Спонтанное и вынужденное излучение фотонов. 
Принцип работы квантового генератора и его использование

Согласно квантовой теории излучения, атом после его возбуждения внешними источниками может самопроизвольно перейти в состояние с меньшей энергией, которое разрешено правилами отбора. При этом происходит излучение квантов, это излучение называется спонтанным. Эксперименты и теория, развитая Эйнштейном, показали, что кроме спонтанного излучения может происходить и вынужденное излучение. Вынужденное излучение происходит из-за внешнего воздействия на возбужденный атом, при этом становятся возможными переходы, которые запрещены правилами отбора. Возможность осуществления вынужденного излучения привело к созданию источников когерентного излучения на различных частотах или квантовых генераторов: лазеров (они испускают световые волны), мазеров (короткие радиоволны), разеры (рентгеновские волны), газеры (гамма-излучение).

Для понимания сути процессов, происходящих в квантовых генераторах, рассмотрим так называемую трех уровневую схему энергетических уровней, такая схема энергетических уровней возникает, например, в кристалле рубина с примесью хрома. На основе такого кристаллического вещества, называемым рабочим телом, в 1960 г. впервые был создан Г. Мейманом в США твердотельный оптический квантовый генератор, получивший название лазера. В таком веществе энергетический спектр атомом хрома такого вещества содержит три уровня. Верхний уровень 3 представляет собой достаточно широкую полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней. Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3 является метастабильным уровнем, это означает, что переход 2 1 в такой системе запрещен законами квантовой механики. Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода. Правила отбора не являются правилами абсолютного запрета перехода, просто вероятность запрещенного квантового перехода значительно меньше, чем разрешенного. Попав в такое метастабильное состояние, атом задерживается в нем, так как время жизни атома в метастабильном состоянии в сотни тысяч раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии. Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией Е₂.

Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденные состояния называют накачкой. Существуют различные механизмы накачки. В рубиновом лазере используется импульсная оптическая накачка. Для этого кристалл рубина освещается ксеноновой лампой, работающей в импульсном режиме. Лампа испускает мощный световой импульс, содержащий оптическое излучение различных длин волн. Поглощая это излучение, атомы хрома переходят в возбужденные состояния 3 Время жизни таких возбужденных атомов мало, из этих состояний возможны спонтанные переходы 3 1 и 3 2. Для работы генератора важен переход на метастабильный энергетический уровень 2, такой переход является безызлучательным, то есть происходит без испускания фотона, а избыток энергии при этом передается от атомов хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает накопление в кристалле возбужденных атомов с энергией Е₂.

Если такую систему облучить слабым излучением с частотой, соответствующей переходам 2 1, то запрет на переход 21 будет снят и произойдет вынужденное излучение той же частоты. Испущенный фотон воздействует на другие атомы и индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения фотонов носит лавинообразный характер и вынужденное излучение быстро усиливается. К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве рабочих тел в твердотельных лазерах. Созданы также генераторы с жидкими и газовыми рабочими телами, в них за счет непрерывной накачки атомов среды, движущейся по замкнутому контуру, удается получать непрерывное электромагнитное излучение большой интенсивности.

Необходимо отметить следующие свойства вынужденного излучения:

• 1. вынужденное излучение распространяется строго в одном направлении, то есть оно имеет ничтожно малое расхождение пучка волн;
• 2. излучение строго когерентно, т. е. все волны вынужденного излучения, испускаемые атомами, колеблются в одной фазе;
• 3. вынужденное излучение линейно поляризовано;
• 4. вследствие малой расходимости луча, на малой площади концентрируется большая энергия излучения.

Квантовые генераторы нашли различные области применения. С помощью газовых лазеров осуществляется сварка, резка и плавление металлов. Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере. Лазерная локация космических объектов способствовала созданию систем космической навигации, позволила уточнить характеристики движения планет. Сверхстабильные мазеры являются основой стандартов частот и времени. Сверхкороткие мазерные импульсы нашли применение в линиях связи. Мазерные лучи используются и для управления движением ракет. При облучении мишеней излучением мощных газеров получена высокотемпературная плазма. Когерентное излучение разеров лечит глазные, кожные и другие болезни.

С появлением квантовых генераторов связано зарождение новых разделов физики: голографии, которая позволяет проводить фиксацию и восстановление объемных световых полей; нелинейной оптики, изучающей явления при взаимодействии мощных электромагнитных потоков; квантовой электроники, которая предполагает создание микроустройств для обработки и запоминания информации с помощью молекул, имеющих долгоживущие метастабильные состояния.

Бурное развитие квантовой электроники базируется на идеях, высказанных еще в первых работах Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и Ч.Таунса. Этим ученым за фундаментальные исследования в области квантовой электроники в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.