ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 24
Скачиваний: 0
Ю. В. ТРОИЦКИЙ, в. п. ЧЕБОТАЕВ
ОПТИЧЕСКИЕ
КВАНТОВЫЕ
ГЕНЕРАТОРЫ
УЧЕНЫЕ СИБИРИ О ДОСТИЖЕНИЯХ НАУКИ
Кандидат технических наук
Ю. В. ТРОИЦКИЙ
В. П. ЧЕБОТАЕВ
ОПТИЧЕСКИЕ
КВАНТОВЫЕ
ГЕНЕРАТОРЫ
ЗАПАДНО-СИБИРСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
Н о в о с и б и р с к * 1 9 6 4
6П2.15 Т 70
> ^ ^ ^ С О С Р .
|
Чтические квантовые генераторы — удивитель |
ное |
достижение физики, чудесное оружие науки. |
И х |
можно применять для светолокации планет и |
измерения длин с точностью до десятитысячных долей миллиметра, для передачи информации на межзвездные расстояния и сварки металлов. М ощ ными импульсными лазерами обрабатывают са мые тугоплавкие и твердые вещества, с их по мощью быстро делают спектральный анализ ма териалов. Мы скоро будем свидетелями широкого использования оптических квантовых генераторов в промышленности. Л уч О К Г может служить но жом хирургу-окулисту, уничтожать раковую опу холь, ускорять химические реакции.
Многие физические лаборатории мира ведут интенсивные исследования в этой отрасли науки и техники. Такие работы проводятся и в Сибир ском отделении Академии наук С С С Р .
Вброшюре научных сотрудников Института
физики полупроводников |
С О А Н С С С Р кандида |
та технических наук Ю . |
В. Троицкого и В . П . Че- |
ботаева любознательный |
читатель познакомится |
с принципом действия различных видов оптиче ских квантовых генераторов, получит представ ление о их будущем.
«История оптики за два с половиной века была и сложной и во многом неожиданной».
Академик С. И. В А В И Л О В .
1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Применение электромагнитных волн, открытых около ста лет тому назад, принесло людям большую пользу. Сейчас трудно представить, себе жизнь человека без ра диосвязи и телевидения, без радионавигационных прибо ров и управляемых на расстоянии ракет и спутников. А между тем — это только первые, робкие шаги в овла дении безграничными возможностями такого интересней шего явления, как электромагнитные волны.
Основной характеристикой электромагнитного излу
чения является его частота (или длина волны). |
Я(лямб |
||||||||
Напомним, что частота V(ню) и длина волны |
|||||||||
да) связаны соотношением Я = —V |
где |
с |
— скорость рас- |
||||||
|
|||||||||
пространения волны, в данном случае |
равная |
скорости |
|||||||
света |
(с = 300000 |
км/сек); |
V измеряется в герцах, 1 |
гц |
ра |
||||
вен 1 |
колебанию |
в секунду. Весь |
спектр электромаг |
нитных волн разбивается по частоте нй несколько боль ших областей. Самую низкочастотную область занимают
радиоволны (Я более миллиметра, V меньше310й гц). За ними идет область инфракрасных лучей, затем — ви димая часть спектра (длина волны — от 0,75 до 0,4 мик
рона, частота — от 7,5 • 10й |
гц |
до 4 • 1014 |
гц) |
и более |
|
|
5
коротковолновое излучение — ультрафиолетовые, рентге новские и гамма-лучи.
Современная радиоэлектроника использует главным образом радиоволны. Они были открыты в 1888 году не мецким физиком Г. Герцем и впервые применены для связи на расстояние русским ученым А. С . Поповым в 1895 году. На заре развития радиотехники применялось низкочастотное излучение, длина волны которого состав ляла километры и десятки километров. В 30—40-х го дах были хорошо освоены дециметровые и сантиметровые волны, а в 50-х — уже широко использовалась и основ ная часть миллиметрового диапазона. В настоящее время прилагаются усилия по освоению субмиллиметровых волн, т. е. волн несколько короче 1 мм.
Чем вызвано стремление к укорочению длины волны? Во-первых, желанием получить как можно больше каналов связи. Каждый из них требует определенной по лосы частот, зависящей от информации, передаваемой по
каналу гцв ),единицу времени. |
Так, |
для |
передачи челове |
||||
|
|
мггц |
|
|
10 |
(1 |
кгц = |
ческого голоса необходима полоса |
гц)килогерц. |
|
|||||
= 1000 |
а для передачи |
изображения по телевиде |
|||||
нию— 8 мегагерц (1 |
|
= 100Ц000 |
В длинноволно |
вом и средневолновом диапазонах (длина волны более 100 метров) не укладывается и половины телевизионного канала. И если бы наука и техника не освоили новые диа пазоны частот, у нас не было бы ни телевидения, ни ра диолокации.
Во-вторых, с укорочением длины волны увеличивается направленность излучения. Направленность — существен ный фактор, определяющий качество источника электро магнитного излучения. Чем выше направленность луча и меньше его расходимость, тем на большее расстояние передается энергия луча. Вспомним, чем меньше расхо дится луч прожектора, тем ярче освещены предметы, на которые он направлен. Ширина луча пропорциональна
6
отношению длины волны к размерам излучающей систе мы, поэтому максимальная направленность соответствует минимальной длине волны.
Укорочение длины волны различных радиоустройств до сих пор шло сравнительно медленно, так как требова ло создания генераторных и усилительных электронных приборов, работающих на новых частотах. Можно было предполагать, что и дальнейшее развитие радиотехники пойдет по пути медленного и постепенного освоения все более высоких частот.
Однако случилось по-другому. Субмиллиметровые и прилегающие к ним инфракрасные волны еще не исполь зуются, зато найдена возможность генерации и усиления видимого света.
Появление оптических квантовых генераторов (ОКГ) и их бурное развитие в последующие годы явились под линной революцией в радиоэлектронике и в ряде облас тей физики (например, в оптике). Оно открыло перед техникой в высшей степени заманчивые перспективы.
ТРИ СВОЙСТВА ОКГ
Оптический квантовый генератор отличается от хоро шо известных источников света тем, что его излучение очень близко к монохроматическому, обладает высокой когерентностью и направленностью.
Монохроматическими называются колебания одной определенной частоты. Энергия источников электромаг нитных излучений заключена в некотором спектральном интервале. Чем меньше этот интервал, тем ближе сигнал к монохроматическому. При использовании таких элек тромагнитных сигналов в системах связи значительно возрастает объем передаваемой информации и дальность связи, так как появляется возможность увеличить число
7
каналов и почти полностью отфильтровать различные помехи и посторонний фон.
Свет обычных источников очень далек от монохрома тического. Например, энергия Солнца «размазана» по всем частотам оптического диапазона от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Несколько лучше распре делено излучение газового разряда в неоновой трубке: оно состоит из немногих сравнительно узких спектраль
ных линий. Но ширина каждой линии все-таки равна сот ням и тысячам мегагерц.
Энергия же оптических квантовых генераторов скон центрирована в очень малом интервале частот. В этом отношении О К Г похожи на радиотехнические генерато ры, которые при мощности в сотни киловатт могут зани мать полосу частот шириной всего в доли герца. Если обычные источники света используются для простейшей сигнализации или, самое большее, для передачи телефон ного разговора на близкое расстояние, то монохромати
ческий сигнал О К Г позволяет осуществить передачу те левидения по лучу света и светолокацию Луны.
Второе свойство оптических квантовых генераторов — когерентность — поясним с помощью рис. 1.
Свет от источника, пройдя через два очень малень ких отверстия в непрозрачной диафрагме, падает на удаленный экран. В случае, изображенном вверху, экран равномерно освещен. Колебания волн, которые прошли оба отверстия, независимы,— между ними нет никакой связи. Во втором случае источником света служит не обычная лампа накаливания, а оптический генератор, и получается совершенно другая картина: на экране воз никают чередующиеся темные и светлые полосы как ре зультат взаимодействия световых волн, выходящих из двух отверстий и связанных между собой по фазе. Бодни точки экрана световые волны приходят с одинаковыми фазами, амплитуды их складываются, что приводит к
8
увеличению освещенности. В другие места экрана волны приходят • в противофазе, амплитуды их вычитаются, волны взаимно «гасятся», получается темная полоса. Процесс «гашения» и усиления света при сложении двух волн носит название интерференции. Интерференцион ная картина наблюдается в опытах только с источника ми света, дающими лучи, все участки которых связаны определенным фазовым соотношением. Такие источники называются когерентными.
О
О
Лампа
накаливания
I
§
о
Оптический
квантовый
генератор
2 Оптические квантовые |
Рис. 1. |
9 |
|
генераторы |
|
Равномерное
освещение
Интерференционные
полосы
Третье свойство оптических квантовых генераторов заключается в очень высокой направленности светового луча: расходимость луча ОКТ выражается долями уг ловой минуты, т. е. несколькими стотысячными частями полной окружности.' Расходимость луча у квантовых ге нераторов гораздо меньше, чем у любых радиотехниче ских излучающих систем, и она еще может быть умень шена подбором подходящих линз.
ИСПУСКАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА
Свет испускается и поглощается частицами веще
ства — молекулами, атомами, ионами. При переходе их |
|
из одного состояния в другое возникают |
или исчезают |
частицы света — фотоны. |
мы будем счи |
В дальнейших наших рассуждениях |
тать свет не электромагнитной волной, а совокупностью фотонов, своеобразных порций (квантов) света. Такое представление о свете было предложено немецким фи зиком М . Планком в 1901 году и блестяще подтвержде но дальнейшим развитием физики. Каждый фотон имеет
энергию, пропорциональную |
кчастоте света: Е = ^ |
(Е — |
|||
энергия фотона в джоулях, |
— коэффициент пропорци |
||||
ональности, называемый постоянной Планка, |
равный |
||||
6,62 • 10-34 |
дж |
• |
сек). |
|
|
Рассмотрим строение атомов и механизм испускания |
|||||
и поглощения ими фотонов. |
|
ядра и |
|||
Атом состоит из положительно заряженного |
вращающихся вокруг него электронов. Суммарный отри цательный заряд всех электронов равен положительно му заряду ядра, и поэтому атом в целом электрически нейтрален.
Процесс перевода атома из нормального состояния в состояние с большей энергией называется возбуждением.
10