Принцип роботи квантових приладів

Робота квантових приладів заснована, на явищі індукованого (або, інакше, що стимулює, або вимушеного) випромінювання.

Що ж таке індуковане випромінювання? Хай є серія енергетичних рівнів електрона в атомі, в молекулі або в твердому тілі. Нижні рівні, як завжди, заповнені, верхні вільні. Розглянемо окремо два яких-небудь рівня, наприклад самий верхній із заповнених і самий ніжній з вільних (рис. 1,а). Хай значення енергії електронів на цих рівнях будуть і . Величиною n позначимо частоту електромагнітних коливань кванта, що поглинається електроном при переході з рівня 1 на рівень 2.

Відомо, що якщо електрон нижнього рівня поглине квант енергії, , де h=6,62 10–34 Дж·с - постійна Планка, то цей електрон перейде на верхній рівень в збуджений стан, а квант зникне, віддавши свою енергію на збудження (рис.1,а).

а) б)

Рисунок 1 – Енергетичні рівні електрона

Проте довго електрон у збудженому стані пробути не може, оскільки це стан енергетично менш вигідно, бо в цьому випадку система не має мінімуму енергії. Тому через невеликий час, який для різних типів рівнів в атомах в молекулах коливається від t = 10 с до t = 1с, електрон перейде назад на нижній рівень, випустивши при цьому такий самий квант енергії , як і той квант, який був спочатку поглинений при збудженні (рис. 1, б).

Зазвичай такий перехід вниз, супроводжуваний випромінюванням, відбувається мимоволі, тому таке випромінювання називається мимовільним або спонтанним випромінюванням. Проте окрім спонтанного випромінювання може бути ще вимушене або індуційне (індуковане) випромінювання.

Фізична суть його полягає в наступному. Якщо в той момент, коли електрон знаходиться у збудженому стані, на нього потрапляє квант тієї ж самої енергії , яка раніше викликала його збудження, то виявляється, що під впливом цього кванта електрон перейде на нижній рівень, випромінює при цьому аналогічний квант енергії , причому перший квант, що вимушує цей перехід вниз, при цьому не зникає (рис.2).

Рисунок 2- Фізичний зміст вимушеного випромінювання

Ось це випромінювання, викликане зовнішнім квантом, і називається вимушеним або таким, що стимулює, або індукованим випромінюванням.

Індуковане випромінювання принципово відрізняється від спонтанного своєю когерентністю або, можна сказати, синфазністю.

Спонтанне випромінювання багатьох атомів (наприклад, в газі, в рідині, в твердому тілі) відбувається так, що у кожного з різних атомів переходи електронів на нижній рівень і відповідні випромінювання квантів трапляються абсолютно самостійно, не синхронно і незалежно від того, що робиться в сусідніх атомах. Світло (або в загальному випадку електромагнітні коливання), яке випромінює при цьому колектив атомів, буде хаотичне, несинфазне або, як то кажуть, некогерентне.

Всі звичайні, природні, джерела світла (лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, сонце, нагріті тіла, плазма газового розряду і ін.) дають саме таке некогерентне випромінювання.

Індуковане випромінювання багатьох атомів виходить, навпаки, когерентним. Відбувається це тому, що зовнішній квант або, інакше, зовнішня електромагнітна хвиля, впливає на збуджені електрони відразу багатьох атомів, викликаючи в них переходи електронів на нижні рівні і відповідні індуковані випромінювання, які відбуваються синфазно із зовнішньою падаючою електромагнітною хвилею, що вимушує або стимулює ці переходи вниз.

При цьому випромінювання різних атомів виходять узгодженими одне з іншим і із зовнішньою хвилею, так що ці випромінювання, додаючись синфазно до зовнішньої хвилі, дають загальну сумарну хвилю узгодженого або когерентного випромінювання, тобто хвилю, подібну до звичайних штучних радіохвиль, які через їх когерентність використовуються для передачі інформації.

Слід відмітити, що акти збудження, (переходи електронів вгору по енергетичній осі під впливом квантів енергії (фотонів)) часто також називають індукованими переходами, хоча на відміну від індукованих переходів вниз, в цьому випадку самі збудливі фотони зникають, віддаючи свою енергію на збудження.

Вивчаючи термодинаміку процесів поглинання і випромінювання в замкнутому об'ємі, А.Ейнштейн встановив, що вірогідність індукованого випромінювання рівна вірогідності поглинання того ж кванта електроном, що знаходиться на нижньому рівні.

