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
и
.
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
и
. 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
и
(рис. 2)
и без насыщения переходов
или
. Накачивая
переход
, можно
получить инверсию на переходе
, если скорость релаксац. процессов между уровнями
и
значительно
меньше скорости релаксации между уровнями
и
. 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.
А. В. Францессон
|
![]() |