Главная | Обратная связь

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

Введение.

 

Оптоэлектроника - это область науки и техники, занимающаяся исследованиями принципов усиления, генерации, преобразования частоты электромагнитных колебаний в широком диапазоне длин волн, включая оптический и радиодиапазоны. Она основана на эффекте вынужденного излучения фотонов атомами, ионами и молекулами и взаимодействии излучения с веществом. Основную роль в квантовой электронике играют процессы вынужденного излучения и положительная обратная связь, что позволило создать квантовые электронные приборы и устройства; молекулярные генераторы радиодиапазона (мазеры), квантовые генераторы оптического излучения (лазеры), усилители электромагнитных волн, устройства для нелинейного преобразования частоты излучения.

Квантовая электроника одна из самых молодых направлений электроники, возникла в середине 50-х годов 20 века на стыке достижений квантовой физики и теории излучения, радиофизики и радиотехники, полупроводниковой и вакуумной электроники. Уже само перечисление научных областей, на основе которых развивалась квантовая электроника, свидетельствует как

о сложности используемых в ней научных идей и многогранности экспериментальных методов так и многообразии практических применений.

Теоретическим началом квантовой электроники можно считать предсказание А. Эйнштейном в 1917 г. вынужденного или индуцированного излучения света. Предложение об использовании вынужденного излучения для усиления оптического пучка было сделано советским физиком В.А. Фабрикантом в 1940 г на основе экспериментов по изучению оптических свойств газового разряда. Однако оно не было своевременно оценено и только в 1961 г. было признано открытием.

Позднее в 1950 г. парижская группа ученых во главе с А. Кастлером (в последствии Нобелевским лауреатом) разработала метод оптической накачки для целей изучения возбужденного состояния атомов, который спустя десятилетие был использован в лазерах. Впервые индуцированное излучение было обнаружено в США.Э. Парселом и Р. Паундом. Но эти работы не привели к созданию приборов квантовой электроники, поскольку все оптические источники того времени были некогерентными и немонохроматическими, а также отсутствовали в оптике и когерентные усилители.

Создание подобных квантовых приборов было возможным в те годы только в радиочастотном диапазоне с использованием уже разработанных когерентных усилителей и генераторов дециметрового и сантиметрового диапазонов. Непосредственной предпосылкой возникновения квантовой электроники стало развитие еще одного направления в радиофизике – радиоспектроскопии, в котором изучаются спектры поглощения различных веществ в радиочастотном диапазоне. Следует подчеркнуть, что развитие радиоспектроскопии началось с обнаружения казанским физиком Е.К. Завойским в 1944 г. эффекта электронного парамагнитного резонанса. Несколько позднее в 1946 г. американскими физиками Ф.Блохом и Э.Парселом был обнаружен ядерный магнитный резонанс.

Непосредственной датой рождения квантовой электроники является 1954 год, когда были созданы Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и независимо Дж. Гордоном, Х. Цейгером и Ч. Таунсом в США первые квантовые генераторы на молекулах NH₃ . В 1964 г. Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике за основополагающие работы по квантовой электронике, которые привели к созданию мазеров и лазеров. Аббревиатура мазер происходит от словосочетания (Microwave amplification by stimulated emission of radiation). Термин лазер произошел в результате замены слова microwave на light (свет). Следующим шагом к формированию квантовой электроники как самостоятельной области физики стал предложенный Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым способ достижения инверсии населенностей атомных уровней при помощи электромагнитной накачки. Сущность этого метода состоит в использовании эффекта насыщения одного из переходов между уровнями под действием вспомогательного излучения в многоуровневой системе. Метод накачки в системе с тремя уровнями получил дальнейшее развитие при создании парамагнитных усилителей СВЧ диапазона, которые обладают сверхнизким уровнем собственных шумов. Это обстоятельство позволило их использовать в радиоастрономии и радиолокации космических объектов.

Предложенная Н.Г. Басовым схема полупроводникового лазера, затем была осуществлена в США в 1962 г. В 1963 г. Ж.И. Алферовым и Р.Ф. Казариновым были предложены так называемые двоичные гетеропереходы в полупроводниках для создания нового поколения полупроводниковых лазеров. Такие лазеры были осуществлены в конце шестидесятых годов в нашей стране и в Японии. Подобные конструкции полупроводниковых лазеров впоследствии стали основными источниками излучения в глобальной системе оптических коммуникаций. В 2000 г. Ж.И. Алферову (Россия), Г. Кремеру (США) и Дж. Килби (США) была присуждена Нобелевская премия за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий. В настоящее время область квантовой электроники, использующая эффекты взаимного преобразования оптических и электромагнитных сигналов, ыделилась в отдельную область – оптоэлектронику.

Применение оптических сигналов, в принципе, позволяет увеличивать скорость передачи и обработки информации, благодаря более высокой несущей частоте (10¹⁵ Гц по сравнению с 10⁹ – 10¹⁰ Гц для электромагнитных сигналов) и возможности параллельного функционирования многих каналов (до миллиона каналов в одной оптоволоконной системе). В качестве источника когерентного и монохроматического оптического излучения используют полупроводниковые лазеры на гетеропереходах, в которых КПД преобразования электрической энергии в оптическую энергию достигает 90%.

Еще одним важным применением лазеров в технике является их возможность воздействия на различные материалы. К концу 20 века мощность лазерных импульсов уже достигла гигаватт, а мощность непрерывного лазерного излучения – десятков кВт. Воздействие такого лазерного пучка приводит к плавлению и испарению даже сверхтвердых и тугоплавких материалов, возникновению высокотемпературной плазмы. Это используется для обработки различных материалов: резки и сверления отверстий, сварки, фигурной обработки поверхностей. Особенно важно применение лазерных технологий при создании нового поколения приборов наноэлектроники.

