Кристалл CdS 2 страница

Представляют интерес магнитоти-ристоры, у которых напряжение вклю­чения можно изменять, воздействуя внешним магнитным полем. При отсут­ствии'магнитного поля магнитотиристо-ры имеют некоторое среднее напряжение включения. Увеличивая напряженность магнитного поля в одном направлении, можно повысить напряжение включения, а в противоположном направлении,— понизить.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

12.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Еще в XVII веке И. Ньютон создал корпускулярную теорию света, согласно которой свет рассматривался как поток частиц, а X. Гюйгенс разработал волно­вую теорию света, в которой свет объ­яснялся распространением волн в эфи­ре — гипотетической среде, заполняющей все «пустое» пространство и все про­межутки между частицами обычных веществ. В дальнейшем Дж. Максвеллом была создана электромагнитная теория света. Эта теория рассматривала свет в виде электромагнитных волн — взаимо­связанных колебаний электрического и магнитного переменных полей, состав­ляющих единое электромагнитное поле. В конце прошлого века X. Лоренц создал классическую электронную тео­рию вещества, а затем Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой электроны внутри атома вращаются по различным орби­там вокруг положительно заряженного ядра, причем разным орбитам соответ­ствуют различные уровни энергии элект­ронов. Расчеты показали, что напря­женность электрического поля, возни­кающего между электронами и ядром и удерживающего электроны на орбите, достигает миллиардов вольт на санти­метр. Предполагалось, что вращение электронов было причиной излучения световых волн. Но не было объяснения такому странному положению: почему электроны, теряя при излучении энергию, не падают на ядро.

В 1900 г. М. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а от­дельными порциями, которые он назвал квантами, причем энергия кванта равна W = hv, где v — частота излучения, a h — так называемая постоянная Планка, рав­ная приблизительно 6,63-10"³⁴ Дж-с. Впоследствии квант светового излучения получил еще название фотон. В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил с помощью теории квантов фотоэффект, открытый Г. Герцем. (Однако явления дифракции и интерференции теория квантов не могла объяснить. Эти явления можно понять только с помощью волновой теории.)

Нильс Бор первым сумел объяснить планетарную модель атома также с точки зрения квантовой теории. Он показал, что, вращаясь на стационарных (постоян­ных) орбитах, электроны не излучают. Излучение происходит только при пере­ходе электрона с удаленной от ядра ор­биты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близ­кую к ядру орбиту, т. е. на более низкий энергетический уровень, являю­щийся основным. При этом излучается квант света (фотон). А. Эйнштейн по­казал, что момент скачка (излучения

кванта) и направление излучения имеют случайный характер. Такое случайное самопроизвольное излучение принято называть спонтанным. Оно является следствием возбуждения атома, т. е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную от ядра орбиту, на которой электрон обычно находится в течение малой доли секунды. Воз­буждение атома происходит при погло­щении света, или под влиянием темпе­ратуры, или при ударе в атом внешнего электрона. Излучение обычных источ­ников света, например раскаленных тел, является спонтанным, так как различные атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направ­лениях и с различной энергией, т. е. излучение происходит беспорядочно.

Однако существует и другой вид излучения, открытый А. Эйнштейном и называемый вынужденным, или инду­цированным, или стимулированным. Оно заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужден­ное состояние, т. е. переход электрона на основную, менее удаленную от ядра орбиту с испусканием фотона, который по количеству энергии и направлению излучения одинаков с фотоном, вызвав­шим этот процесс. Таким образом, здесь момент излучения и его направ­ление не являются случайными, а опре­деляются фотоном, ударившим в атом.

12.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

Для эффективного использования света в технике связи и в других об­ластях науки и техники надо добиться синхронного и синфазного (одинакового по фазе) излучения атомов, т. е. так называемого когерентного излучения. Впервые идею получения такого излу­чения высказал в 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант. Можно пред­ставить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излуче­ния. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоя­нии, то внешний фотон, ударив в край­ний атом по направлению вдоль цепоч­ки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же на­правление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Аналогич­но произойдет излучение третьего фотона из третьего атома и будут двигаться уже четыре фотона и т. д. В результате световой поток усили­вается в огромное число раз. Теорети­чески коэффициент усиления может до­стигать гигантского значения 10²⁰. Важ­но, что в результате такого усиления будет двигаться целая огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным. Рассмот­ренная схема получения когерентного излучения является весьма упрощенной, но она наглядно поясняет принцип усиления света.

В действительности кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных дать когерентное излу­чение под действием фотонной бомбар­дировки, всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужден­ном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и тем самым уменьшают энергию выход­ного когерентного излучения, т. е. умень­шают усиление света.

Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, то ника­кого усиления света не получится, так как число фотонов, поглощенных не­возбужденными атомами, будет равно числу фотонов, излученных возбужден­ными атомами. Следовательно, для уси­ления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число воз­бужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невоз­бужденном состоянии. Иначе говоря, должна быть так называемая инверсия населенности энергетических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на

основных орбитах (на более низких уровнях), необходимо в большинстве атомов «переселить» электроны на более удаленные от ядра орбиты (на более вы­сокие уровни энергии), т. е. возбудить большинство атомов. Конечно, чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо все это время сохранять инвертиро­ванное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого надо к данному веществу, называемому актив­ной средой или рабочим веществом, подводить тем иди иным способом энергию, вызывающую возбуждение ато­мов. Такой процесс получил название накачки.

Мы рассмотрели принцип создания усилителя света, получившего название лазер — от начальных букв английских слов light amplification by stimulated emission of radiation, означающих «усиле­ние света с помощью вынужденного излучения».

Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осущест­вить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излу­чения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1953 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (СССР), а также амери­канский ученый Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии за исследования в области квантовой электроники. Прин­цип лазера, называемого иначе опти­ческим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 12.1).

В пространстве, заполненном актив­ной средой, между двумя плоскими

Накачка

Рис. 12.1. Принцип устройства лазера

Активная

зеркалами, одно из которых (2) полу­прозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучает­ся во внешнее пространство в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова дви­жется обратно и т. д. Конечно, какой-то внешний источник энергии должен под­держивать инверсное состояние активной среды, и тогда через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Следует отметить, что система двух или нескольких зеркал, в пространстве между которыми могут существовать стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона, называет­ся открытым или оптическим резонато­ром. Простейший оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллель­ных зеркал, называется иначе интер­ферометром Фабри — Перро.

12.3. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно оди­наковых фотонов. Такое излучение имеет ряд весьма важных особенностей. Пер­вая особенность — весьма малая расхо­димость лазерного излучения. Если, на­пример, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5-Ю^-5 см, то угол расхо­димости составляет всего лишь 5 х х Ю^-5 рад, или 0,003°. С помощью соби­рающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкм (для видимого света). При этом угол расходимости уменьшается до 10"⁷ рад. Если такой луч послать на Луну, то он высветит на ее поверх­ности круг диаметром 30 м.

Вторая особенность лазерного излу­чения — высокая монохроматичность, т. е. практически излучение имеет одну-единственную частоту и соответствую­щую ей одну-единственную длину вол­ны. Это объясняется тем, что у всех

фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Но все же при лазерном из­лучении наблюдаются флюктуации час­тоты, за счет того что. некоторая, очень небольшая часть атомов дает спонтанное излучение, некогерентное с основным излучением. Поэтому лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10 ^_3 Гц.

Третья особенность лазерного излу­чения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длитель­ностью излучения от сколь угодно дли­тельных до сверхкоротких (всего лишь Ю^-14—Ю^-15 с) импульсных вспышек. Импульсы света такой малой длитель­ности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Это соответствует мощности, во много раз большей, чем у крупней­ших электростанций. Например, если энергия импульса 10³ Дж, а его длитель­ность 10"¹³ с, то мощность равна 10³ Дж/10^-13 с=10¹⁶ Вт=10¹⁰ МВт. Огромная мощность лазерного излуче­ния приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагре­ты до весьма высоких температур. Ин­тенсивность сфокусированного лазерно­го пучка может быть 10²⁰ Вт/см² и более, и при этом напряженность элект­рического поля в луче достигает 10¹¹ В/см. Под действием такого силь­ного поля у многих веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы.

