Страницы истории науки и техники

Эта сложная работа, на сколько-нибудь подробном описании которой мы не можем останавливаться, была выполнена. Результатом явились различные микроминиатюризованные изделия высокого качества.

Нам предстоит теперь перейти к изложению принципа действия квантовых усилителей и генераторов (в число которых входят оптические квантовые генераторы — лазеры) — предмету, о котором особенно трудно рассказать в популярной форме.

Создание квантовых усилителей и генераторов явилось крупным научно-техническим событием, имевшим большое значение для развития электроники. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия излучения с веществом, открытый Эйнштейном еще в 1917 г., — вынужденное испускание (рис. 54).

Рис. 54. Схематическое изображение трех типов взаимодействия излучения с веществом

Слева — состояние системы до элементарного анта, справа — после. Поглощение ослабляет поток фотонов, вынужденное испускание — усиливает.

Рассмотрим атом, внешний электрон которого может двигаться по разным орбитам, обладая соответственно энергией Е₁, Е₂, Е₃ и т. д. (см. рис. 54). Пусть сквозь такой атом пролетает фотон с энергией ε = hv = Е₂ — Е₁. Если атом находится в состоянии с энергией Е₁ то он может поглотить такой фотон и перейти в состояние Е₂ (возбудится); электрон перейдет при этом на более удаленную от ядра орбиту 2. Произойдет акт поглощения. При этом в потоке фотонов станет на один фотон меньше.

Возбужденный атом может испустить фотон и перейти при этом в состояние с энергией Е₁ Электрон атома перейдет на орбиту 1. Произойдет акт спонтанного (самопроизвольного) испускания. Это второй тип взаимодействия излучения с веществом.

Третий тип взаимодействия излучения с веществом сводится к следующему. Атом возбужден и находится в состоянии с энергией Е₂. Летят фотоны с энергией hv = Е₂  — Е₁ Оказывается, пролетающий фотон может стимулировать переход 2 → 1. Испущенный при этом атомом фотон по всем параметрам (частота, направление движения и др.) идентичен фотону, который стимулировал переход. Это и есть вынужденное испускание. Поток фотонов при этом усиливается.

Число актов поглощения, ослабляющих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 1 (n₁,). Число актов вынужденного испускания, усиливающих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 2 (n₂). Ясно, что если n₂ > n₁, то усиление потока фотонов будет преобладать над его ослаблением. Интенсивность потока фотонов по мере движения в такой среде будет возрастать. Это и есть принцип действия квантового усилителя.

Среды, у которых атомов в состоянии Е₂ больше, чем в состоянии Е₁ (среды с «инверсной заселенностью»), могут быть созданы различными способами: воздействием внешнего излучения, посредством химических реакций и др. Инверсная заселенность может быть создана в газообразных, жидких и твердых телах, а также в низкотемпературной плазме.

Рис. 55 поясняет принцип действия квантового усилителя. Здесь же показана схема квантового генератора. В последнем случае нет внешнего потока фотонов, который (как в квантовом усилителе) усиливается при прохождении среды с инверсной заселенностью. У квантового генератора в торцах трубки, в которой создается инверсная заселенность, устанавливаются два зеркала: обычное (А) — у одного торца и полупрозрачное (Б) — у другого. Поток фотонов движется вдоль оси трубки. Попадая на полупрозрачное зеркало, фотоны частично проходят сквозь него. Остальные фотоны отражаются и летят в противоположном направлении (на рис. 55 справа налево), затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов в результате каждого прохождения среды с инверсной заселенностью многократно усиливается. Разумеется, квантовые усилители и генераторы непрерывного действия требуют постоянного восстановления инверсной заселенности (часто называемой накачкой или подпиткой).

Рис 55. Схема квантового усилителя (а) и квантового генератора (б).

Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием[361]. Это связано с отмеченной выше идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.

Квантовые усилители и генераторы (особенно квантовый генератор оптического диапазона волн — лазер[362]) получили широкое практическое использование.