Беседы о физике и технике

Вскоре после этого молодыми учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (ныне известными академиками) была выдвинута идея создания молекулярного генератора, который основан на индуцированном (вынужденном) испускании электромагнитных колебаний сверхвысоких частот (СВЧ) молекулами или атомами под действием поля излучения. Необходимо заметить, что существование такого излучения наряду со спонтанным (самопроизвольным) было предсказано А. Эйнштейном еще в 1916 г.

И вот через три года упорного труда, в 1954 г., были разработаны и исследованы молекулярные квантовые генераторы — мазеры — в СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, а независимо от них в США — Ч. Таунсом.

Создание молекулярного генератора ознаменовало рождение новой области физики — квантовой электроники, стоящей на стыке между радиофизикой и оптикой.

Эта область интенсивно развивается в настоящее время, причем ведущую роль в этом развитии играют советские физики, о чем свидетельствует присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н. Г. Басову и А. М. Прохорову (совместно с американцем Ч. Таунсом).

В конце 60-х годов выявились возможности создания квантового генератора оптического диапазона — лазера — этого своеобразного «гиперболоида XX века».

Само слово «лазер» образовано от начальных букв английской фразы «Light Amplification by Stimulated emission of Radiation», что означает «усиление света путем индуцированного испускания излучения».

МЫ УЖЕ СТОЛЬКО РАЗ ПРОИЗНОСИЛИ ЭТО СЛОВО «ЛАЗЕР». ПОРА ПОГОВОРИТЬ И О САМОМ ЛАЗЕРЕ.

Изобретение принципиально новых источников света — лазеров — вдохнуло новую жизнь в оптику, к этому времени считавшуюся завершенной наукой.

Свет получил множество новых применений, так как приобрел совершенно новые качества: высокую монохроматичность (предельно высокую цветовую чистоту), острую пространственную направленность, огромную спектральную яркость. С точки зрения классической оптики был создан как бы точечный источник с огромной температурой, который позволял получать не только узкие нерасходящиеся лучи, но и концентрировать в них огромную мощность. Именно эти характеристики привели к рождению и бурному развитию нового раздела в самой оптике — нелинейной оптики.

В настоящее время созданы оптические квантовые генераторы (ОКХ) различных видов: на кристаллах и стеклах (твердотельные квантовые генераторы), полупроводниковые генераторы, генераторы на жидких красителях, на газовых смесях.

ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ЛАЗЕР? ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?

Прежде всего раскроем физический смысл понятия «индуцированное излучение».

Индуцированное (вынужденное) излучение возникает в результате согласованного по частоте, фазе и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов, ионов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Оно может происходить во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения: радио, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском.

Если в обычных генераторах и усилителях электромагнитных волн (в вакуумных электронных лампах и транзисторах) используют свободные электроны, движение которых описывается классической физикой, то в квантовых генераторах мы имеем дело со связанными электронами, входящими в состав атомов, молекул, ионов, кристаллов.

Движение таких электронов подчиняется законам квантовой механики. Отсюда и появились названия «квантовая электроника», «квантовые генераторы», «квантовые усилители» и т. п.

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений E₀, Е₁, E₂…, Е_n, называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома.

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах веществ пребывает на самом низком невозбужденном уровне E₀, т. е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е₁, E₂…, Е_n соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными (рис. 42).

Рис. 42.Энергетический спектр атома

При переходе электрона с одного уровня энергии на другой атом может испускать или поглощать электромагнитные волны, частота которых v_m.n определяется соотношением

v_m.n = (Е_m — E_n)/h.

Здесь h — постоянная Планка (h = 6,62∙10^-34 Дж∙с), Е_n — конечный, Е_m — начальный уровень. Чем больше разность энергий состояний, между которыми происходит переход, тем больше частота электромагнитной волны, испускаемой или поглощаемой при таком переходе, тем больше энергия волны hv.