12.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

В настоящее время существует мно­жество лазеров разного типа. Они раз­личаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие и газо­образные вещества, а из многих спо­собов накачки наиболее универсальны оптическая и накачка с помощью элект­рического разряда в самой активной среде. Следует отметить, что накачка может быть непрерывной или импульс­ной. Последняя удобна для получения импульсного лазерного излучения и вы­годна, в частности, тем, что активная среда меньше нагревается и, следова­тельно, облегчается ее охлаждение.

Рассмотрим основные типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Активная сре­да — диэлектрический кристалл или спе­циальное стекло. Возможность лазерно­го излучения существует у нескольких сотен различных диэлектрических кри­сталлов. Примером твердотельного ла­зера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко исполь­зуемый в настоящее время. Рубин пред­ставляет собой оксид алюминия с при­месью ионов хрома. Лазер на рубине дает излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0,69 мкм. Раз­личные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами. Генери­руемое излучение у лазеров на стеклах может быть с разной длиной волны, в частности 1 мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оп­тическую накачку, например в виде из­лучения газоразрядных ламп (ймпульс-ных или непрерывного горения) или ламп накаливания. Источником на­качки может быть вспомогательный лазер.

Жидкостные лазеры. В качестве ак­тивной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов^ Из­вестны несколько сотен различных ор­ганических красителей, пригодных для лазерной генерации. Они позволяют по­лучать излучение с длиной волны от 0,3 до 1,3 мкм, т. е. от ультрафиолето­вого до инфракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или* от газо­разрядной лампы.

Газовые лазеры. Существует много разновидностей. Одна из них — фото-диссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (рас­падаются) на две части, одна из кото­рых оказывается в возбужденном состоя­нии и используется для лазерного из­лучения.

C0₂+N₂ C0₂+N_z

С0_г+Ы_г

Рис. 12.2. Принцип устройства С0₂-лазера

Излучение

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в ко­торых активной средой является разре­женный газ (давление 1 — 10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлею­щим или дуговым (см. гл. 21) и созда­ется постоянным током или переменным током высокой частоты (10 — 50 МГц).

Имеется несколько типов газоразряд­ных лазеров. В ионных лазерах излуче­ние получается за счет переходов элект­ронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый ла­зер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах гене­рируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ато­мов. Эти лазеры дают излучение с дли­ной волны 0,4—100 мкм. Пример — гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоян­ным напряжением примерно 1000 В.

К газорязрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излу­чение возникает от переходов электро­нов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий дли­нам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молеку­лярных лазер на диоксиде углерода (С0₂-лазер). Он может давать в непре­рывном режиме мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД — около 40%. К основному углекислому газу обычно еще добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накач­ки применяют тлеющий разряд постоян­ного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схема­тически он показан на рис. 12.2.

Разновидность С0₂-лазеров — газо­динамические. В них инверсная населен­ность, необходимая для лазерного из­лучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20—30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется,

а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так на­зываемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.) либо его соединение с хлором или фтором. В та­ких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энер­гией в сотни килоэлектрон-вольт). Излу­чаемая волна получается наиболее ко­роткой, например у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью иони­зирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем (рис. 12.3). Ионизирующим излучением служит по­ток быстрых электронов либо ультра­фиолетовое излучение. Такие лазеры на­зывают электроионизационными, иногда лазерами на сжатом газе.

Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций, получаются в химических лазерах. Здесь использу­ются смеси некоторых химически актив­ных газов (фтор, хлор, водород, хло­ристый водород и др.). Химические ре­акции в таких лазерах должны проте­кать очень быстро. Для ускорения при­меняются специальные химические ре-

Ионизирующее излучение

Лазерное излучение

Рис. 12.3. Электроионизационная накачка

агенты, которые получаются при диссо­циации молекул газа под действием оп­тического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. При­мером химического лазера может слу­жить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип газового лазера — плаз­менный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (маг­ний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1 — 1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41—0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой об­ласти.

