Основи квантової електроніки

Взаємодія випромінювання з речовиною

Розглянемо процеси взаємодії атома з полем випромінювання. Для простоти будемо вважати, що атом може перебувати у двох станах з енергіями Wm і Wn, причому Wm<Wn.

Можливі три типи взаємодій випромінювання з атомом (рис. 35.1).

Рис. 35.1

1. Поглинання. В результаті поглинання фотона атом переходить із більш низького рівня енергії Wm на більш високий Wn (рис. 35.1, а).

2. Самочинне (спонтанне) випромінювання. Атом самочинно, без зовнішніх впливів переходить із більш високого рівня Wn на більш низький Wm, випромінюючи фотон енергії hn=Wn–Wm (рис. 35.1, б).

3. Вимушене (індуковане) випромінювання. Під впливом фотона атом переходить із більш високого рівня на більш низький, випромінюючи фотон з тією же енергією, що й у початкового (рис. 35.1, в). Цей тип випромінювання був теоретично передбачений А. Ейнштейном в 1916 р.

У стані термодинамічної рівноваги число прямих (Wm®Wn) і зворотних (Wn®Wm) переходів однаково, що приводить до відповідних співвідношень між коефіцієнтами Ейнштейна, що визначають імовірності цих переходів (Додаток 6).

Інверсна заселеність

У рівноважних умовах число атомів на різних рівнях енергії (заселеність рівнів) підпорядковане розподілу Больцмана. Для дворівневої системи

.

(35.1)

де Nn і Nm — число атомів, що перебувають на рівнях енергії Wn і Wm, причому Wm<Wn (рис. 35.2).

Рис. 35.2

Як правило, при кімнатних температурах Nn << Nm. У зв'язку з цим, якщо на шар речовини падає випромінювання із частотою , то в міру проникнення випромінювання в глибину речовини буде спостерігатися його ослаблення. У цьому випадку поглинання світла переважає над вимушеним випромінюванням, тобто коефіцієнт поглинання αвиявляється додатним і тому відповідно до закону Бугера (28.17) при поширенні світла усередині речовини його інтенсивність експоненціально убуває (рис. 35.3).

Рис. 35.3

Посилення світла можна досягти, якщо вимушене випромінювання переважає над поглинанням. Для цього потрібно створити середовище з так званою інверсною заселеністю. Це означає, що Nn (число атомів на більш високому рівні) повинно бути більше Nm (число атомів на більш низькому рівні) — рис. 35.4. Тоді фотон із частотою ν=(Wn–Wm)/h, взаємодіючи зі збудженими атомами, буде ініціювати вимушені переходи Wn®Wm. У результаті число актів випромінювання (переходи Wn®Wm) буде переважати над числом актів поглинання (переходи Wm®Wn), внаслідок чого відбудеться посилення світла. У законі Бугера в цьому випадку α<0 і I>I₀ (рис. 35.3).

Рис. 35.4

Середовище з інверсною заселеністю формально характеризується від’ємною абсолютною температурою. Справді з (35.1) при Nn/Nm>1 випливає

 

,

 

 

оскільки Wn–Wm>0, а ln(Nn/Nm)>0. Такий парадоксальний результат спричинений тим, що поняття температури застосовне до термодинамічно рівноважних систем. Середовище ж з інверсною заселеністю явно нерівноважне.

Лазери

Ідея А. Ейнштейна про вимушене випромінювання лежить в основі роботи лазерів (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання). Часто вживається інша назва лазерів - оптичні квантові генератори (ОКГ). Підсилювачі випромінювання, що працюють у мікрохвильовому діапазоні, називаються мазерами (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Перший мазер був створений в 1953 р. Н. Г. Басовим і Н. Г. Прохоровим і незалежно від них Ч. Таунсом. В 1960 р. був створений перший лазер (Т. Мейман), у якому робочим тілом був циліндр із рожевого рубіна. Діаметр стрижня був порядку 1 см, довжина — близько 6 см. Стрижень уміщувався всередину резонатора, що являв собою два плоских паралельних дзеркала. Одне із дзеркал резонатора мало коефіцієнт відбиття рівним одиниці, а друге ~0,92.

Кристал рубіна — це окис алюмінію (Al ₂ O ₃) з невеликою домішкою хрому (Cr ⁺⁺⁺). Схема енергетичних рівнів іона хрому показана на рис. 35.5, а, а принципова схема рубінового лазера — на рис. 35.5, б.

