Реферат Квантові генератори та їх застосування

Ответ:

Спонтанне і вимушене випромінювання. Як ми знаємо, перехід квантової системи (атома, йона, молекули) з одного енергетичного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням кванта електромагнітного випромінювання. Досі ми говорили лише про такий механізм випромінювання (теплового випромінювання, люмінесценції), за якого атом переходить на нижчий енергетичний рівень спонтанно (самодовільно, без будь-якого зовнішнього впливу) (мал. 289, а).

Перейти на нижчий енергетичний рівень та випромінити квант енергії квантова система може і під впливом зовнішнього електромагнітного поля (мал. 289, б). Таке випромінювання називається вимушеним (індукованим). Характерною особливістю вимушеного випромінювання є те, що воно тотожне первинному падаючому на речовину випромінюванню, тобто збігається з ним за частотою, напрямками поширення і поляризації та когерентне у всьому об’ємі речовини. Цю особливість використовують у джерелах потужного когерентного випромінювання - квантових генераторах (лазерах, мазерах).

З’ясуємо деякі особливості механізму індукованого випромінювання. Припустимо, що через речовину проходить електромагнітна хвиля. Як відомо, за рахунок поглинутої енергії частина атомів речовини переходить у збуджений стан (вищий за енергією). Збуджений атом може віддати свою енергію, що дорівнює hv = Е2- Ер сусіднім атомам під час зіткнення чи випромінити фотон у будь-якому напрямі. Якщо зовнішня електромагнітна

хвиля має частоту

то вона ніби ♦струшує» із збудженого атома

подібні до себе кванти випромінювання, не затрачаючи на це енергії. Під її дією атоми узгоджено переходять на нижчі енергетичні рівні, випромінюючи хвилі, які збігаються за частотою і фазою із падаючою хвилею.

У випадку квантової системи, що має два енергетичні рівні (загальна кількість рівнів завжди велика, але йдеться про «діючі» рівні), якою б потужною не була зовнішня хвиля, кількість збуджених атомів буде не більшою від незбуджених. Бо хвиля одночасно збуджує атоми і спричинює індуковані переходи з верхнього рівня на нижній.

Для створення потужного індукованого випромінювання необхідна така квантова система, в якій кількість атомів у збудженому стані перевищувала б кількість атомів в основному стані (система з інверсним станом). Такою може бути квантова система з трьох енергетичних рівнів.

Принцип дії квантових генераторів. Можливість індукованого (вимушеного) випромінювання передбачив ще 1917 р. А. Ейнштейн. Можливість створення інверсного заселення передбачив радянський фізик В. О. Фабрикант у 1939 р. Таким чином зародилась нова галузь фізики -квантова електроніка, розвиток якої привів до створення квантових генераторів - мазерів та лазерів.

У 1951-1954 рр. радянські фізики М. Г. Басов і О. М. Прохоров запропонували застосовувати для збудження атомів газорозрядну лампу, яка оточує прозорий стрижень. Під час спалаху цієї лампи атоми стрижня переходять у збуджений стан, після чого можливе підсилення світла. 1954 року М. Г. Басов і 0. М. Прохоров та американський фізик Ч. Таунас сконструювали прилад, який працював на довжині хвилі Х = 1,27 см , його назвали «мазер», а у 1960 р. в СІЛА вдалось побудувати прилад, який випромінював в оптичному діапазоні, - його назвали «лазер».