Файл: Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы.pdf

а сам атом в этом состоянии — возбужденным. Энергия возбуждения может быть получена атомом не только при поглощении фотона, но и при столкновении с раз­ личными частицами.

Потенциальная и кинетическая энергия каждого эле­ ктрона зависит от близости к ядру и от скорости враще­ ния вокруг него. В основном, невозбужденном, состоя­ нии электроны обладают минимально возможной энер­ гией. Они вращаются на близких к ядру орбитах и обра­ зуют устойчивое электронное облако, радиус которого составляет примерно стомиллионную долю сантиметра (10~8 см). Ядро в сто тысяч раз меньше размеров элек­ тронного облака, хотя практически вся масса атома заключена в нем. Поэтому плотность вещества в атомных ядрах фантастически велика — 2 - 10й г/см3— в десятки тысяч миллиардов раз больше плотности железа. Бу­ лавочная головка из такого вещества оказалась бы тяжелее железной глыбы размером с десятиэтажное здание.

В возбужденном состоянии электронное облако содер­ жит повышенную энергию. Если основное состояние атома—-одно, то возбужденных состояний очень много. Каждое из этих состояний характеризуется своим зна­ чением энергии, измененными скоростями электронов, их расстоянием до ядра, размерами облака и т. д.

Состояния атома принято графически изображать горизонтальными линиями, расположенными одна над другой; интервалы между ними пропорциональны разно­ сти их энергий. Основному состоянию соответствует са­ мая нижняя линия, обозначаемая цифрой 1, а состояни­ ям с более высокой энергией — линии (или уровни) 2, 3, 4 и т. д. Для перевода атома из основного состояния в возбужденное, например, с уровня 1 на уровень 4, не­ обходимо затратить энергию, в точности равную разности энергий соответствующих уровней (Е4—Е]). Именно

Индуцированное испускание сбета

Фотон

этим объясняется процесс поглощения света. Он изобра­

возбужденное состояние.

В возбужденном состоянии атом не может находиться сколько угодно. Он стремится избавиться от «лишней» энергии и вернуться в основное, «спокойное», состояние. Такое его поведение вполне естественно, так как в при­ роде всякая система стремится к устойчивому положе­ нию, к положению с минимальной энергией. Подбро­ шенный шар тотчас падает обратно, стремясь занять

самое нижнее положение.

Возбужденный атом при переходе на нижний уровень излучает свет с частотой, определяемой по разности энергии уровней с помощью формулы Планка (напри-

12

Е — Е

мер, 'Ь\ ——~ —— . где индекс 41 указывает на переход

с уровня 4 на уровень 1). Такое излучение не требует ка­ кого-либо внешнего воздействия и происходит самопро­ извольно. Оно называется спонтанным.

Способность атомов переходить с одного уровня на другие определяется вероятностью перехода для одного

атом с какого-то верхнего уровня может переходить на несколько нижних. В этом случае вводят вероятности переходов с этого уровня на каждый из нижних. Полная вероятность перехода будет равна сумме вероятностей переходов на каждый нижний уровень. Если с уровня 3, например, возможны переходы на уровень 2 и на уро­ вень 1, то полная вероятность перехода с уровня 3 (Л3) будет равна сумме вероятностей переходов на второй (Ли) и на первый (Л31) уровни (Л3 =Л з2+ Л 3!). Величи­ ны вероятностей зависят от структуры атомов.

Часто вместо вероятности перехода пользуются ве­ личиной, которая называется средним временем жизни

сов. Последние уровни с относительно большим време­ нем жизни называются метастабильными.

Пусть нам известна скорость возбуждения (#) како­ го-либо из верхних уровней, т. е. число атомов, которое возбуждается в единицу времени, переходя на этот уро­ вень. В это же время происходит обратный процесс —

13

возвращение атомов в исходное состояние, он сопровож­ дается спонтанным излучением и характеризуется про­ должительностью жизни верхнего уровня (т).

Нас в дальнейшем будут Интересовать такие про­ цессы, где устанавливается равновесие между скоростью заброса атомов на верхний уровень и скоростью их ухода

личество атомов на уровне, или, как мы будем говорить, заселенность данного уровня, определяется скоростью

возбуждения и средним временем жизни этого уровня:

N —1? • т.