Рис. 35.5

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Спочатку кристал рубіна освітлюється потужним світловим імпульсом від ксенонової лампи, що відіграє роль лампи накачування. При цьому більшість іонів хрому переходить у збуджений стан S (на рис. 35.5, а — перехід 1®2). Процес надання робочому тілу енергії для переведення атомів у збуджений стан називають накачуванням.

Збуджений рівень S показаний на рис. 35.5, а у вигляді смуги, оскільки насправді він являє собою сукупність близько розташованих збуджених рівнів. Час життя атома в стані S дуже малий ~10^–8 с. За цей час іон хрому переходить на метастабільний рівень Т (перехід 2®3) і затримується на ньому на час ~10^–3 с. Великий час життя іона хрому на рівні Т (в 10⁵ разів більший, ніж на рівні S) зумовлює нагромадження іонів хрому на цьому рівні (створюється середовище з інверсною заселеністю).

Далі процес розвивається так. Який-небудь іон самочинно (спонтанно) випромінює фотон і переходить в основний стан (перехід 3®1 на рис. 35.5, а). Якщо фотон рухається під деяким кутом до осі кристала, він не викличе генерації й покине межі робочого тіла. Якщо ж фотон рухається в напрямку осі кристала, то він багаторазово проходить шлях Дз1–Дз2, що дорівнює відстані між дзеркалами резонатора. Якщо n — число відбиттів від одного із дзеркал, то оптичний шлях фотона збільшується в n раз. У цьому й полягає роль резонатора: завдяки багаторазовому проходженню фотоном шляху Дз1–Дз2 збільшується число його зустрічей з іонами й, отже, збільшується число актів вимушеного випромінювання. Вторинні фотони нічим не відрізняються від первинного («затравочного») фотона й також багаторазово проходять шлях Дз1–Дз2. Відбувається лавиноподібний процес наростання числа фотонів. При цьому одночасно відбувається спустошення рівня енергії T. Різні стадії формування лазерного імпульсу показані на рис. 35.5: б — початкова стадія — поява фотона, що рухається уздовж осі кристала рубіна; в — розвиток генерації й г — виникнення лазерного імпульсу. Лазерний імпульс виникає за рахунок просвітління дзеркала Дз₂, коли енергія світлового випромінювання, що заповнює резонатор, досягає деякого критичного значення. Потім знову відбувається спалах лампи накачування й процес повторюється із частотою кілька імпульсів за хвилину.

Тепер, крім імпульсних, розроблені також лазери безперервної дії — це газові й напівпровідникові лазери. Перший газовий лазер був створений А. Джованом в 1961 р. на суміші неону й гелію. Інверсна населеність рівнів підтримується безперервно за допомогою газового розряду. Накачування відбувається у два етапи: 1) електрони, що утворюються в розряді, збуджують атоми гелію; 2) при зіткненні атомів гелію й неону відбуваються передача енергії в напрямку He®Ne. У результаті створюється інверсна заселеність рівнів енергії неону. У процесі вимушених переходів в основний стан атоми неону дають лазерне випромінювання з довжиною хвилі l=632,8 нм.

Лазерному випромінюванню властиві такі характерні властивості: когерентність; строга монохроматичність; дуже мале розходження світлового пучка; велика потужність.

Ці властивості лазерного випромінювання визначають широке використання лазерів у науці й техніці. Не маючи можливості розповісти про всілякі застосування лазерів, обмежимося розглядом їх використання на морському флоті.

1. Лазерні гіроскопи (див. § 25.5), які мають ряд незаперечних переваг перед роторними гіроскопами: висока чутливість (~10^–3 град/год), безінерційність, нечутливість до лінійного прискорення. Їх використання в навігаційній практиці стримується поки обмеженістю терміну служби лазера, труднощами калібрування приладу, необхідністю оснащення приладу рядом допоміжних систем.

2. Імпульсні або фазові далекоміри, що дають можливість визначати відстань до об'єкта з точністю до 5 см, і допплерівські локатори, що вимірюють швидкості рухомих об'єктів. Наприклад, допплерівський локатор на основі гелій-неонового лазера дозволяє вимірювати швидкості рухомих тіл у діапазоні від 0, 6 м/с до 8 км/с.

3. Лазерні створи, які використовуються для проводки судів у завуженостях і в умовах поганої видимості.

4. Метод дистанційного визначення глибини моря, заснований на реєстрації часу запізнювання лазерного імпульсу, відбитого від морського дна, відносно імпульсу, відбитому від поверхні моря.

5. Дистанційна локація нафтових забруднень на поверхні моря шляхом реєстрації люмінесценції нафти, збудженої лазерним випромінюванням.

ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА