Квантовые генераторы

Кадр 1

А. Пинский КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Художник Т. Миловидова

Кадр 2

Советские физики Н. Басов, А. Прохоров и американский физик Ч. Таунс были в 1964 г. удостоены Нобелевской премии за исследования по квантовой электронике – теоретической основе квантовых генераторов.

Кадр 3

Квантовая электроника возникла на базе идей квантовой механики. Основы этой науки заложил своими работами М. Планк. Дальнейшее развитие его идеи получили в работах А. Эйнштейна и Н. Бора.

Кадр 4

Согласно квантовой механике переменное электромагнитное поле (электромагнитная волна) квантовано: оно состоит из отдельных порций, называемых квантами, или фотонами.

Кадр 5

Плотность энергии электромагнитной волны ⌂, равна произведению энергии фотона hν на концентрацию ⁿ, т. е. на число фотонов в единице объёма.

Кадр 6

Согласно теории Н. Бора энергия электрона в атоме также квантована: она принимает лишь некоторые значения: Е₁, Е₂... Еₙ. Схематически каждое значение энергии изображается в виде энергетического уровня.

Кадр 7

При переходе электрона с верхнего энергетического уровня на нижний излучается фотон, энергия которого равна разности энергий данных уровней.

Кадр 8

Переходы электронов с верхнего уровня на нижний чаще всего происходят самопроизвольно, случайным образом. Такое излучение характерно для всех окружающих нас источников света.

Кадр 9

Энергия, излучаемая при самопроизвольных переходах, пропорциональна числу возбуждённых атомов.

Кадр 10

Атомы вещества поглощают фотоны, энергия которых равна разности энергий каких-либо двух энергетических уровней. Фотоны с иными энергиями веществом не поглощаются.

Кадр 11

Энергия, поглощаемая веществом, пропорциональна как числу невозбуждённых атомов, так и числу фотонов, вызвавших переходы электронов с нижнего уровня на верхний (т. е. плотности энергии волны).

Кадр 12

В 1916 г. А. Эйнштейн показал, что фотон с энергией, равной разности энергий двух уровней, способен не только перевести электрон с нижнего уровня на верхний, но и стимулировать переход электрона с верхнего уровня на нижний.

Кадр 13

При стимулированных переходах излучаются вторичные фотоны, частота и фаза которых совпадает с частотой и фазой первичных фотонов. Так возникает вынужденное излучение.

Кадр 14

Энергия, излучаемая при вынужденных переходах, пропорциональна числу возбуждённых атомов и числу фотонов, вызвавших эти переходы, т. е. плотности энергии волны.

Кадр 15

Вторичные фотоны, излучаемые при вынужденных переходах, имеют одинаковую частоту и фазу с первичным фотоном. Итак, вынужденное излучение – это монохроматическая и когерентная, т. е. синусоидальная волна.

Кадр 16

В радиотехнике для передачи информации (звука, изображения) могут быть использованы именно синусоидальные волны, ибо только такие волны можно модулировать.

Кадр 17

Волны же, возникающие при самопроизвольном излучении, являются немонохроматическими и некогерентными, и их модуляция невозможна.

Кадр 18

Квантовые генераторы практически излучaют синусоидальные волны. При этом рабочее вещество приводится в такое состояние, при котором вынужденное излучение превосходит по мощности как самопроизвольное излучение, так и поглощение.

Кадр 19

В обычных условиях вещество поглощает столько же энергии, сколько оно излучает, благодаря тому, что невозбуждённых атомов в веществе намного больше, чем возбуждённых.

Кадр 20

Однако, если создать инверсию заселённости энергетических уровней (N₂>N₁), то вещество путём вынужденных переходов станет излучать больше энергии, чем поглощать.

Кадр 21

Если к тому же с помощью резонатора увеличить плотность энергии волны на частоте перехода, то мощность вынужденного излучения превысит мощность самопроизвольного.

Кадр 22

В 1951 г. советский учёный В. Фабрикант показал, что в среде с отрицательным поглощением (т. е. с инверсией заселённости энергетических уровней) могут усиливаться электромагнитные волны любой частоты.

Кадр 23

В квантовом генераторе на пучке молекул аммиака инверсия заселённости энергетических уровней достигается методом сортировки. Квадрупольный конденсатор рассеивает невозбуждённые молекулы,

Кадр 24

а возбуждённые молекулы попадают в объёмный резонатор, настроенный на частоту вынужденного перехода. Молекулы излучают волну с частотой 23,87 Ггц (длина волны λ=1,25 см).

Кадр 25

В оптическом квантовом генераторе – лазере один из возбуждённых уровней активного вещества должен быть относительно устойчивым, т. е. метастабильным – (метод трёх уровней, предложенный Басовым, Прохоровым и Бломбергеном).