Полупроводниковые лазеры. Хотя они являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих ла­зерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с ниж­него края зоны проводимости на верх­ний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка про­изводится пучком быстрых электронов с энергией 50—100 кэВ. Возможна так­же оптическая накачка. В качестве полу­проводников используются арсенид гал­лия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электрон­ным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излу­чение ухудшается. Поэтому такие лазе­ры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Пучок злентроноо

Излучение

Полу проводник

Рис. 12.4. Поперечная накачка электронным пучком

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 12.4) или продоль-

Пучок электронов

Излучение

Щ-------------

Полупроводник

+ о-

п	Излучение
р

Рис. 12.6. Принцип • устройства инжекцион-ного лазера

Рис. 12.5. Продольная накачка электронным пучком

ной (рис. 12.5). При поперечной накачке две противоположные грани полупро­водникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накач­ки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улуч­шается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера — лазер на суль­фиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Второй тип полупроводникового ла­зера — так называемый инжекционный лазер. В нем имеется и —р-переход (рис. 12.6), образованный двумя вырож­денными примесными полупроводника­ми, у которых концентрация и донор-ных, И' акцепторных примесей состав­ляет 10¹⁸ —10¹⁹ см^-3. Грани, перпенди­кулярные плоскости п — р-перехода, отпо­лированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под дей­ствием которого понижается потенци­альный барьер в я —р-переходе и про­исходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсив­ная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и воз­никает лазерное излучение. Для инжек-ционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение име­ет длину волны 0,8 — 0,9 мкм, КПД

довольно высок — от 50 до 60 %. Мини­атюрные инжекционные лазеры с линей­ными размерами полупроводников око­ло 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощ­ность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлажде­ния.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных осо­бенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применя­ются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

В состав многих лазеров входят до­полнительные устройства для управле­ния излучением, расположенные -либо внутри резонатора, либо вне его. С по­мощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может состав­лять 0,1 — 100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бы­вает в пределах от 10^_3 до Ю^-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощ­ность — 10⁹ Вт для наносекундных им­пульсов и 10¹² Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов.

12.5. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В настоящее время лазеры получи­ли широкое применение в науке и тех­нике. Возникла новая область физики — нелинейная оптика, в которой изучается взаимодействие мощного лазерного из­лучения с различными веществами. За счет высокой при лазерном излучении напряженности электрического поля, превышающей напряженность внутри­атомных электрических полей, происхо­дят изменения в электронной оболочке атомов и возникает ряд новых явлений. Некоторые из них кратко перечислены ниже.

Лазерный луч может проникать че­рез вещества, непрозрачные для обычно­го света. При этом возможно явление самофокусировки. Иногда наблюдается увеличение частоты лазерного излучения в два-три раза, если оно проходит через некоторые вещества, например, инфра­красное излучение становится зеленым, частота которого в два раза выше. Такое явление называют генерацией гар­моник (второй, третьей и т. д.). Оно объясняется тем, что при взаимодей­ствии лазерного излучения с атомами вещества возможно объединение двух, трех и более квантов в один. При удвоении частоты КПД достигает 100%. Возможен и обратный процесс: деление кванта на два новых, причем сумма энергий и сумма частот полученных двух квантов равна энергии и частоте исходного кванта. Обе новые частоты можно изменять, но сумма их остается постоянной.

Лазерное излучение способно управ­лять движением атомов. Взаимодействие лазерного излучения с атомами вещества вызывает появление в спектре этого вещества новых линий, по которым можно судить о некоторых, ранее неиз­вестных свойствах вещества (нелинейная лазерная спектроскопия).

Важная область применения лазер­ного излучения — связь. Для лазерной связи характерна высокая направлен­ность и огромный диапазон частот, позволяющий разместить практически неограниченное число передач различ­ных видов информации. Посредством лазерного луча можно передавать од­новременно десятки тысяч телевизион­ных программ или десятки миллионов телефонных переговоров. Конечно, для наземной связи лазерным лучом созда­ются помехи в виде различных капель­ных образований в атмосфере (дождь, туман, снег). Например, в густом тума­не связь возможна лишь на сотни мет­ров. Таких препятствий нет в космосе, где возможна связь на огромные рассто­яния. На земле лазерная связь без помех осуществляется по световодам. Они представляют собой кабели из специаль­ного стекла или прозрачной пластмас­сы. Эти вещества обладают высокой прозрачностью и вызывают очень малое затухание лазерного луча. Световоды ценны тем, что позволяют экономить

цветные металлы, из которых делаются обычные кабели, и имеют массу во много раз меньше, чем у металлических кабелей.

