Является ли лазер квантовым генератором?

Материал из Большой Форум

Перейти к: навигация, поиск
Ф.Ф. Менде
Дата рождения:

02.07.1939 г.

Гражданство:

Флаг СССРФлаг Украины

Учёная степень:

доктор технических наук

Сайт:

http://fmnauka.narod.ru/ http://bolshoyforum.org/forum/index.php?board=50.0

Лазеры считаются квантовыми генераторами. Известно, что лазерное излучение обладает высокой когерентностью, направленностью и мощностью излучения.

В радиотехнике хорошо известен принцип построения излучающих систем, имеющих высокую направленность и мощность излучения. Он заключается в использовании большого количества элементарных фазированных излучателей, расположенных в определённом порядке. Называются такие системы фазированными решетками. Причём, чем большее количество элементарных излучателей используется и чем больше размеры пространства, на котором они расположены тем большую направленность и мощность можно получить. Для получения высокой направленности линейные размеры системы должны быть значительно больше, чем длина излучаемой волны.

В рабочем веществе лазера тоже всегда содержится громадное количество элементарных излучателей, которыми являются атомы или молекулы рабочего вещества. Если речь идёт о твердотельных лазерах, например на основе рубина, то излучающие атомы тоже расположены в кристалле рабочего вещества в строго определённом порядке. Возникает вопрос, что будет, если такие атомы, являющиеся элементарными излучателями, каким-либо образом синхронно возбудить, причём так, чтобы их колебания были сфазированы. С радиотехнической точки зрения такая система должна давать очень узконаправленное излучение, т.к. количество излучателей очень велико, а длина излучаемой волны гораздо меньше линейных размеров рабочего элемента. Но возникает вопрос, каким образом можно возбудить атомы синхронным образом. Одним из таких способов является ударное возбуждение, когда рабочее вещество лазера облучают коротким импульсом от лампы вспышки.

Следовательно, такой генератор работает по всем законам электродинамики и радиотехники, и ничего в нём квантового нет, хотя название у него очень красивое – двухуровневый квантовый генератор.

Но известны и многоуровневые квантовые генераторы, в которых кванты перебрасываются на более высокие уровни, а излучение происходит путём их опускания вниз последовательным образом путём прохождения нескольких уровней. И это уже точно квантовые генераторы. Но прозаичные радиоинженеры и здесь говорят, что никакие они не квантовые, просто речь идёт о нелинейных параметрических системах, в которых, благодаря нелинейным свойствам среды, происходит или параметрическое усиление или параметрическая генерация. Все эти процессы хорошо описываются так называемыми соотношениями Менли-Роу.

Все выдумки релятивимтов и квантовиков это плод той математической схоластики, которая превратила современную физику в метафизику. Чтобы было понятно, о чём идёт речь, приведу пример обычного механического резонатора, например камертона.

Если ударить камертон, то он некоторое время звенит, генерируя звуковые волны. При этом он теряет энергию, и колебания в нём затухают. Если возбудить камертон в вакууме, то он будет «звучать» гораздо дольше, т.к будут отсутствовать потери на возбуждение звуковых волн. Любой колебательный процесс характеризуется таким параметром как добротность, чем меньше активные потери в колебательной системе, тем выше её добротность. Она численно равна количеству периодов колебаний, укладывающемся в том промежутке времени, за который амплитуда колебаний уменьшается в е раз. Это обычный классический всем нам понятный подход. Этот процесс с математической точки зрения можно рассмотреть по-другому, считая, что это никакой не механический, а квантовый осциллятор. При этом считается, что у возбуждённого камертона имеется два энергетических уровня: нулевой и верхний (возбуждённый). Считается, что в то время, когда мы механически возбуждаем камертон, этот механический резонатор перепрыгивает на верхний энергетический уровень. Квантовая механика определяет время жизни на этом верхнем уровне. Оно в точности равно тому отрезку времени, который необходим для того, чтобы амплитуда колебаний в механическом резонаторе уменьшилась в е раз. Схоластика? Конечно.

