, в произвольном направлении, с произвольной поляриза­цией. Поэтому оно называется некогерентным.

Однако под действием внешнего электромагнитного поля элек­трон может быть возвращен на нижний энергетический уровень еще до истечения времени жизни атома в возбужденном состоя­нии. Если, например, два фотона воздействуют на возбужденный атом, то при определенных условиях электрон атома возвращается на нижний уровень, излучая квант в виде фотона. При этом все три фотона имеют общую фазу, направление и поляризацию из­лучения. В результате энергия электромагнитного излучения ока­зывается увеличенной.

Излучение электромагнитной энергии квантовой системой при снижении ее энергетического уровня под действием внешнего элек­тромагнитного поля называют вынужденным, индуцированным или стимулированным.

Индуцированное излучение совпадает по частоте, фазе и на­правлению с внешним облучением. Отсюда такое излучение на­зывают когерентным (когерентность-от латинского cogerentia - сцепление, связь).

Так как на стимулирование перехода системы на более низ­кий энергетический уровень энергия внешнего поля не затрачива­ется, то электромагнитное поле усиливается и его энергия возра­стает на значение энергии излучаемого кванта. Это явление ис­пользуется для усиления и генерирования колебаний с помощью квантовых приборов.

В настоящее время лазеры изготовляют из полупроводниковых материалов.

Полупроводниковым лазером называют полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию излучения оптического диапа­зона.

Для работы лазера, т. е. для того, чтобы лазер создавал элек­тромагнитные колебания, необходимо, чтобы в его веществе воз­бужденных частиц было больше, чем невозбужденных.

Но в нормальном состоянии полупроводника на более высо­ких энергетических уровнях при любой температуре количество электронов меньше, чем на более низких уровнях. Поэтому в нор­мальном состоянии полупроводник поглощает электромагнитную энергию.

Наличие электронов на том или ином уровне называется насе­ленностью уровня.

Состояние полупроводника, в котором на более высоком энер­гетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком уровне, называется состоянием с инверсной населенностью. Создавать инверсную населенность можно различными способа­ми: с помощью инжекции носителей заряда при прямом включе­нии р - я-перехода, путем облучения полупроводника светом и т. д.

Источник энергии, создавая инверсию населенностей, выполня­ет работу, передавая энергию веществу и далее электромагнитно­му полю. В полупроводнике с инверсной населенностью можно получить вынужденное излучение, так как в нем имеется боль­шое количество возбужденных электронов, которые могут отдать свою энергию.

Если полупроводник с инверсной населенностью облучить элек­тромагнитными колебаниями частотой, равной частоте перехода между энергетическими уровнями, то электроны с верхнего уров­ня переходят на нижний вынужденно, излучая фотоны. При этом происходит вынужденное когерентное излучение. Оно является усиленным. Создав в таком устройстве цепь положительной обрат­ной связи, получим лазер - автогенератор электромагнитных ко­лебаний оптического диапазона.

Для изготовления лазеров чаще всего используют арсенид гал­лия, из которого изготовляют кубик со сторонами длиной в не­сколько десятых долей миллиметра.

Глава 4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕДАТЧИКОВ