5.8. Элементы квантовой электроники

Атомы поглощают и излучают энергию квантами (см. формулу 5.27). Поглощая энергию, атом переходит в возбужденное состояниеи, спустя некоторое время,самопроизвольно (спонтанно)возвращаются на более низкие энергетические уровни, излучая полученную энергию.Спонтанноеизлучение носит случайный характер и представляет собой набор фотонов с разными энергиями и частотами. По отношению к внешнему излучению оно некогерентно и немонохроматично.

В 1916 г. Эйнштейн предсказал существование и другого вида излучения атомов: вынужденного или индуцированного, причем это излучение присуще лишь некоторым веществам. Есть вещества с метастабильными энергетическими уровнями Е¹₂, на которых атом может находиться дольше, чем на возбужденном уровне Е₂. При непрерывном подводе энергии извне на метастабильном уровне может «скопиться» много атомов – «населенность» уровня Е¹₂со временем возрастает (рис.5.12). Но она может резко уменьшиться в результате «лавинного» схода атомов с уровня Е¹₂на уровень Е₁, что приведет к излучению большого числаNфотонов с энергиейh₂¹₁ = Е¹₂– Е₁. Лавинообразный переход атомов может быть вызван тем, что в веществе окажется фотон с частотой₂¹₁, соответствующий переходу Е¹₂Е₁.

Усиленное таким образом излучение с частотой ₂¹₁называетсявынужденнымилииндуцированным. Замечательной особенностью индуцированного излучения является то, что оно полностью когерентно с вызвавшим его излучением, т.е. имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется в том же направлении.

Вещества, имеющие метастабильные уровни, называют активными(кристаллы рубина, некоторые полупроводники, газы и др. вещества). Процесс предварительного перевода атомов активного вещества на более высокие энергетические уровни называется накачкой.

Реальные активные вещества имеют более сложную энергетическую структуру, чем показанная на рис.5.12. Для получения направленного излучения и усиления его в лазере используют оптический резонатор. В простейшем случае в качестве его служит два зеркала на общей оптической оси с оптически активным веществом. Одно из зеркал полупрозрачное, выставленное под углом Брюстера к оптической оси. По этой причине фотоны, у которых плоскость колебаний электрического вектора Е лежит в плоскости падения луча на зеркало, проходят без потерь на отражение. Излучение с поперечной поляризацией отражается. Использование зеркал, ориентированных под углом Брюстера к оси трубки, приводит клинейной поляризации излучения лазера.

Фотоны, движущиеся поперек трубки, уходят через ее боковую поверхность и не поддерживают генерацию в этом направлении.

За разработку и создание лазеров российским ученым Басову и Прохорову присуждена Нобелевская премия.

Газовые лазеры могут работать в режиме непрерывного излучения малой мощности. Существуют мощные твердотельные лазеры, которые можно использовать для механической обработки твердых тел (например, алмазов), сварки, воздействия на химические реакции. В хирургии глаза лазерный луч может заменить скальпель.

Высокая когерентность лазерного луча открывает перспективы их применения в целях радиосвязи, особенно космической связи с передачей большого объема информации. Лазеры применяют для записи и считывания информации на дисках, для обнаружения дефектов в деталях, для получения и исследования высокотемпературной плазмы, в спектроскопии, и т.д.