Создание и развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и ряда других советских и зарубежных ученых.
Квантовые генераторы оптического диапазона позволяют получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, равные тысячным долям миллиметра. Созданное на этом принципе технологическое оборудование позволяет обрабатывать различные материалы, производить сварку и т. п.
В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние.
Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние. Пока атом находится в возбужденном состоянии его можно побудить испускать фотон под воздействием внешнего фотона («падающей волны»), энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным.
В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. В этом процессе важно, чтобы испускаемая волна в точности совпадала бы по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.
Излучателем — активным элементом могут быть твердые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Квантовые генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном режиме и до 50 МВт в импульсном режиме.
В качестве излучателя используют также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Жидкостные квантовые генераторы на неорганических жидкостях по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов.
Излучателями могут также быть газы и газовые смеси; водород, азот, аргон, углекислый газ и др. У таких генераторов — самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком к. п. д. (15—20%).
В качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др.
Рис.94. Энергетическая схема квантового генератора на кристалле рубина
Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малой массой, экономичны и имеют самый высокий к. п. д. (до 70%).
Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового разряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р—п перехода. Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров теплоту и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режимах.
В квантовых технологических генераторах обычно в качестве основного энергетического элемента используют рубин. Рубин — это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Сr. Розовый кристалл рубина обрабатывают в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла полупрозрачный. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине представлена на рис. 94.
В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном состоянии 1, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят на один из выше расположенных уровней 2.
Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень 3. Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние IV.
Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении рубинового стерженька импульсной лампой бoльшинcтвo атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, летают по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В том случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца рубина в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 А. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным.
Излучение узконаправленно вследствие того, что испускаются волны лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси прибора. Это излучение мощное, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное.
Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собой резонансный процесс и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомом. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот или длин волн. Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значительном объеме, вследствие дисперсии света различной степени преломления стеклом линзы световых волн различной длины.
Рис.95. Фокусирование линзой а белого и б монохроматического лучей
Дисперсия света приводит к тому, что узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр (рис. 95, а).
Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 95, б). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы:
где р — плотность энергии; Е — энергия луча; V — объем фокуса.
Так как объем фокуса для белого луча имеет значительные величины вследствие дисперсии света, то плотность энергии в фокусе такого луча невелика. Для луча лазера объем фокуса очень мал (V → 0), а плотность энергии в фокусе имеет очень большие значения и может достигать 107—108 Вт/см2. Продолжительность импульса мала и составляет 10-9 с.
К. п. д. квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Несмотря на низкий к. п. д. оптических квантовых генераторов на рубине - генераторы этого типа находят практическое применение при сварке (рис. 96, а).