Спонтанное и вынужденное излучение. Энергия электромагнитного излучения выделяется или поглощается в виде отдельных «порций», называемых квантами или фотонами, причем энергия одного кванта равна hn, где h – постоянная Планка, а n – частота излучения. Когда атом поглощает квант энергии, он переходит на более высокий энергетический уровень, т.е. один из его электронов перескакивает на орбиту, более удаленную от ядра. Принято говорить, что атом при этом переходит в возбужденное состояние.

Оказавшийся в возбужденном состоянии атом может отдать запасенную энергию разными путями. Один возможный путь – спонтанно испустить квант с той же самой частотой, после чего он возвращается в исходное состояние. Это – процесс спонтанного излучения (испускания), схематически изображенный на рис. 1,б. На высоких частотах, т.е. при малых длинах волн, соответствующих видимому свету, спонтанное излучение происходит очень быстро. Возбужденный атом, поглотив фотон видимого света, обычно теряет приобретенную энергию в результате спонтанного излучения менее чем через одну миллионную секунды. Процесс спонтанного излучения на меньших частотах задерживается. Кроме того, атом может перейти в некое промежуточное состояние, потеряв лишь часть своей энергии в виде испущенного им фотона меньшей энергии.

(10.60 Кб)

Есть еще один процесс, приводящий к тому, что возбужденный атом испускает эту запасенную энергию. Если на атом падает излучение определенной частоты (как на рис. 1,в), то оно вынуждает атом испустить фотон и перейти на более низкий уровень. Таким образом, приходит один фотон, а уходят два. Вынужденное излучение всегда происходит на той же частоте и с той же фазой, что и у приходящей волны, а потому, проходя мимо возбужденного атома, волна наращивает свою интенсивность.

Итак, волна соответствующей частоты, проходя через среду, в которой имеется избыток возбужденных атомов, усиливается за счет энергии вынужденного излучения этих атомов. Однако, если в среде имеются невозбужденные атомы, они могут поглощать энергию волны. Очевидно, что усиление за счет вынужденного излучения противоположно поглощению, и перевес одного из процессов над другим зависит от того, каких атомов больше на пути волны – возбужденных или невозбужденных.

То, что наряду со спонтанным излучением должно быть и вынужденное, постулировал Альберт Эйнштейн в 1916, приняв, что происходят все три процесса – поглощение, вынужденное и спонтанное излучение. На основании статистических соображений он вывел формулу, описывающую частотный спектр излучения, испускаемого веществом. Использовать вынужденное излучение для создания генераторов электромагнитных волн предложили Ч.Таунс в США и независимо от него русские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров. Все трое за эту работу были удостоены Нобелевской премии по физике (1964).

Квантовый усилитель. Как говорилось выше, можно усиливать излучение, просто пропуская его через подходящую активную среду. Однако при этом коэффициент усиления зачастую бывает незначителен – порядка 1%. Чтобы увеличить усиление, нужно дольше удерживать излучение в контакте с активной средой. Для этого можно заключить активную среду в камеру с отражающими стенками. Тогда поперечная волна будет отражаться от стенки к стенке, немного усиливаясь при каждом проходе. Когда же она достаточно усилится, часть излучения можно выпустить из камеры в качестве выходного.

В диапазоне СВЧ (сверхвысокочастотном), т.е. когда длина волны находится в диапазоне от 0,1 до 100 см, размеры камеры обычно сравнимы с длиной волны. Камера, настраиваемая на нужную частоту путем изменения размеров (ее длина должна быть равна длине волны), называется объемным резонатором.

Если же длина волны излучения составляет примерно 1 мм или меньше, то такой резонатор даже трудно изготовить. Однако можно сделать объемный резонатор для инфракрасного или коротковолнового видимого света так, чтобы его длина была намного больше длины волны, – например, в виде двух параллельных зеркальных пластин (рис. 2). В таком устройстве поперечная пластинам волна, поочередно отражаясь от зеркал, будет оставаться в активной среде и нарастать за счет вынужденного излучения. Волна же, распространяющаяся в любом другом направлении, быстро уходит из резонатора почти без усиления.

(13.05 Кб)

Такое направленное действие системы двух параллельных пластин особенно важно для квантовых генераторов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны. В этом случае усиление в активной среде должно быть достаточно большим, чтобы при прохождении волны от одной пластины к другой оно с лихвой возмещало неизбежные потери, претерпеваемые ею при отражении от зеркала. Непрерывное нарастание волны приводит к тому, что в промежутке между зеркалами устанавливаются резонансные электромагнитные колебания. Волны, распространяющиеся в любых других направлениях, не усиливаются настолько, чтобы компенсировались потери. И хотя в закрытой камере такого размера могли бы устанавливаться и поддерживаться миллионы разных видов колебаний и их быстро меняющихся сочетаний, система двух параллельных пластин выбирает из них только поперечные волны (остальные затухают). Поскольку такая система особенно подходит для выделения колебаний с определенной малой длиной волны, она широко применяется в квантовых генераторах инфракрасного и видимого светового диапазона – лазерах.

Чтобы часть света могла выходить из резонатора лазера, одна из пластин должна быть полупрозрачной, т.е. пропускающей часть падающего на нее света и отражающей свет с другими длинами волн. Свет, проходящий через полупрозрачную пластину, образует узко направленный луч. Такое устройство лазера предложено Таунсом и А.Шавловым.

Можно также выводить излучение через малое отверстие в одной из отражающих стенок. Эта схема часто применяется в квантовых генераторах сантиметрового (СВЧ) диапазона длин волн. В лазерах же она не дает столь высокой направленности выходного луча.

дальше