генераторы и усилители электромагнитных волн, основанные на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Принцип действия квантового генератора СВЧ-диапазона, названного мазером (аббревиатура от английских слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающих "микроволновое усиление за счет вынужденного излучения"), был предложен в 1954 Ч.Таунсом. (Этот же принцип лежит в основе оптических квантовых усилителей и лазеров-генераторов.) Поскольку частота излучения на выходе квантового генератора определяется строго фиксированными, дискретными энергетическими уровнями атомов или молекул активной среды, используемой в таком генераторе, она имеет точно определенное и постоянное значение.
Спонтанное и вынужденное излучение. Энергия электромагнитного излучения выделяется или поглощается в виде отдельных "порций", называемых квантами или фотонами, причем энергия одного кванта равна h?, где h - постоянная Планка, а ? - частота излучения. Когда атом поглощает квант энергии, он переходит на более высокий энергетический уровень, т.е. один из его электронов перескакивает на орбиту, более удаленную от ядра. Принято говорить, что атом при этом переходит в возбужденное состояние.
Оказавшийся в возбужденном состоянии атом может отдать запасенную энергию разными путями. Один возможный путь - спонтанно испустить квант с той же самой частотой, после чего он возвращается в исходное состояние. Это - процесс спонтанного излучения (испускания), схематически изображенный на рис. 1,б. На высоких частотах, т.е. при малых длинах волн, соответствующих видимому свету, спонтанное излучение происходит очень быстро. Возбужденный атом, поглотив фотон видимого света, обычно теряет приобретенную энергию в результате спонтанного излучения менее чем через одну миллионную секунды. Процесс спонтанного излучения на меньших частотах задерживается. Кроме того, атом может перейти в некое промежуточное состояние, потеряв лишь часть своей энергии в виде испущенного им фотона меньшей энергии.
Есть еще один процесс, приводящий к тому, что возбужденный атом испускает эту запасенную энергию. Если на атом падает излучение определенной частоты (как на рис. 1,в), то оно вынуждает атом испустить фотон и перейти на более низкий уровень. Таким образом, приходит один фотон, а уходят два. Вынужденное излучение всегда происходит на той же частоте и с той же фазой, что и у приходящей волны, а потому, проходя мимо возбужденного атома, волна наращивает свою интенсивность.
Итак, волна соответствующей частоты, проходя через среду, в которой имеется избыток возбужденных атомов, усиливается за счет энергии вынужденного излучения этих атомов. Однако, если в среде имеются невозбужденные атомы, они могут поглощать энергию волны. Очевидно, что усиление за счет вынужденного излучения противоположно поглощению, и перевес одного из процессов над другим зависит от того, каких атомов больше на пути волны - возбужденных или невозбужденных.
То, что наряду со спонтанным излучением должно быть и вынужденное, постулировал Альберт Эйнштейн в 1916, приняв, что происходят все три процесса - поглощение, вынужденное и спонтанное излучение. На основании статистических соображений он вывел формулу, описывающую частотный спектр излучения, испускаемого веществом. Использовать вынужденное излучение для создания генераторов электромагнитных волн предложили Ч.Таунс в США и независимо от него русские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров. Все трое за эту работу были удостоены Нобелевской премии по физике (1964).
Квантовый усилитель. Как говорилось выше, можно усиливать излучение, просто пропуская его через подходящую активную среду. Однако при этом коэффициент усиления зачастую бывает незначителен - порядка 1%. Чтобы увеличить усиление, нужно дольше удерживать излучение в контакте с активной средой. Для этого можно заключить активную среду в камеру с отражающими стенками. Тогда поперечная волна будет отражаться от стенки к стенке, немного усиливаясь при каждом проходе. Когда же она достаточно усилится, часть излучения можно выпустить из камеры в качестве выходного.
В диапазоне СВЧ (сверхвысокочастотном), т.е. когда длина волны находится в диапазоне от 0,1 до 100 см, размеры камеры обычно сравнимы с длиной волны. Камера, настраиваемая на нужную частоту путем изменения размеров (ее длина должна быть равна длине волны), называется объемным резонатором.
Если же длина волны излучения составляет примерно 1 мм или меньше, то такой резонатор даже трудно изготовить. Однако можно сделать объемный резонатор для инфракрасного или коротковолнового видимого света так, чтобы его длина была намного больше длины волны, - например, в виде двух параллельных зеркальных пластин (рис. 2). В таком устройстве поперечная пластинам волна, поочередно отражаясь от зеркал, будет оставаться в активной среде и нарастать за счет вынужденного излучения. Волна же, распространяющаяся в любом другом направлении, быстро уходит из резонатора почти без усиления.
