Глава XXIV. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В этой главе мы рассмотрим основные принципы генерации интенсивного когерентного электромагнитного излучения и его усиления в устройствах, получивших название квантовых генераторов и квантовых усилителей. Диапазон длин волн, в котором работают квантовые генераторы, простирается от единиц сантиметров (радиоволны) до тысяч ангстрем (ультрафиолетовое излучение). Элементарным излучателем в таких устройствах является возбужденный атом (молекула). Уже само название этих источников говорит существенной роли, которую играют квантовые физические процессы в механизме их действия. Мы рассмотрим качественно лишь основные принципы их работы, опираясь на классические свойства электромагнитного поля и привлекая лишь упрощенные квантовые представления (подробнее см., например, [6]).

Квантовые генераторы — детище второй половины XX в., однако принято считать, что с их открытием физики опоздали лет на двадцать — тридцать. Физические представления о вынужденном излучении, лежащем в основе действия квантовых генераторов, были развиты Эйнштейном и Дираком еще в начале столетия, а резонатор оптических квантовых генераторов, представляющий собой не что иное, как интерферометр Фабри — Перо, известен с конца прошлого столетия. И тем не менее появление квантовых генераторов датируется 1954-м годом, когда советские физики Басов и

Прохоров и независимо американские — Гордон, Цайгер и Таунс продемонстрировали действие аммиачного мазера (СВЧ-генератор, см). Десять лет спустя это открытие было отмечено Нобелевской премией (Басов, Прохоров, Таунс).

Квантовые генераторы и усилители называют также мазерами и лазерами. Первый термин образован начальными буквами слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн стимулированным испусканием излучения), а второй— аналогично с заменой первого слова словом Light (свет). Стимулированное, или, как его принято называть в отечественной литературе, индуцированное, излучение является физическим процессом, на котором основывается действие квантовых генераторов и усилителей. Интересно, что еще в 1940 г. советский физик Фабрикант предложил использовать это явление для усиления электромагнитного излучения.

Тридцать лет, прошедшие со времени открытия квантовых генераторов, отмечены огромными успехами в развитии этой новой отрасли науки и техники. В первых квантовых усилителях СВЧ на парамагнитных кристаллах (Бломберген, США), созданных в 1956 г., была реализована трехуровневая схема, предложенная годом ранее Басовым и Прохоровым. В 1958 г. Прохоров сформулировал идею об использовании открытых резонаторов, а в 1960 г. Мейман (США) построил первый лазер на монокристалле рубина. Газовый лазер (Джаван, Беннет, Эрриот, США) появился в 1961 г., а годом позже — полупроводниковый лазер (одновременно несколько групп исследователей). С развитием квантовых генераторов в физике и технике появились интенсивные источники когерентного и остронаправленного электромагнитного излучения и высокочувствительные усилители электромагнитных сигналов.