Оказалось возможным выбирать механизм возбуж­ дения атомов и управлять заселенностью определенных уровней. И эта возможность получения желаемой засе­ ленности уровней сыграла решающую роль в создании оптических квантовых генераторов.

Спонтанное излучение характеризуется шириной ли­ нии: оно происходит не на одной, строго определенной, частоте, а размещается в некотором интервале частот.

-Процесс спонтанного излучения света известен дав­ но. В 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал, что обя­ зательно должен существовать еще один вид испускания света атомами, так называемое индуцированное излуче­ ние. Этот процесс противоположен процессу поглощения света. При индуцированном излучении фотон, налетая на атом, находящийся в возбужденном состоянии, за­ ставляет его испустить свет и перейти в основное состоя­ ние (см. рис. 2, внизу).

Излучение, которое происходит под действием внеш­ него поля, называют также стимулированным, вынужден­ ным. Оно отличается от спонтанного двумя факторами: возбужденный атом находится на верхнем уровне мень­ шее время; испущенный атомом фотон имеет такую же частоту и фазу, как и у падающего фотона.

14

Поглощение и индуцированное испускание имеют одинаковую вероятность (а).

Пусть на какую-либо атомную систему падает излу­ чение. Оно может или ослабиться за счет поглощения в этой системе, или усилиться благодаря индуцированным

вероятность единичного акта взаимодействия (а) на число атомов в системе, находящихся в возбужденном состоянии (Р2= а -Л г2).

Индуцированное испускание света лежит в основе работы оптических квантовых генераторов.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ о к г

Предположим, что на среду из атомов в двух состоя­ ниях 1 и 2 с энергиями Ei и Е2 падает луч света с часто­

забирать у нее энергии, чем отдавать. Когда концентра­

15

гиями: Л^2< Л М , положение, когда заселенность верхнего уровня больше заселенности нижнего, А ^>Л гь называет­ ся инверсией заселенности. Чем больше инверсия засе­ ленности, т. е. разность Ы2—Л^, тем больше коэффициент усиления света. Этот коэффициент зависит также от ве­

ных радиотехнических колебательных контуров и сверх­ высокочастотных «полых» резонаторов. Наиболее простой тип оптического резонатора полностью аналогичен давно известному в оптике интерферометру Фабри-Перо, пред­ ставляющему собой два плоских зеркала, расположен­ ных строго параллельно друг против друга (рис. 3). Световая волна отразится сначала от зеркала 1, потом

от зеркала 2, снова от зеркала 1 и т. д., пока постепенно не затухнет из-за потери интенсивности при каждом от­ ражении или пока не выйдет за пределы зеркал. Для

Активная среда -Луч, Выходящий из ОКг

16

использования в О К Г пригодны только те волны, что «бегут» вдоль оси системы, т. е. перпендикулярно зерка­ лам; волны, распространяющиеся под углом, после не­ скольких отражений выходят из резонатора и не участ­ вуют в генерации.

Интерферометр Фабри-Перо резонирует лишь на тех длинах волн Хрез, для которых образуются «стоячие»

электромагнитные волны, причем в длине резонатора Ь

жения 100 процентов невозможно. Затухание волны бу­ дет даже в случае резонанса. И чтобы поддерживать колебания, между зеркалами помещают активную среду, она за счет индуцированного излучения усиливает про­ ходящий через нее свет и компенсирует потери. Схема такого прибора изображена на рис. 3. Этот прибор и есть оптический квантовый генератор.

Рассмотрим процесс установления колебаний в таком генераторе. Пусть в точке А активной среды возникла световая волна — например, один из атомов спонтанно испустил фотон определенной частоты. На пути к зерка­ лу 2 этот фотон вызывает индуцированное испускание фотонов той же частоты и направления распространения. Отражаясь от зеркал, волна многократно проходит через среду и все больше усиливается. Так как скорость инду­ цированного испускания пропорциональна плотности световой энергии, т. е. числу фотонов, то каждый испу­ щенный атомом фотон еще больше ускоряет процесс испускания фотонов другими атомами.

Это напоминает цепную реакцию в урановой бомбе: при расщеплении ядра урана освобождается несколько нейтронов, каждый из них в свою очередь разбивает по ядру и т. д. Если нейтроны почти не теряются за счет вы­

ЩДИ0;Ь::А СССР