Такое направленное действие системы двух параллельных пластин особенно важно для квантовых генераторов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны. В этом случае усиление в активной среде должно быть достаточно большим, чтобы при прохождении волны от одной пластины к другой оно с лихвой возмещало неизбежные потери, претерпеваемые ею при отражении от зеркала. Непрерывное нарастание волны приводит к тому, что в промежутке между зеркалами устанавливаются резонансные электромагнитные колебания. Волны, распространяющиеся в любых других направлениях, не усиливаются настолько, чтобы компенсировались потери. И хотя в закрытой камере такого размера могли бы устанавливаться и поддерживаться миллионы разных видов колебаний и их быстро меняющихся сочетаний, система двух параллельных пластин выбирает из них только поперечные волны (остальные затухают). Поскольку такая система особенно подходит для выделения колебаний с определенной малой длиной волны, она широко применяется в квантовых генераторах инфракрасного и видимого светового диапазона - лазерах.
Чтобы часть света могла выходить из резонатора лазера, одна из пластин должна быть полупрозрачной, т.е. пропускающей часть падающего на нее света и отражающей свет с другими длинами волн. Свет, проходящий через полупрозрачную пластину, образует узко направленный луч. Такое устройство лазера предложено Таунсом и А.Шавловым.
Можно также выводить излучение через малое отверстие в одной из отражающих стенок. Эта схема часто применяется в квантовых генераторах сантиметрового (СВЧ) диапазона длин волн. В лазерах же она не дает столь высокой направленности выходного луча.
Активная среда. Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка:
E2 - E1 h?.
Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана:
n n0e-E/kT,
где k - постоянная Больцмана.
Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.
Трехуровневый квантовый генератор. Метод создания и поддержания избытка атомов в возбужденном состоянии для газов (метод трехуровневой системы) предложен Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, а для твердых материалов - Н.Бломбергеном. Первый трехуровневый квантовый усилитель создали Д.Сковил, Дж.Феер и Г.Зайдель. Трехуровневая система схематически представлена на рис. 3. Первоначально все атомы находятся на самом низком уровне E1, а уровни E2 и E3 не заполнены. Энергетическое расстояние между уровнями E2 и E3 не равно расстоянию между уровнями E1 и E2. Лампа или генератор "накачки" (в зависимости от того, о каком диапазоне идет речь - оптическом или радиочастотном) дает излучение с частотой, соответствующей переходу с нижнего уровня на верхний. Поглощая это излучение, атомы возбуждаются и переходят с нижнего уровня на верхний. Поскольку первоначально на промежуточном уровне E2 нет атомов, на уровне E3 их оказывается больше. Когда на уровне E3 накопится достаточно много атомов, начинается генерация на частоте, соответствующей переходу с верхнего уровня на промежуточный. Для того чтобы квантовая генерация происходила непрерывно, уровень E2 должен быстро опустошаться, т.е. атомы должны удаляться с него быстрее, чем они создаются за счет вынужденного излучения с уровня E3. Уровень E2 может опустошаться разными процессами, такими, как столкновения с другими атомами и передача энергии кристаллической решетке (если активная среда твердая). Во всех случаях энергия преобразуется в тепло, так что необходимо охлаждение прибора.
Накачкой можно перевести с уровня E1 на E3 не более половины атомов, так как далее эффект вынужденного излучения заставляет их возвращаться на нижний уровень. Но если вследствие столкновений или других процессов атомы с уровня E3 быстро переходят на уровень E2, то накачка их на верхний уровень с последующим переходом на промежуточный может продолжаться. Таким путем можно перекачать на уровень E3 больше половины атомов (и даже все). Тогда на промежуточном уровне оказывается больше атомов, чем на нижнем, и начинается генерация на частоте, соответствующей переходу Применение находят обе схемы трехуровневого квантового генератора и усилителя, причем та или другая выбирается в зависимости от свойств имеющегося материала с резонансами на нужных частотах. Вообще говоря, желательно, чтобы активная среда, удовлетворяя всем прочим требованиям, имела высокие резонансы. Если квантовый генератор предполагается использовать в качестве эталона частоты, то резонансы должны быть к тому же острыми. Такие резонансы характерны для спектров свободных атомов и молекул в газах. Резонансы же твердых материалов обычно довольно широкие, хотя ионы редкоземельных элементов и переходных металлов, таких как хром, в кристаллах имеют подходящие спектры.У некоторых материалов такого рода отмечаются высокие и острые резонансы как в СВЧ-, так и в оптическом диапазоне. Например, рубин (оксид алюминия), в котором какая-то доля процента ионов алюминия заменена ионами хрома, может служить активной средой для трехуровневого квантового генератора СВЧ-диапазона. Мейман показал, что рубин пригоден также для изготовления лазера. В обоих случаях используются энергетические уровни ионов хрома.
