§ 205. Вынужденное излучение света. Квантовые генераторы

Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н. Бором в 1913 г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) излучения и резонансного (избирательного) поглощения света атомами (рис. 361, а и б). В 1919 г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне (рис. 361, в), если таковые имеются в среде.

Рис. 361. а) Спонтанное излучение света: 1 — в результате столкновения с другим атомом или с электроном, или в результате поглощения светового кванта атом перешел на один из своих верхних уровней   (для простоты на схеме указаны только два квантовых уровня  и ), 2 — через некоторое время возбужденный атом сам по себе (без внешних воздействий) переходит на нижний уровень . испуская световой квант . 6) Резонансное поглощение света. 1 — атом, находящийся на уровне , облучается светом с частотой  (резонансная частота), 2 — атом поглощает из светового пучка один квант  и переходит на уровень ; световой пучок ослабляется; 3 - возбужденный атом при столкновении с другим атомом отдает ему энергию и возвращается на уровень .(он может вернуться на уровень  или перейти на другой уровень, расположенный ниже уровня , также и путем излучения светового кванта). в) Вынужденное излучение света: 1 — атом, находящийся на верхнем уровне , облучается светом резонансной частоты, 2 — атом испускает квант  в направлении падающего светового пучка, который в результате этого усиливается; атом переходит при этом на нижний уровень

Характерная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. совпадает с ним по всем признакам — по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты, какие уводит из него резонансное поглощение. Поэтому на опыте проявляется только разность поглощенного и вынужденного излучения. Поглощают свет атомы, находящиеся на нижнем из двух участвующих в игре уровней, излучают же атомы, находящиеся на верхнем уровне. Ввиду этого, если среда содержит на нижнем уровне больше атомов, чем на верхнем, то преобладает поглощение и световой пучок ослабляется средой.

Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладает вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет. В последние голы это явление получило применение в очень перспективных приборах — квантовых усилителях и генераторах света. Схема действия квантового генератора приведена на рис. 362. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, т. е. средой, содержащей больше возбужденных атомов, чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через нее свет, начало которому дает спонтанное излучение одного из атомов. Большое усиление достигается, когда угол  очень мал, так что свет испытывает много отражений и все лучи накладываются, усиливая друг друга. (Это соответствует образованию в пространстве между пластинами 1 и 2 стоячей световой волны, см. § 47.) Излучение генератора выходит наружу через зеркало 2. Такой генератор излучает свет с частотой , где  - разность энергий уровней, участвующих в процессе. Построены генераторы и усилители, действующие в диапазоне коротких радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света.

Рис. 362. Схема действия оптического квантового генератора: 1, 2 – плоскопараллельные зеркала; зеркало 2 слегка прозрачно. (Угол  на рисунке сильно преувеличен)

Так как при излучении света атомы переходят с верхнего уровня на нижний, генерация приводит к быстрому уменьшению избытка населенности верхнего уровня. Если не восполнять уменьшение, то действие генератора прекратится, как только избыточная населенность снизится до некоторого предельного уровня.

Изложенные принципы были осознаны и реализованы только спустя 3—4 десятилетия после открытия Эйнштейном вынужденного излучения. Причина этого кроется в необычности состояния, когда большая часть атомов находится на верхнем уровне. В обычных условиях всегда наблюдается обратное положение — сильнее заселен нижний уровень. Это связано с тем, что для перехода с нижнего уровня на верхний атому надо сообщить порцию энергии, равную разности уровней , тогда как для обратного перехода подвода энергии не требуется. При низких температурах только ничтожная доля атомов обладает кинетической энергией, большей . Поэтому возбуждение атома при атомных столкновениях является исключительно редким событием, и все атомы находятся на основном уровне. Это проявляется в хорошо известном факте — холодные вещества не светятся. С повышением температуры населенность возбужденных уровней возрастает и появляется свечение.

При очень высоких температурах, когда кинетическая энергия атомов много больше , энергия, необходимая для возбуждения атома при атомных столкновениях, становится легко доступной. В этих условиях населенности уровней выравниваются. Однако добиться, чтобы верхний уровень стал более населенным, чем нижний, нагревом нельзя. Этого можно достигнуть только с помощью специальных методов, один из которых мы рассмотрим сейчас при описании оптического квантового генератора на рубине.

Рубин — кристалл окиси алюминия  (корунд), содержащий небольшую примесь окиси хрома. Для работы квантового генератора используются энергетические уровни атомов (точнее ионов) хрома, входящих в рубин; схема этих уровней представлена на рис. 363. Освещая кристалл зеленым светом, можно перевести атом хрома с основного уровня 1 на уровень 3. С уровня 3 атом в большинстве случаев переходит на уровень 2, безызлучательным переходом, отдавая энергию кристаллической решетке корунда, а уже с уровня 2 — на уровень 1. Скорость переходов  в тысячи раз больше скорости перехода . Благодаря этому атомы «оседают» на уровне 2. Если кристалл освещать зеленым и синим светом очень большой интенсивности, то на уровень 2 можно перевести больше половины атомов хрома, содержащихся в кристалле, т. е. получить то «неестественное» соотношение населенностей уровней, которое нужно для работы квантовых генераторов. Гидравлическая аналогия метода оптической «накачки» для создания избыточной населенности на возбужденном уровне изображена на рис. 364.