Кадр 26

Под действием света определённой частоты электроны переходят с основного на возбуждённый энергетический уровень, где они задерживаются около 10⁻⁸ сек.;

Кадр 27

Часть возбуждённых электронов возвращается на основной уровень. Большинство же из них переходит с возбуждённого на метастабильный уровень, задерживаясь на нём около 10⁻³ сек. Этот процесс называется „накачка“.

Кадр 28

При большой мощности „накачки“ число электронов на метастабильном уровне превысит число электронов на основном, т.е. будет достигнута инверсия заселённости энергетических уровней.

Кадр 29

Теперь достаточно даже одного фотона с частотой, соответствующей переходу с метастабильного уровня на основной, чтобы вызвать лавинную реакцию вынужденных переходов.

Кадр 30

Рабочим веществом в лазере может служить кристалл рубина, активированный атомами хрома. Резонатор образуют два зеркальных слоя, нанесённых на торцы кристалла.

Кадр 31

Критоновая лампа „накачки“ освещает кристалл вспышками зелёного света (порядка 5–10 импульсов в минуту). В промежутках между импульсами кристалл охлаждается.

Кадр 32

С торца возбуждённого кристалла излучается импульс когерентного красного света (λ=7009 Å). Длительность вспышки—несколько микросекунд, а её энергия—около джоуля; следовательно, мощность в импульсе порядка 1 Мвт.

Кадр 33

Газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, заполняется смесью неона и гелия. „Накачка“ осуществляется с помощью тлеющего разряда. Вынужденное излучение происходит в красном и инфракрасном участках спектра.

Кадр 34

В полупроводниковых (инжекционных) лазерах используются кристаллы арсенида галлия или фосфонида индия. „Накачкой“ служит постоянный ток большой плотности – от 10 до 20 ⸗. Кристалл охлаждается до температуры жидкого азота (-196°С).

Кадр 35

С параллельных торцов кристалла, образующих резонатор, излучается когерентный пучок света с длиной волны около 8400 Å. Сигнал легко модулируется за счёт изменения плотности тока в кристалле.

Кадр 36

Ряд. некоторых полупроводниковых лазеров может приближаться к 100%. С помощью этих лазеров разрешается и обратная задача – преобразование энергии когерентного света в электроэнергию с таким же к.п.д.

Кадр 37

Рубиновый и особенно газовый лазеры излучают почти строго параллельные пучки. Расходимость крайних лучей из-за дифракции не превышает нескольких угловых минут, а потому пучки хорошо фокусируются.

Кадр 38

С помощью телескопической системы можно уменьшить расходность пучка так, что на Луне получится пятно с диаметром порядка 3 км.

Кадр 39

Чем меньше расходимость пучка, тем он лучше фокусируется. Линза с фокусным расстоянием 1 см собирает пучок в пятно площадью 0,01 мм².

Кадр 40

Несмотря на малую длительность вспышки, температура в фокусе оказывается в тысячи раз больше, чем при фокусировке солнечных лучей.

Кадр 41

С помощью сфокусированного лазерного пучка производятся тончайшие хирургические операции. Так удаётся приращивать к глазному дну отслоившуюся сетчатку.

Кадр 42

Телевизионная камера Лазерный пучок можно использовать для телефонной связи и радиопередачи. Высокая несущая частота (ν≈10¹⁴ гц) позволяет на одном пучке передать все вещательные и телевизионные программы мира.

Кадр 43

Модуляция светового пучка может осуществиться, например, с помощью эффекта Керра: при изменении напряжённости электрического поля между пластинами прозрачность жидкости (нитробензола) меняется.

Кадр 44

В 1966 г. с помощью лазера был создан „световой мост“ между абонентами телефонных станций „АВ-9“ и „Г-6“ в Москве. Лазерный луч обеспечил устойчивую нормальную связь.

Кадр 45

Всё это — лишь первые шаги лазерной техники. Нет сомнения, что в ближайшие годы наука и техника полностью овладеют неограниченными возможностями, которые возникают при использовании когерентного излучения, получаемого от квантовых генераторов.

Кадр 46

КОНЕЦ Диафильм по физике для классной и внеклассной работы в 10 классе по заказу Министерства просвещения РСФСР Консультант С. Каменецкий Художественный редактор А. Морозов Редактор Л. Книжникова Студия „Диафильм“, 1968 г. Москва, Центр, Старосадский пер., д. №7 D-189-68 TO9059 Цветной O-30

Кадр 47

Импульсные ГЕНЕРАТОРЫ Издано фабрикой экранных учебно-наглядных пособий Всесоюзного треста по производству учебно-наглядных пособий Государственного комитета Совета Министров СССР по профтехобразованию ЛЕНИНГРАД 1968 г.