Кроме устройств связи лазерное из­лучение используется в локаторах, кото­рые имеют более высокую точность, нежели радиолокаторы. Лазерные лучи применяются для точных геодезических измерений, для сварки и резки различ­ных материалов, в том числе сверх­твердых. Возможно пробивание лазер­ным лучом отверстий. Все эти операции производятся с высокой точностью. По­этому лазерная обработка материалов успешно применяется в технологии из­готовления микросхем. Лазерное излуче­ние может также оказывать существен­ное влияние на химические реакции.

На использовании лазерного излуче­ния основана голография — область нау­ки и техники, занимающаяся получе­нием объемных изображений, а также оптической обработкой информации и ее хранением. Ведется разработка систе­мы голографического объемного телеви­дения. Лазерные методы используются также для высококачественной звуко­записи и видеозаписи.

Исключительно важно применение лазерного излучения в медицине и био­логии. С помощью лазерного луча де­лаются сложные глазные операции. Из­лучение мощного лазера используется в хирургии в качестве скальпеля. Здесь важна абсолютная стерильность лазер­ного луча и его способность прижигать разрезы мелких кровеносных сосудов, чтобы остановить кровотечение.

Взаимодействие лазерного излучения с клетками живых организмов внима­тельно изучают ученые в разных стра­нах. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения дают возможность исследо­вать различные процессы очень малой длительности в клетках. Например, мож­но изучать процесс фотосинтеза в рас­тениях, т. е. преобразование солнечной энергии в химическую, процесс зритель­ного восприятия у человека, детали строения и функционирования молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кисло­ты), обусловливающих явления наслед­ственности. Области применения лазер­ного излучения непрерывно расширя­ются.

12.6. МАЗЕРЫ

Квантовые генераторы диапазона СВЧ (сантиметровые и миллиметровые волны) в отличие от лазеров называют мазерами. Это название происходит от тех же английский слов, что и «лазер», но только первое слово не light, а microwave, т. е. микроволны. Историче­ски в квантовой электронике первым был именно квантовый генератор СВЧ, работавший с активной средой в виде пучка молекул аммиака (NH₃). Такой генератор был впервые построен Н. Г. Ба­совым и А. М. Прохоровым в 1954 г., а также независимо от них Ч. Таунсом с сотрудниками в США. Мазер на ам­миаке применяется и в настоящее время.

Рис. 12.7. Принцип устройства мазера

Принцип работы мазеров имеет мно­го общего с работой лазеров. Главный процесс — вынужденное излучение воз­бужденных молекул — протекает в отли­чие от лазерного не в оптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ. Схема­тически мазер показан на рис. 12.7. Пучок молекул аммиака из источника / влетает в селектор 2, в котором проис­ходит разделение молекул. В качестве селектора большей частью применяют так называемый квадрупольный конденса­тор, который состоит из четырех парал­лельных металлических стержней с раз­ноименным зарядом (рис. 12.8), созда­ваемым напряжением 20 — 30 кВ. Внутри возникает неоднородное электрическое поле, причем на продольной (вдоль стержней) оси симметрии конденсатора поле отсутствует. В молекулярном пуч­ке, поступающем в конденсатор, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая часть в невозбуж­денном. Возбужденные молекулы имеют

Рис. 12.8. Взаимное расположение стержней в квадрупольном конденсаторе

электроны на более высоких энергети­ческих уровнях.

Электрическое поле квадрупольного конденсатора действует на молекулы так, что возбужденные молекулы соби­раются на оси конденсатора, а невоз­бужденные отклоняются от оси. В ре­зультате из квадрупольного конденсато­ра в объемный резонатор 3 (рис. 12.7) попадает пучок возбужденных молекул. Объемный резонатор представляет со­бой колебательную систему в виде не­которой полости, ограниченной проводя­щими стенками. Такой резонатор в за­висимости от размеров обладает обычно несколькими резонансными частотами. В квантовом генераторе резонатор на­строен на частоту, соответствующую переходу возбужденных молекул в ос­новное, невозбужденное состояние. Тог­да поток молекул, в которых осущест­вляется такой переход, излучает электро­магнитные волны, возбуждающие и под­держивающие колебания в резонаторе. Энергия этих колебаний отбирается че­рез вывод 4 резонатора.

Дата добавления: 2015-05-06