Вимушене випромінювання атомів

Квантова теорія рівноважного випромінювання. У 1916 р Ейнштейн з позиції квантової теорії теоретично розглянув проблему рівноважного випромінювання (див. Розділ 1.1), коли при деякій температурі речовина знаходиться в термодинамічній рівновазі з випромінюванням, що заповнює об’єм деякої порожнини.
Викладаючи основні положення теорії Ейнштейна, введемо в фізичну модель такого процесу ряд припущень, які не змінюючи спільності висновків, дозволять спростити використовувані співвідношення квантової теорії.
Будемо вважати речовина складається з однакових які не взаємодіють один з одним атомів, які можуть перебувати лише у двох квантових станах.
Перший стан з енергією являє собою основний стан атома. Без зовнішнього впливу атом може перебувати в цьому стані необмежено довго.

Спонтанне випромінювання різних атомів і навіть одного атома в різні моменти пір не корельовано. Це означає, що таке випромінювання має випадкове напрям поширення і довільні площину поляризації і фазу. Останнє означає, що спонтанне випромінювання тел неполяризованого і некогерентно, або точніше, має дуже малий час когерентності. Таке випромінювання випускають звичайні джерела світла – лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, нагріті тіла, Сонце та ін.
Для пояснення рівноваги в системі “речовина – випромінювання” слід врахувати також інший процес (рис. 5.14), коли незбуджений атом, поглинаючи випромінювання, переходить в збуджений стан.
Такий процес може відбутися тільки в тому випадку, якщо відбудеться зустріч фотона випромінювання з незбудженим атомом.

Ейнштейн зазначив, що таке протиріччя теорії і досвіду знімається, якщо вважати, що в розглянутій рівноважної системі відбувається ще один процес – процес вимушеного випромінювання. Таке випромінювання називають ще стимульованим випромінюванням, так як воно стимулюється (індукується) випромінюванням, падаючим на збуджений атом. З деякою ймовірністю, яка характеризується в теорії коефіцієнтом, може відбуватися процес, зображений на рис. 5.15. Падаюче випромінювання змушує атом випромінювати.

У чому ж відмінності вимушеного випромінювання атомів від спонтанного? Відзначимо наступні властивості вимушеного випромінювання:
1. Вимушене випромінювання поширюється строго в тому ж напрямку, що і випромінювання, його викликало.
2. Фаза хвилі вимушеного випромінювання, що випускається атомом, точно збігається з фазою падаючої хвилі.
3. Вимушене випромінювання лінійно поляризоване з тією ж площиною поляризації, що і падаюче випромінювання.
Таким чином, кванти вимушеного випромінювання не відрізняються від первинних стимулюючих квантів. Тому вимушене випромінювання при поширенні в речовині відрізняється від спонтанного випромінювання мізерно малою расходимостью пучка, а також когерентністю і лінійною поляризацією хвилі.
Перераховані особливості вимушеного випромінювання є наслідком законів збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу (А. Ейнштейн, П.Дирак, 1927 г.).
Середовища з інверсної заселеністю рівнів. Досвід показує, що речовина в звичайних рівноважних умовах поглинає випромінювання, і в міру поширення випромінювання в речовині його енергія зменшується.

У звичайному стані рівноваги речовини, як це випливає з формули Больцмана (5.64), число атомів в основному стані завжди більше числа атомів у збудженому стані. Це означає, що для створення активного середовища з інверсної заселеність рівнів необхідні спеціальні умови, що забезпечують додаткову генерацію збуджених атомів. Деякі з способів створення середовищ з инверсной заселеністю рівнів будуть розглянуті нижче при обговоренні пристроїв квантової електроніки.
Відзначимо, що іноді активні середовища зінверсної заселеністю рівнів називають середовищами з негативними температурами. Таке незвичайне назва обумовлена ??тим, що якщо у формулі Больцмана (5.64) формально вважати температуру середовища негативною (!), То при ця формула дасть инверсную заселеність рівнів, коли для. Число атомів з більшою енергією в середовищі з негативною температурою перевершує число атомів з меншою енергією.
Квантові підсилювачі і генератори. Ідея посилення і генерації вимушеного випромінювання активним середовищем була реалізована в 1955 р Н.Г.Басовим і А.М.Прохоровим в СРСР і в США Ч.Таунсом, Дж.Вебером та ін.
У першому приладі квантової електроніки – молекулярному генераторі активним середовищем був пучок молекул аміаку. Ідея створення середовища з інверсної заселеністю рівнів була реалізована досить просто. З пучка молекул виводилися молекули з меншою енергією, а збагачений збудженими молекулами пучок представляв собою активну середу.
Сортуюча молекули по енергіях система являла собою складний (квадрупольний) конденсатор, що складається з чотирьох паралельних стрижнів, з’єднаних попарно з високовольтним випрямлячем (кВ). Через наявність у молекул дипольного електричного моменту, орієнтація якого по відношенню до електричного поля у збудженому та збуджених молекул відрізняється, неоднорідне електричне поле конденсатора по різному відхиляло молекули аміаку, що знаходяться в різних енергетичних станах. Молекули, що знаходяться в нижньому енергетичному стані, відхилялися в бік від осі конденсатора і відкидалися з молекулярного пучка. Молекули в збудженому стані відхилялися до осі конденсатора і продовжували рухатися уздовж осі. Відсортований таким чином молекулярний пучок з підвищеною концентрацією збуджених молекул прямував в об’ємний резонатор, в який подавалося електромагнітне випромінювання. Взаємодіючи з молекулярним пучком, вимушене випромінювання з частотою МГц (см) посилювалося. При досить великому значенні коефіцієнта посилення в резонаторі спостерігалася генерація таких СВЧ радіохвиль.
Молекулярні квантові генератори такого типу отримали назву мазерів. Таку назву є абревіатура англійського виразу Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (посилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання).
Молекулярні квантові підсилювачі застосовуються в якості вхідних каскадів радіоприймальних пристроїв в діапазоні довжин хвиль. Завдяки застосуванню таких підсилювачів в НВЧ діапазоні значно збільшилася дальність дії радіолокаторів, ліній космічного зв’язку і радіотелескопів.
Молекулярні квантові генератори дозволяють вимірювати частоти коливань або проміжки часу з найбільшою досяжною в даний час точністю (квантові стандарти частот, атомні годинники). Відносна похибка вимірювання частоти за допомогою таких пристроїв становить -, а похибка ходу атомних (квантових) годин не перевершує одну секунду за кілька тисяч років. Тому такі прилади квантової електроніки застосовуються в службі часу і в системах радіонавігації.
Успіхи квантової електроніки в радіодіапазоні дали можливість її просування в область більш коротких довжин хвиль. Можливість посилення і генерації електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні була обгрунтована в роботах Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, Ч.Таунса, А.Шавлова.
У 1960 р був створений (Г.Мейман, США) оптичний квантовий генератор, який отримав назву лазера (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання). Перший твердотільний лазер був рубіновим лазером. Робочою речовиною такого лазера служив монокристал рубіна (корунд з домішками іонів хрому) у вигляді циліндра довжиною близько 5 см і діаметра близько 1 см.

Посилання на основну публікацію