Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

том — неоднородные магнитные поля, принцип же сортировки оди­ наков. По существу сортировка пучков в неоднородных полях разби­ ралась на примере атомов водорода (магнитная сортировка) в § 2.9. Поэтому здесь лишь отметим, что метод сортировки пучков в неод­ нородных полях был использован для получения отрицательной тем­ пературы в квантовом генераторе на пучке молекул аммиака, т. е. в установке, с которой ведет свое начало квантовая электроника. Ме­ тод сортировки в неоднородных полях и в настоящее время не потерял своего значения для создания отрицательной температуры в пучках.

Получение отрицательных температур в плазме газового разряда (стационарный газовый разряд). Газовый разряд используется для создания отрицательных температур в газовых лазерах. Процессы в газоразрядной плазме, приводящие к появлению отрицательной тем­ пературы между некоторыми уровнями, довольно сложны и многооб­ разны. Часто здесь отрицательная температура создается одновре­ менно между несколькими парами уровней, так что лазер может одно­ временно генерировать несколько частот.

Метод получения отрицательной температуры в полупроводнике путем инжекции носителей тока через /j-я-переход. Этот метод наиболее широко используется для возбуждения полупроводниковых лазеров. Первые лазеры на основе GaAs были также запущены с его примене­ нием.

Метод заключается в том, что происходит инжекция (впрыскива­ ние) извне электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону. В результате в полупроводниковом кристалле в тонком переходном слое между областями с повышенной концентрацией электронов и ды­ рок создается отрицательная температура.

Метод возбуждения электронным пучком. Он применяется исклю­ чительно для возбуждения полупроводниковых лазеров. К недостат­ кам этого метода следует отнести необходимость иметь пучок высоко­ энергетических электронов с энергией в десятки килоэлектронвольт.

Метод теплового возбуждения квантовых генераторов. В настоя­ щее время интенсивно изучаются возможности теплового возбуждения газовых систем. Идея здесь чрезвычайно проста и основана на том, что при быстром изменении температуры газа в силу различия времен релаксации уровней в процессе установления термодинамического рав­ новесия 'на некоторых переходах может возникнуть отрицательная температура. Для уяснения сущности вопроса ограничимся рассмот­

пульсном, так и в непрерывном режиме. В последнем случае можно, например, использовать истечение газового потока из сопла или щели (в газовой струе, вытекающей из сопла или щели, происходит быстрое охлаждение газа).

128

§ 4.4. Импульсные методы возбуждения

Существует несколько импульсных методов получения отрицатель­ ных температур. Остановимся на трех методах.

Импульсная инверсия на 180°. Разберем этот метод на примере системы зеемановских подуровней в парамагнитном кристалле, хотя класс систем, для которых можно использовать этот метод, шире. Как и в главе о парамагнитном резонансе, будем исходить из классических представлений о прецессии вектора намагниченности M в скрещенных постоянном и высокочастотном магнитных полях. В постоянном маг­ нитном поле вектор намагниченности ориентирован по полю. Под влия­ нием импульса резонансного высокочастотного магнитного поля про­ исходит поворот вектора намагниченности на 180° относительно на­ правления постоянного магнитного поля. Такое обращение вектора

зонансе с частотой перехода; 2) амплитуда поля и длительность импуль­ са должны быть подобраны так, чтобы вектор намагниченности повер­ нулся в точности на 180° относительно направления постоянного поля; 3) длительность импульса должна быть короче времени спин-решеточ­ ной релаксации, ибо в противном случае инверсия населенности будет разрушаться за счет процессов релаксации. Наконец, жесткие требо­ вания предъявляются к добротности резонатора. Уже одно перечис­ ление этих требований показывает, что получение отрицательной тем­ пературы методом импульсной инверсии на 180° — дело непростое.

Внезапное обращение поля (неадиабатическое). Инверсию насе­ ленностей возможно получить в спиновой системе при внезапном об­ ращении направления постоянного магнитного поля. Если в методе импульсной инверсии на 180° изменилось направление вектора на­ магниченности относительно направления постоянного магнитного поля, то здесь направление поля мгновенно (достаточно быстро) изме­ няется относительно неподвижного вектора намагниченности; при этом возникает инверсия населенностей.

Оба импульсных метода создания инверсной населенности пред­ ставляют сейчас в значительной мере исторический интерес. Еще не­ сколько лет назад предполагалось, что хотя бы один из них можно будет использовать для возбуждения квантовых усилителей или генера­ торов. Однако в настоящее время найдены другие, гораздо более эф­ фективные методы непрерывного возбуждения. Тем не менее разобран­ ные методы применимы для выполнения ряда задач. Например, метод импульсной инверсии на 180° можно применить для измерения времен релаксации.

Не следует думать, что импульсные методы не используются для возбуждения квантовых генераторов. Примером является импульсный метод возбуждения газовых лазеров.

5 Зак. 5

Р А З Д Е Л II

ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На основе новых принципов, разработанных квантовой электро­ никой, созданы различные приборы. Наиболее важные из них приве­ дены в табл. 5.1. В радиодиапазоне—это квантовые парамагнитные усилители и молекулярные генераторы.

Квантовые парамагнитные усилители обладают чрезвычайно вы­ сокой чувствительностью при низком уровне помех, что делает их незаменимыми для приема слабых сигналов. Молекулярные генераторы

В таблице показаны также наиболее важные лазеры. Все сущест­ вовавшие до лазеров источники оптического излучения являются по существу генераторами шума. Излучение их состоит из большого числа гармонических колебаний (с разными частотами), фазы которых хао­ тически изменяются со временем. Излучение ненаправлено. Кроме того, спектральная плотность излучения этих источников невелика. Возьмем, например, наиболее мощный из долазерных источников опти­ ческого излучения — Солнце.

Излучение Солнца в видимой области спектра эквивалентно излу­ чению черного тела с температурой примерно 6000° К- Общая мощность (интегральная по спектру), излучаемая с одного квадратного сантимет­ ра поверхности, равна примерно 7 кет, но спектральная плотность излучения гораздо ниже. В полосе шириной в 1 Мгц на длине волны около 0,48 мкм (зеленый свет), т. е. в области, где спектральная плот­ ность излучения Солнца максимальна, излучаемая Солнцем мощность составляет всего 10^5 вт.

Лазеры же генерируют высоконаправленное когерентное излуче­ ние в узкой полосе частот. Спектральная плотность излучения лазеров может в миллионы раз превышать спектральную плотность излуче­ ния Солнца.

Это позволило решать с помощью лазеров совершенно новые за­ дачи,