Накачка в квантовой электронике. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Накачка в квантовой электронике - процесс создания неравновесного состояния вещества под воздействием эл--магн. полей, при соударениях с заряженными или нейтральными частицами, при резком охлаждении предварительно нагретых газовых масс и т. п. H. переводит вещество из состояния термоди-намич. равновесия в активное состояние (с инверсией населённостей), в к-ром оно может усиливать и генерировать эл--магн. волны (см. Квантовая электроника, Лазер). Термин "Н." применяется также в радиотехнике и оптике для обозначения процессов воздействия на элементы параметрич. систем. H. наз. и воздействие циркуляры) поляризованным оптич. излучением на систему парамагн. частиц, находящихся в магн. поле, с целью изменения разности населённостей магн. зее-мановских подуровней энергии (см. Зеемана эффект, Квантовые стандарты частоты, Квантовый магнитометр).

В классич. трёхуровневой системе (рис. 1) получения инверсии населённостей квантовых уровней энергии в процессе H. эл--магн. волна насыщает квантовый переход между ннжним (

) и верхним (

) уровнями. Насыщение заключается в выравнивании населённостей этих уровней. В условиях насыщения перехода

населённость уровня

может быть или больше, или меньше населённости уровней

Рис. 1. Накачка трёхуровневой системы: распределение населённостей уровней равновесное (а) и в условиях накачки перехода (б).

В результате возникает инверсия населённостей на одном из переходов

или

. Интенсивность эл--магн. поля H. должна быть такой, чтобы индуциров. квантовые переходы происходили значительно чаще, чем релаксац. переходы с уровня

на уровни

. Трёхуровневая схема накачки применяется в квантовых усилителях радиодиапазона (мазерах) и в оптич. квантовых генераторах (лазерах) на рубине. В последнем случае возможна работа только в импульсном режиме, т. к. для насыщения оптич. квантового перехода в твёрдом теле требуются очень большие плотности энергии H., вызывающие при длит. воздействии сильный разогрев и разрушение рубинового стержня (см. Твердотельный лазер). Возможны более сложные схемы H. квантовых систем, напр. четырёхуровневая схема H. лазера на ионах неодима. Осуществить насыщение квантовых переходов в оптич. диапазоне с помощью нелазерных тепловых источников H. очень трудно. С др. стороны, в условиях теплового равновесия при обычных темп-pax практически все квантовые частицы находятся на самом ниж. уровне. Выбрав вещество с четырьмя уровнями энергии, при благоприятных соотношениях скоростей релаксац. переходов между уровнями можно получить инверсию разности населённостей уровней

(рис. 2) и без насыщения переходов

или

. Накачивая переход

, можно получить инверсию на переходе

, если скорость релаксац. процессов между уровнями

значительно меньше скорости релаксации между уровнями

. Под действием H. частицы переходят с уровня

на уровень

и затем в результате релаксац. процесса попадают на уровень

, где накапливаются. В то же время уровень

остаётся практически пустым, поскольку все частицы, попадающие на него, быстро переходят на уровень

H. газовых лазеров осуществляется постоянным или импульсным током. Энергия H. передаётся свободным электронам, к-рые сталкиваются с атомами или молекулами, ионизируют или возбуждают их. Одноврем. идёт обратный процесс рекомбинации электронов и ионов с образованием возбуждённых частиц. Возбуждённые частицы сталкиваются между собой и с невозбуждёнными частицами, обмениваются энергией возбуждения и переходят на др. уровни энергии. В результате в газоразрядной плазме наблюдается широкий спектр возбуждений и возможны инверсные состояния разл. квантовых переходов в диапазоне волн от долей миллиметра до долей микрометра.

Рис. 2. Накачка четырёхуровневой системы: распределение населённостей уровней равновесное (а) и в условиях накачки перехода (б).

В результате хим. и фотохим. реакций в газах также образуются ионы, атомы или молекулы в возбуждённом состоянии. Последующие хим. превращения и релаксац. процессы часто приводят к инверсии населённостей или непосредств. продуктов реакции, или специально введённых примесей с подходящей структурой энергетич. уровней. Газоразрядные лазеры и хим. лазеры могут иметь очень большой (до 50%) коэф. преобразования мощности H. в мощность лазерного излучения.

H. гетеролазеров осуществляется постоянным (или импульсным) током. Под действием сильного прямого тока через p - n-переход происходит диффузия носителей заряда в зону p - n-перехода и повышается их концентрация до такой степени, что плотность занятых уровней вблизи дна зоны проводимости становится больше плотности занятых уровней вблизи потолка валентной зоны. T. о. создаётся инверсия разности населённостей уровней в узкой зоне вблизи p - n-перехода. Гетеролазеры также отличаются большим кпд (до 50%). Др. высокоэфф. способом H. полупроводникового лазера является облучение кристалла электронным пучком с энергией 10³-10⁸ эВ. Электронный пучок пронизывает значит. толщину кристалла и производит в его объёме ионизацию с образованием электрон-дырочных пар с достаточной для лазерной генерации концентрацией. Кпд лазера с электронно-пучковой H. может достигать 30% при мощности излучения до 1 МВт.

В параметрич. устройствах радиодиапазона H. осуществляет периодич. изменение величины ёмкости или индуктивности колебат. контура или резонатора. Если ёмкость конденсатора уменьшается в те моменты, когда заряд на нём максимален, и вновь увеличивается, когда заряд отсутствует, то энергия, накопленная в контуре, периодически увеличивается за счёт H. В рассмотренном простейшем случае частота воздействия H. вдвое превышает собств. частоту контура, на к-рой происходит усиление или генерация. Этот эффект наз. параметрич. усилением и используется в усилителях и генераторах радиодиапазона (см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитных колебаний).

Аналогичные явления можно наблюдать и в оптич. диапазоне при воздействии на нелинейную оптич. среду мощной волны H., возбуждающей бегущую волну изменяющегося показателя преломления. Эта волна при благоприятных условиях порождает вторичную эл--магн. волну на частоте, отличной от частоты H. Условиями возникновения вторичной волны являются превышение плотности энергии волны H. над определённым пороговым значением, фазовый синхронизм вторичной волны и волны изменений показателя преломления. Последнее условие может быть реализовано только в анизотропных средах (кристаллах) или в средах о аномальной дисперсией.

H. наз. также оптич. волну, порождающую нелинейные оптич. эффекты, связанные с изучением вторичных когерентных волн, в т. ч. вынужденное комбинац. рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама --Бриллюэна.

Литература по накачке в квантовой электронике

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.