Г. Покровский - Физика в технике

Появление квантовомеханических генераторов и усилителей тесно связано с запросами современной радиотехники, поскольку радиодиапазон (длина волны от миллиметров до десятков километров) оказался узким для решения целого ряда таких задач, как повышение количества радиоканалов для передачи информации, повышения направленности излучения радиоволн, обеспечения сверхвысокой разрешающей способности (радиолокация) и помехоустойчивости различных радиотехнических средств.

Освоение космического пространства, а также запросы военной техники потребовали освоения инфракрасного и оптического диапазонов электромагнитного излучения для целей связи и управления быстро движущимися объектами.

Начиная с 1958 года в печати стали появляться сообщения о создании и разработке квантавомеханических усилителей и генераторов, работающих в области видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

В чем же принцип работы таких систем?

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть атомов кристаллических веществ (квантовых микросистем) пребывает на самых низких (или невозбужденных) энергетических уровнях, т. е. обладает минимальным запасом внутренней энергии. Если на такие системы подействовать каким-либо внешним полем, например осветить их светом, то атомы данного вещества, поглощая вполне определенную энергию, перейдут в возбужденное состояние, т. е. будут накапливать энергию. Если система может длительное время находиться в таком возбужденном состоянии, то говорят, что она имеет метастабильные уровни энергии (рис. 31). Если «заставить» возбужденный атом перейти в нормальное (невозбужденное) состояние, она излучит порцию (квант) энергии вполне определенной частоты, величина которой будет пропорциональна разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней.

Чтобы «заставить» атом излучить поглощенную им энергию, можно подействовать на него каким-либо слабым внешним полем, например, облучить светом. В этом случае произойдет вынужденное (или индуцированное) испускание кванта света возбужденным атомом. Луч света, которым освещается такой атом, как бы «стряхнет» его с метастабильного уровня на более низкий, и при этом будет излучена энергия возбуждения атома.

Всеми свойствами, о которых шла |речь, обладают некоторые сорта стекол, шары металлического цезия, соединение кальция с фтором (CaF 2), в котором часть ионов кальция заменена ионами самария или урана, а также твердое кристаллическое вещество — рубин.

Квантовомеханический генератор, работающий на кристалле рубина, позволяет получать монохроматический (одноцветный) луч света, яркость которого, отнесенная к единичному интервалу спектрального диапазона, более чем в миллион раз превышает яркость Солнца в данном диапазоне. Вследствие этого эквивалентная температура такого светового луча, генерируемого квантовомеханическим генератором, оценивается миллиардами градусов и во много раз превышает температуру в центре Солнца. При этом сам генератор остается холодным. Другой не менее интересной способностью такого генератора является то, что он позволяет получать почти параллельные лучи света с чрезвычайно малым угловым расхождением.

Так например, изготовленный в США генератор видимого света на основе искусственного рубинового стержня, генерирующий световые колебания с длиной волны 6943Å, позволяет получать лучи с угловым расхождением менее 0,1° при яркости, в миллион раз превышающей яркость Солнца.

В настоящее время за границей ведутся работы по созданию еще более узких лучей, расхождение которых не будет превышать нескольких угловых секунд. Если такой луч направить на Луну, то он создаст там такую же освещенность, какую может создать находящаяся рядом электрическая лампочка. Использование таких лучей позволяет осуществлять сверхдальнюю оптическую связь в космосе, секретную передачу информации и т. д.

Каким же образом получаются такие лучи света в квантовом генераторе?

Кристалл рубина, изготовленный в виде стержня с параллельными и тщательно отполированными посеребренными торцами, помещается внутрь мощной лампы-вспышки. Лампа-вспышка обычно представляет собой стеклянную или кварцевую трубку, выполненную в виде спирали, заполненную смесью неона и криптона и дающую при вспышке яркий зеленоватый свет.

Лампа-вспышка, освещая рубиновый стержень (рис. 32), переводит атомы хрома в рубине в возбужденное метастабильное состояние, в котором они находятся до того момента, пока их не «стряхнет» луч подсветки, пропущенный внутрь кристалла через непосеребренную часть поверхности одного из его торцов. [2] Вместо луча подсветки обычно используют спонтанное (самопроизвольное) излучение света, возникающее внутри возбужденного кристалла рубина за счет самопроизвольных переходов возбужденных ионов хрома с метастабильного уровня на нижний энергетический уровень. Такой луч, распространяясь в кристалле рубина, на своем пути «стряхивает» все новые и новые возбужденные атомы, и его яркость таким образом все время увеличивается. Дойдя до посеребренного противоположного торца кристалла, луч, отразившись, пойдет в обратном направлении, по пути увеличивая свою яркость, затем снова отразится от заднего посеребренного торца и так далее, пока, наконец, не выйдет из противоположного торца кристалла через непосеребренную часть его поверхности (рис. 33).

В результате получается весьма узкий луч, так как все лучи света, идущие под некоторыми углами к оси рубинового стержня, быстро уходят за пределы кристалла, не получив необходимого усиления.

В дальнейшем предполагается с помощью таких генераторов и усилителей фотографировать отдаленные космические объекты, усиливая яркость изображения, даваемую телескопами, управлять движением спутников, используя эффект светового давления, повышать точность оптических приборов, а также увеличить емкость диапазонов связи в десятки тысяч раз по сравнению с емкостью используемых в настоящее время радиодиапазонов.

Таковы лишь некоторые возможности использования квантовых генераторов, построенных на основе синтеза достижений различных областей науки и техники, и в первую очередь оптики, радиотехники и квантовой механики.