Рис. 363. Схема энергетических уровней атома хрома в рубине

Рис. 364. Гидравлическая аналогия метода оптической «накачки» для создания избыточной населенности на возбужденном уровне. Высота столба волы в баке 2 возрастает- при работе насоса 4 до тех пор, пока не станет достаточной, чтобы «протолкнуть» всю доставляемую насосом воду через узкую сливную трубу. Работа насоса а) с малой и б) с большой производительностью. В этой аналогии баки 1, 2 и 3 играют роль уровней атома хрома в рубине, высота столбов воды — роль населенностей уровней, насос — роль источника «накачивающего» зеленого света

Устройство рубинового генератора показано на рис. 365.

Рис. 365. Устройство оптического генератора на рубине: 1 – конденсатор, 2 – газоразрядная лампа, 3 – отражающий кожух, 4 – рубиновый стержень, 5 – источник питания, служащий для зарядки конденсатора 1

«Накачивающая» вспышка зеленого и синего света возникает при разряде конденсатора 1 через импульсную газоразрядную лампу 2, помещенную в отражающем кожухе 3. Лампа в виде спирали окружает рубиновый стерженек 4 со строго плоскопараллельными отполированными торцами, на которые нанесены зеркальные слои. Как только под действием «накачивающей» вспышки на уровне 2 (рис. 363) накопится достаточный избыток атомов по сравнению с уровнем 1, возникает рассмотренный ранее процесс генерации света с частотой, соответствующей разности уровней 2 и 1 (красный свет с длиной волны около ). Через один из своих торцов (покрытие которого сделано слегка прозрачным) рубин испустит при этом узкий красный луч. Луч будет в высокой степени параллельным, так как генерация происходит на волнах, многократно проходящих вдоль кристалла, отражаясь от зеркал на его концах, т. е. распространяющихся перпендикулярно к торцам рубинового стержня (рис. 365). Очевидно, что излучение такого лазера будет продолжаться только во время разряда конденсатора 1 через газоразрядную лампу 2, т. е. такой лазер будет работать в импульсном режиме. При ином механизме возбуждения возможно обеспечить непрерывную генерацию света лазером. Особенно легко это осуществляется с газовыми лазерами.

Очень важным свойством излучения квантового генератора является что когерентность (см. §§44 и 124): световые волны, испускаемые разными участками светящейся поверхности генератора, находятся в одной фазе колебания являются правильными в том смысле, что их частота постоянна, а фаза не испытывает нерегулярных изменений. В это: ношении квантовые генераторы намного превосходят все другие источники света и, по существу, не отличаются от обычных генераторов радиоволн. Когерентность, правильность излучения квантового генератора вынужденно испущенный свет строго согласован- с вынуждающим светом, неотличим от него. Правильность излучения квантового генератора настолько велика, что с некоторыми типами таких устройств удается наблюдать интерференцию пучков света, испускаемых двумя независимыми генератора. Как отмечено в § 124, с обычными источниками света такой результат не может быть получен.

Когерентность, монохроматичность и направленность (коллимация) излучения квантовых генераторов позволяют с помощью собирающих линз фокусировать излучение на малую площадь размером порядка квадрата длины волны света. Концентрация энергии в фокусе оказывается настолько большой, что луч рубинового генератора, сфокусированный на стальную пластинку, мгновенно прожигает в ней тончайшее отверстие.

Эти же свойства квантовых генераторов позволяют предвидеть многие другие применения, например для передачи энергии и для связи на большие расстояния, вплоть до космических. Эти перспективы объясняют большие усилия физиков и техников, направленные на дальнейшее совершенствование квантовых генераторов,

Эйнштейн пришел к выводу о существовании вынужденного излучения путем рассуждений, идею которых упрощенно можно изложить следующим образом. Рассмотрим непрозрачный сосуд с двумя отверстиями 1 и 2 наполненный газом наполненный газом и помещенный в термостат (рис. 366). Пусть во всех частях системы установилась одна и та же температура. В дальнейшем температура внутри сосуда сама собой изменяться не может, так как для создания разности температур (т. е. переноса тепла от холодного тела к горячему) нужно затратить работу (см. том I. гл. XIX). Так как нагретый термостат светится, в нем присутствует излучение. Интенсивность пучка излучения, входящего в сосуд через канал 1, должна равняться интенсивности пучка, выходящего из канала 2. В противном случае в сосуд будет вноситься (или выноситься) энергия и температура внутри него будет изменяться, что невозможно. Но атомы газа внутри сосуда, находящиеся на нижнем энергетическом уровне; поглощают свет резонансной частоты, ослабляя излучение, выходящее через отверстие 2. Следовательно, это поглощение должно компенсироваться излучением. Спонтанное излучение атомов, находящихся на верхнем уровне, не может дать полной компенсации.

Рис. 366. Пояснение возникновения вынужденного излучения

Действительно, при увеличении температуры интенсивность спонтанного излучения перестает возрастать после того, как населенности верхнего и нижнего уровней сравняются. В то же время интенсивность теплового свечения с нагревом возрастает неограниченно; пропорционально растут интенсивность пучка света, входящего в сосуд, и число поглощаемых в секунду квантов. Поэтому при очень высокой температуре спонтанное излучение можно не принимать во внимание. Отсюда следует, что должно существовать излучение той же резонансной частоты; пропорциональное силе света в, пучке, и при равной населенности атомных уровней в точности  компенсирующее поглощение. Это и есть вынужденное излучение.