Важным направлением квантовой электроники является метрология – создание квантовых стандартов частоты, эталонов времени, лазерных теодолитов и дальномеров, используемых в геодезии. Высокая когерентность лазерного излучения позволила реализовать идею голографии и создать целый набор голографических приборов.

Наконец, на базе разнообразных лазеров было разработано большое количество медицинских приборов и устройств диагностического типа, включая лазерный томограф для хирургических операций и лечения различных заболеваний.

В наши дни наибольший интерес в научном мире и промышленности привлекают новые конструкции лазеров двух типов:

лазеры с большим коэффициентом преобразования энергии в оптическое излучение, что связано с широким применением лазеров в быстродействующих системах волоконно-оптической связи и обработки информации.

2. Лазеры сверхвысокой мощности, которые могут использовать и как в мирных целях для создания термоядерных реакторов, так и в военных целях (лазерное оружие).

Поскольку в рассматриваемых типах лазеров, используется ряд общих принципов и методов генерации лазерного излучения, то в начале работы будут изложены физические основы квантовой электроники, а уже затем на этой основе будут рассмотрены наиболее перспективные конструкции мощных лазеров.

 

Взаимодействие электромагнитного излучения и вещества сводится к двум связанным между собой процессам: во-первых, поглощению энергии поля невозбужденными атомами, что ведет к ослаблению поля; во-вторых, преобразованию внутренней избыточной энергии атомов в энергию колебаний, когерентных с внешним электромагнитным излучением, воздействующим на вещество.

В естественных условиях, при равновесии между средой и веществом, на нижних уровнях энергии находится большее число частиц, чем на верхних. Число атомов на каждом уровне называется населенностью уровня. Распределение частиц по уровням имеет вид (Закон Больцмана):

, (1.10)

где C- константа, зависящая от полного числа частиц в единице объема.

Отношение населенностей верхнего уровня N₂ к нижнему N₁ равно:

 

. (1.11)

 

Следовательно, если вещество находится в тепловом равновесии, то отношение населенностей полностью определяется температурой перехода. Поскольку , то вещество в обычных условиях не усиливает, а лишь поглощает энергию проходящей через него электромагнитной волны.

Основная проблема, возникающая при создании квантовых генераторов и усилителей, состоит в создании такого распределения частиц по уровням, чтобы населенность верхнего уровня была бы выше населенности нижних уровней. Вещество, содержащее инверсное состояние населенностей, называется активным. Если на активное вещество падает электромагнитное излучение с частотой , то по мере прохождения волны через вещество будет происходить ее усиление, благодаря тому, что количество вынужденных переходов атомов с уровня на будет превосходить число актов поглощения .

Итак, реальный коэффициент усиления активного вещества зависит от разности населенностей обоих уровней и вероятности вынужденных переходов между ними (W_ik).

. (1.12)

 

- называется числом активных частиц.

Таким образом, в каждой области пространства, заполненной веществом, скорость нарастания электромагнитной энергии пропорциональна числу фотонов в этой области и определяется следующим экспоненциальным законом

, (1.13)

где - коэффициент потерь, служащий качественной характеристикой потерь на рассеяние поля на неоднородностях кристалла, поглощения поля на ереходах, не обладающих инверсной населенностью. Поэтому квантовое усиление возникает при условии, что , т.е. вынужденное усиление активных атомов должно с избытком компенсировать потери электромагнитной энергии в веществе.

Возбуждение активной среды, приводящее к инверсии населенностей энергетических уровней атомов, создается путем накачки, т.е. импульсного или непрерывного воздействия на активную среду электромагнитным излучением определенной частоты. Возбуждение активной среды может осуществляться по трех- или четырехуровневой схеме (рис. 1.1)

 

Рисунок 1.1 Трех- и четырехуровневые системы генерации.

 

Примером трехуровневой схемы является кристалл рубина , содержащий ионы трехвалентного хрома. Именно ионы создают окраску кристаллов. Возбуждение атомов хрома осуществляется за счет оптической накачки. Возбужденные атомы переходят в полосу поглощения, а затем на метастабильный уровень, где их время жизни составляет ~10^-3 с. Уровни с таким большим временем жизни называются метастабильными. Поэтому на них накапливается большое число (более половины) электронов от возбужденных атомов. Метастабильный уровень становится населенным и в квантовой системе возникает инверсия населенностей по отношению к основному уровню. Переходы с метастабильного на основной уровень сопровождаются излучением фотонов с частотой .

Существуют система ионов (например, ионы трехвалентного неодима в

стекле), где возможна генерация фотонов по четырехуровневой схеме (рис.1.1). Излучение фотонов в них наблюдается между метастабильным уровнем и нижним возбужденным рабочим уровнем.

Рисунок 1.2 Процесс возникновения лавин фотонов.

 

Принцип усиления в рубиновом стержне схематически показан на рисунке 1.2 и 1.3.

Рисунок 1.3 Усиление когерентных фотонов

 

Возбужденный внешним воздействием атом излучает фотон, который достигнув другого возбужденного атома, вызывает появление нового фотона. Затем два фотона превращаются в четыре и т.д. В результате вдоль оси стержня возникает лавина фотонов, в которой все фотоны «шагают в ногу» с одинаковой частотой и фазой. Это уже когерентные фотоны. Лавина фотонов движется вдоль стержня, становясь все мощнее за счет новых фотонов, захваченных по пути. Достигнув торца стержня она излучается в виде очень тонкого оптического пучка с расходимостью около 0,003⁰.

 

ЛЕКЦИЯ 2