Квантовые генераторы и их практическое использование

Квантовый генератор - устройство, генерирующее электромагнитное излучение за счёт вынужденного испускания фотонов ансамблем микрочастиц.
Квантовый генератор — общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул.

Квантовые генераторы
лазер (оптический диапазон);
мазер (микроволновой диапазон);
разер (рентгеновский диапазон);
газер (гамма-диапазон).

1.Спонтанное и вынужденное излучение.
1917 г. А. Эйнштейн:
Механизмы испускания света веществом
Спонтанное (некогерентное)
Вынужденное (когерентное)

Вынужденное излучение -
излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона)
Образуются два фотона-близнеца

Нормальная заселенность энергетических уровней
Инверсная заселенность энергетических уровней
2. Использование активных сред .

Активная среда с инверсной заселенностью энергетических уровней -
среда, в которой больше половины атомов находится в возбужденном состоянии

Трёхуровневая система лазера
Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой

Положительно обратная связь
Осуществляется с помощью оптического резонатора, который обычно представляет собой пару параллельных зеркал

Рубиновый лазер
Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Рубиновый лазер
На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Служит для передачи атомам хрома квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Очень быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня.

Рубиновый лазер
Один из торцов стержня зеркальный (для как можно большей задержки фотонов внутри стержня и вызывания как можно большего числа актов вынужденного излучения), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение). Боковая поверхность стержня непрозрачная.

Свойства лазерного излучения:
самый мощный источник света;
исключительная монохроматичность;
дает очень малую степень расхождения угла;
когерентность

при достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние
процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой
излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение

Мазер
Мазер — квантовый генератор, излучающий
когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).
Используется:
-в технике (в космической связи)
-в физических исследованиях
- как квантовые генераторы стандартной частоты

Разер
Рентгеновский лазер — источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, основанный на эффекте вынужденного излучения. Является коротковолновым аналогом лазера.

Разер
Используется в исследованиях в области:
-плотной плазмы
-рентгеновской микроскопии
-медицинской визуализации фазы с разрешением, исследование поверхности материала, и оружия

Газер — квантовый генератор когерентного гамма-излучения. Другие названия — «гразер», «гамма-лазер»
Газер

Применение лазеров:
обработка металлов
в хирургии вместо скальпеля
для получения объемных изображений
связь (особенно в космосе);
запись и хранение информации;
в химических реакциях;
для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;
ядерное оружие.