Іншими словами, якщо є два однакові атоми (рис. 3), в одному з яких електрон знаходиться в нормальному, незбудженому, стані, а в другому у збудженому стані, то ймовірність взаємодії з квантом енергії , відповідним переходу 1-2 або 2-1 і падаючим ззовні на ці атоми, буде у обох електронів (збудженого і незбудженого) абсолютно однакова. Таким чином, електрон атома, незалежно від того, на якому з двох рівнів (верхньому або нижньому), розділених енергетичним інтервалом , він знаходиться, взаємодіє з однаковою ймовірністю з падаючими квантами, що мають енергію . Результати такої взаємодії будуть різними, а саме: електрон у нормальному стані поглинає квант, а електрон у збудженому стані, навпаки, випускає такий самий додатковий квант. Ця закономірність, відкрита Ейнштейном і відповідна рівності коефіцієнтів поглинання і індукованого випромінювання, широко використовується в теорії квантових приладів.

Рисунок 3 – Взаємодія кванта енергії з електроном у збудженому і незбудженому станах

Використовуючи явище індукованого випромінювання, можна отримати посилення електромагнітних коливань. Дійсно, хай на середовище, що складається з деякої чималої кількості (N) розглянутих вище атомів, падають кванти енергії , відповідні переходам 1→2 або 2→1 між рівнями W2 і W1. Хай число атомів, у яких в даний момент електрони знаходяться у збудженому стані, буде N2, а число атомів з електронами, що знаходяться у нормальному стані, буде N1, причому N1+N2=N.

Тоді, очевидно, що якщо N1>N2, то число квантів , що поглинаються, буде більше, ніж число таких же квантів, випущених в результаті індукованого випромінювання, тобто відбудеться зменшення первинної кількості квантів. Навпаки, якщо N2>N1, то число квантів, отриманих в результаті індукованого випромінювання, перевищить число поглинених і сумарну кількість квантів зросте, тобто відбудеться посилення електромагнітного випромінювання при проходженні його через речовину. Це і є ефект квантового підсилення.

Для реалізації цього ефекту необхідне виконання умови, яка називається умовою інверсною, або оберненою, населеності квантових рівнів, коли сумарна населеність верхніх рівнів переходу W1→←W2 більша, ніж населеність нижніх рівнів. Очевидно, що в звичайному рівноважному стані, коли на середовище не діють ніякі зовнішні сили, N1>N2, оскільки положення на рівнях W1 для електронів є енергетично вигіднішим, ніж положення на рівнях W2 за наявності вільних рівнів W1. Тому при звичайному, не оберненому стані завжди N1>N2 і навіть N1>>N2.

У зв'язку з цим стан середовища з підвищеною населеністю верхніх рівнів, при якому N2>N1, і називається інверсним, або оберненим, по відношенню до звичайного стану, при якому N1>N2. Квантові підсилювачі зазвичай роблять шляхом приміщення в резонатор середовища з інверсною населеністю, що в схемному відношенні еквівалентно внесенню від’ємною провідності до контуру еквівалентного представлення резонатора.

Очевидно, що чим більше інверсія населеності середовища, тим більшу по абсолютній величині негативну провідність вносить середовище, і при деякому значенні цієї від’ємної провідності, коли вона перевищує провідність сумарних втрат в системі. Ця система може самозбудитись, тобто перетворитися на автогенератор.

Із зробленого вище загального опису роботи квантових приладів ясно, що основні відомості, які потрібні для детального вивчення цих приладів, можна розділити на такі групи:

1) відомості про енергетичні рівні квантових систем

2) відомості про взаємодію квантових систем з електромагнітним полем;

3) методи отримання інверсної населеності і активні середовища вживані в приладах квантової електроніки;

4) оптичні резонатори;

5) методи управління лазерним променем;

6) квантові прилади НВЧ (мазери), і квантові стандарти частоти;

7) характеристики різних режимів роботи лазерів, аналіз і оптимізація;

8) пристрій, параметри і принципи роботи твердотільних лазерів;

9) газові лазери;

10) основи нелінійної оптики;

11) світловоди і елементи інтегральної оптики;

12) напівпровідникові лазери і світодіоди;

13) приймачі оптичного випромінювання;

14) застосування квантових і оптоелектронних приладів і пристроїв.