Если взять сто миллионов камертонов и синхронно сфазировано их возбудить, да ещё правильно расположить их в пространстве, то можно получить когерентный, мощный и узко направленный звуковой луч. Такие системы с успехом используются в гидролокаторах. И весь этот процесс по-прежнему можно рассматривать как фазированную решетку механических вибраторов. Квантовая механика считает, что такая система является двухуровневым квантовым генератором. Конечно, такой подход ничего общего с физикой не имеет, а является результатом тех схоластических математических подходов, о которых уже говорилось.

В рубиновом лазере в матрице корунда небольшой процент атомов алюминия замещены атомами хрома. Эти атомы имеют строгую ориентацию в пространстве и свою резонансную частоту. Но если возбудить этот резонанс, то атом хромы будут испускать не звуковые, а электромагнитные волны. Далее вся та же история как с камертонами, только атомов хрома в одном кубическом сантиметре рубина не сто миллионов, а десять в двадцать второй степени.

Квантовая механика оперирует кроме понятия времени жизни на верхнем уровне, т.е. в возбуждённом состоянии, такими понятиями как спонтанные и стимулированные переходы. Что это такое. Если у вас на потолке висит лампочка накаливания, то она испускает некогерентный свет. Почему? А потому что фазы колебаний всех атомов, которые колеблются в результате нагрева вольфрама, несфазированы а самопроизвольны. Поэтому, если вы хотите поучить лазерное когерентное излучение, то вы должны не только возбудить в атомах или камертонах колебания, но и возбудить их так, чтобы их фазы совпадали. Тогда вы и получите когерентное (лазерное) излучение. Поэтому задача создания лазера заключается не только возбуждении колебаний в отдельно взятых атомах (например атомов хрома в рубиновом лазере) но ещё и получение правильной фазировки их колебаний при таком возбуждении. Коль вы этого сумеете добиться, то и поучите то излучение, которое в квантовой механике называют стимулированным. Для этих целей служит внешний резонатор, куда помещают активное вещество. При этом одна из колебательных мод внешнего резонатора должна в обязательном порядке совпадать с резонансной частотой атомов активного вещества. Фазировка при облучении рубина лампой вспышкой происходит очень просто. Свет вспышки возбуждает некогерентные колебания в атомах хрома, а внешний резонатор отбирает из всего множества возбуждённых атомов, только те, фаза колебаний которых совпадает с фазой колебаний в самом резонаторе. Поэтому и КПД у рубинового лазера невысок. Резонатор в даном случае выполняет те функции, которые выполняет резонансный контур вашего приёмника при его настройке на определённую частоту.

Но причём здесь соотношения Менли – Роу спросите вы? Эти соотношения работают в том случае, когда в нелинейной среде имеется несколько резонансов, скажем три резонанса. В такой среде такие резонансы не являются самостоятельными и энергетические процессы в них связаны. Причём если вы возбудите один из резонансов, то буду возбуждены и остальные. Причём если сопоставить энергию, запасённую в каждом из рассмотренных резонаторов, то она буде пропорциональна их резонансной частоте. Это квантовая механика интерпретирует как наличие в среде энергетических уровней пропорциональных частоте. А процессы перекачки энергии из одного резонатора в другой, которую обеспечивает нелинейность среды, квантовая механика интерпретирует как перепрыгивание с одного энергетического уровня на другой.

Видите как всё просто. Но этих элементарных вещей физики просто не знают, их просто так учили.

Любят физики всякие сверх естественные вещи. То у них электроны совершенно невообразимым образом с орбиты на орбиту перепрыгивают и загадочные кванты излучают. То близнецы в космических кораблях, несущихся со световыми скоростями, по миллиону лет живут. Но вот инженеры, которых физики технарями называют, никак этому не верят, и не зря!

Любит учёная братия простолюдину лапшу на уши вешать. А почему? Да потому что хотят выглядеть в их глазах особыми квантами нечеловеческого происхождения. Но заверяю вас, что они такие же квантовые, как и камертоны.

Личные инструменты