Лазер. Лазерами называются оптические квантовые генераторы, которые дают излучение, относящееся к видимой и инфракрасной областям спектра (где длины волн меньше 1 мм). По интенсивности такие генераторы намного превосходят все другие виды источников подобного излучения. Кроме того, их выходное излучение приходится на очень узкую полосу частот и имеет форму почти нерасходящегося пучка. К тому же лазерные лучи можно фокусировать в очень малое пятно, в котором плотность световой мощности и напряженность электрического поля колоссальны по сравнению с тем, что могут дать другие источники света. Выходное излучение почти полностью монохроматично и, что еще важнее, когерентно, т.е. полностью согласовано по фазе и лишено хаотической разупорядоченности обычного света. См. также ЛАЗЕР.
Молекулярный квантовый генератор. В первом квантовом генераторе, разработанном Гордоном, Цайгером и Таунсом, использовалась откачанная камера с пучком молекул аммиака. Молекулы пучка, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, выводились из пучка путем их отклонения в неоднородном электрическом поле. Молекулы же, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, фокусировались в объемном резонаторе, где и происходило вынужденное излучение (рис. 4).
Квантовый генератор с молекулярным пучком дает излучение с резко выделенной выходной частотой. Отчасти это обусловлено тем, что в пучке сравнительно мало молекул и они не могут влиять друг на друга. По причине малости числа молекул мала и выходная мощность.
Газоразрядный лазер. Активной средой газоразрядного лазера является смесь благородных газов, таких, как гелий и неон. У атома гелия имеется возбужденное состояние с большим временем жизни, и атомы, возбужденные до этого "метастабильного" состояния, не могут отдать свою энергию возбуждения путем спонтанного излучения. Однако они могут передавать ее в атомных столкновениях невозбужденным атомам неона. После такого столкновения атом гелия оказывается в своем основном состоянии, а атом неона - в возбужденном. Генерация происходит за счет вынужденных переходов с этого энергетического уровня на пустой более низкий уровень атомов неона.
Применение. Квантово-электронные приборы с атомарными и молекулярными системами в качестве активных сред используются в качестве усилителей и генераторов. На более низких частотах такие функции выполняют электронные лампы и транзисторы. Неудивительно, что семейство квантово-электронных приборов уже сейчас может поспорить в отношении многочисленности и разнообразия с более старыми электронными. Квантово-электронные приборы нашли ряд применений, для которых другие электронные приборы подходят плохо или вообще не годятся. Это функции СВЧ-усилителей с низким уровнем шумов, первичных эталонов частоты и времени, а также генераторов и усилителей излучения инфракрасной и видимой области спектра.
Малошумящие СВЧ-усилители. Назначение усилителя состоит в том, чтобы усиливать слабые сигналы, не искажая их при этом и не внося шума (хаотической составляющей). Электронные усилители всегда добавляют к сигналу собственный шум. При работе с крайне слабыми радиосигналами важно, чтобы усилитель вносил как можно меньше шума. Таковы радиосигналы, получаемые от небесных объектов, и радиолокационные сигналы, отраженные от предметов, удаленных на большие расстояния. В этих двух случаях сигнал наблюдается на фоне неба, которое вносит лишь незначительный шум. Это позволяет обнаружить очень слабый сигнал, если он не маскируется шумами самого приемника. Обычные усилители не отвечают требованиям такой задачи, и на помощь приходят квантовые усилители, почти не вносящие шума. Заменив на входе приемника усилитель на электронных лампах квантовым, можно повысить в сто раз чувствительность приемника в СВЧ-диапазоне. СВЧ-приемники с квантовыми усилителями столь чувствительны, что позволяют регистрировать тепловое излучение других планет и определять температуру их поверхности.
Эталоны частоты и атомные часы. Атомы и системы атомов, как уже говорилось, могут поглощать и испускать излучение только с некоторыми определенными частотами или длинами волн. Эти резонансы нередко имеют форму пиков, что позволяет измерять их частоту с высокой точностью. Соответствующие частоты являются характеристическими для тех или иных атомов и молекул и в отличие от построенных человеком эталонов не изменяются со временем. Поэтому такие резонансы могут служить эталонами частоты, длины волны и времени. Частоту внешнего электронного генератора можно проверять для калибровки даже по резонансам поглощения. Квантовые же генераторы непосредственно дают излучение эталонной частоты. При правильной настройке квантового генератора частота на его выходе постоянна. Ее можно использовать для контроля за ходом точных часов или более сложного устройства, предназначенного для измерения с высокой точностью временных интервалов. Активной средой одного из самых точных квантовых генераторов служит атомарный водород (система аналогична устройству первого квантового генератора - мазера - с молекулярным пучком аммиака). Точность его частоты составляет 10?10 %, что соответствует погрешности "хода часов", равной одной секунде за 30 000 лет.