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, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.