Квантовые генераторы

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал существование индуцированное излучение – это излучение возбужденного атома под действием падающего на него света.

Первые квантовые генераторы разработаны Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым, Ч. Таунсом

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным (обычный источник света): оно некогерентно, состоит из цугов волн различных частот, поляризаций и направлений распространения.

Условное изображение процессов: (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Поглощенная и испущенная волна не отличается по характеристикам. Поэтому в результате вынужденного квантового перехода в веществе генератора появляются два одинаковых фотона- вынуждающий и вторичный (испущенный). Происходит усиление света.

Число вынужденных (индуцированных) переходов зависит от плотности потока падающих фотонов, поэтому необходимо, чтобы атомы вещества находились в возбужденном состоянии длительное время.

Классификация лазеров:

- полупроводниковые, газовые, твердотельные, излучающие свет в различных оптических диапазонах.

- работают в импульсном и непрерывном режимах.

- мощность излучения лазеров изменяется от долей милливатта до 1012–1013 Вт

Свойство лазера:

1. чрезвычайно высокая степень его монохроматичности;

2. малый угол расхождения;

3. Самый мощный источник света

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Процесс перевода вещества в такое состояние называется оптической накачкой.

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется третий выше расположенный уровень. При вспышке лампы накачки в рубиновом стержне атомы хрома переходят в возбужденное состояние на Е₃. Время жизни на этом уровне t»10^-8с, после чего переходят не испуская фотоны на уровень, который называется метастабильным и могут там находиться t»10^-3с. С этого уровня атомы переходят в невозбужденное состояние, при этом возникает мощное монохроматическое излучение.

Одним из самых распространенных лазеров в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10² Па. Он работает в непрерывном режиме. Его мощность 10¹²-10¹⁶ Вт/см². Этого достаточно, чтобы прожечь отверстие в вольфрамовой фольге.

1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало