книги из ГПНТБ / Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы

Ю. В. ТРОИЦКИЙ, в. п. ЧЕБОТАЕВ

ОПТИЧЕСКИЕ

КВАНТОВЫЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

УЧЕНЫЕ СИБИРИ О ДОСТИЖЕНИЯХ НАУКИ

Кандидат технических наук

Ю. В. ТРОИЦКИЙ

В. П. ЧЕБОТАЕВ

ОПТИЧЕСКИЕ

КВАНТОВЫЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

ЗАПАДНО-СИБИРСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

Н о в о с и б и р с к * 1 9 6 4

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Применение электромагнитных волн, открытых около ста лет тому назад, принесло людям большую пользу. Сейчас трудно представить, себе жизнь человека без ра­ диосвязи и телевидения, без радионавигационных прибо­ ров и управляемых на расстоянии ракет и спутников. А между тем — это только первые, робкие шаги в овла­ дении безграничными возможностями такого интересней­ шего явления, как электромагнитные волны.

Основной характеристикой электромагнитного излу­

нитных волн разбивается по частоте нй несколько боль­ ших областей. Самую низкочастотную область занимают

радиоволны (Я более миллиметра, V меньше310й гц). За ними идет область инфракрасных лучей, затем — ви­ димая часть спектра (длина волны — от 0,75 до 0,4 мик­

5

коротковолновое излучение — ультрафиолетовые, рентге­ новские и гамма-лучи.

Современная радиоэлектроника использует главным образом радиоволны. Они были открыты в 1888 году не­ мецким физиком Г. Герцем и впервые применены для связи на расстояние русским ученым А. С . Поповым в 1895 году. На заре развития радиотехники применялось низкочастотное излучение, длина волны которого состав­ ляла километры и десятки километров. В 30—40-х го­ дах были хорошо освоены дециметровые и сантиметровые волны, а в 50-х — уже широко использовалась и основ­ ная часть миллиметрового диапазона. В настоящее время прилагаются усилия по освоению субмиллиметровых волн, т. е. волн несколько короче 1 мм.

Чем вызвано стремление к укорочению длины волны? Во-первых, желанием получить как можно больше каналов связи. Каждый из них требует определенной по­ лосы частот, зависящей от информации, передаваемой по

вом и средневолновом диапазонах (длина волны более 100 метров) не укладывается и половины телевизионного канала. И если бы наука и техника не освоили новые диа­ пазоны частот, у нас не было бы ни телевидения, ни ра­ диолокации.

Во-вторых, с укорочением длины волны увеличивается направленность излучения. Направленность — существен­ ный фактор, определяющий качество источника электро­ магнитного излучения. Чем выше направленность луча и меньше его расходимость, тем на большее расстояние передается энергия луча. Вспомним, чем меньше расхо­ дится луч прожектора, тем ярче освещены предметы, на которые он направлен. Ширина луча пропорциональна

6

отношению длины волны к размерам излучающей систе­ мы, поэтому максимальная направленность соответствует минимальной длине волны.

Укорочение длины волны различных радиоустройств до сих пор шло сравнительно медленно, так как требова­ ло создания генераторных и усилительных электронных приборов, работающих на новых частотах. Можно было предполагать, что и дальнейшее развитие радиотехники пойдет по пути медленного и постепенного освоения все более высоких частот.

Однако случилось по-другому. Субмиллиметровые и прилегающие к ним инфракрасные волны еще не исполь­ зуются, зато найдена возможность генерации и усиления видимого света.

Появление оптических квантовых генераторов (ОКГ) и их бурное развитие в последующие годы явились под­ линной революцией в радиоэлектронике и в ряде облас­ тей физики (например, в оптике). Оно открыло перед техникой в высшей степени заманчивые перспективы.

ТРИ СВОЙСТВА ОКГ

Оптический квантовый генератор отличается от хоро­ шо известных источников света тем, что его излучение очень близко к монохроматическому, обладает высокой когерентностью и направленностью.

Монохроматическими называются колебания одной определенной частоты. Энергия источников электромаг­ нитных излучений заключена в некотором спектральном интервале. Чем меньше этот интервал, тем ближе сигнал к монохроматическому. При использовании таких элек­ тромагнитных сигналов в системах связи значительно возрастает объем передаваемой информации и дальность связи, так как появляется возможность увеличить число

7

каналов и почти полностью отфильтровать различные помехи и посторонний фон.

Свет обычных источников очень далек от монохрома­ тического. Например, энергия Солнца «размазана» по всем частотам оптического диапазона от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Несколько лучше распре­ делено излучение газового разряда в неоновой трубке: оно состоит из немногих сравнительно узких спектраль­

ных линий. Но ширина каждой линии все-таки равна сот­ ням и тысячам мегагерц.

Энергия же оптических квантовых генераторов скон­ центрирована в очень малом интервале частот. В этом отношении О К Г похожи на радиотехнические генерато­ ры, которые при мощности в сотни киловатт могут зани­ мать полосу частот шириной всего в доли герца. Если обычные источники света используются для простейшей сигнализации или, самое большее, для передачи телефон­ ного разговора на близкое расстояние, то монохромати­

ческий сигнал О К Г позволяет осуществить передачу те­ левидения по лучу света и светолокацию Луны.

Второе свойство оптических квантовых генераторов — когерентность — поясним с помощью рис. 1.

Свет от источника, пройдя через два очень малень­ ких отверстия в непрозрачной диафрагме, падает на удаленный экран. В случае, изображенном вверху, экран равномерно освещен. Колебания волн, которые прошли оба отверстия, независимы,— между ними нет никакой связи. Во втором случае источником света служит не обычная лампа накаливания, а оптический генератор, и получается совершенно другая картина: на экране воз­ никают чередующиеся темные и светлые полосы как ре­ зультат взаимодействия световых волн, выходящих из двух отверстий и связанных между собой по фазе. Бодни точки экрана световые волны приходят с одинаковыми фазами, амплитуды их складываются, что приводит к

8

увеличению освещенности. В другие места экрана волны приходят • в противофазе, амплитуды их вычитаются, волны взаимно «гасятся», получается темная полоса. Процесс «гашения» и усиления света при сложении двух волн носит название интерференции. Интерференцион­ ная картина наблюдается в опытах только с источника­ ми света, дающими лучи, все участки которых связаны определенным фазовым соотношением. Такие источники называются когерентными.

Третье свойство оптических квантовых генераторов заключается в очень высокой направленности светового луча: расходимость луча ОКТ выражается долями уг­ ловой минуты, т. е. несколькими стотысячными частями полной окружности.' Расходимость луча у квантовых ге­ нераторов гораздо меньше, чем у любых радиотехниче­ ских излучающих систем, и она еще может быть умень­ шена подбором подходящих линз.

ИСПУСКАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Свет испускается и поглощается частицами веще­

тать свет не электромагнитной волной, а совокупностью фотонов, своеобразных порций (квантов) света. Такое представление о свете было предложено немецким фи­ зиком М . Планком в 1901 году и блестяще подтвержде­ но дальнейшим развитием физики. Каждый фотон имеет

вращающихся вокруг него электронов. Суммарный отри­ цательный заряд всех электронов равен положительно­ му заряду ядра, и поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Процесс перевода атома из нормального состояния в состояние с большей энергией называется возбуждением.

10