|
Лазеры очень прочно завоевали своё место в науке и технике,. Эти устройства принято называть квантовыми генераторами. Какое красивое название? А еще интереснее, когда между определенными урвнями энерги, однозначно связанными с генерируемой частотой, совершенно загадочным способом прыгают электроны. И живут они на этих уровнях совершенно определенное время, подчиняясь законам квантовой механики. Очень красиво, а, главное, загадочно.
Но если мы скажем, что всё это к реальной ситуации никакого отношения не имеет, то многие будут очень разочарованы. Главное пропадет ореол загадочности, а сказки всегда любят слушать не только дети, но и взрослые. Но имеется ли хоть какой-нибудь сухой остаток от этих сказок?
В мире нас повсюду окружают различные резонансные системы и все гармонические звуки или монохроматические электромагнитные колебания порождаются при помощи механических или электрических резонансных систе. Мы знаем, что одна и та же резонансная система может иметь много резонансов. Наприме, струна, у которой резонансные частоты связаны с её длиной, упругостью стали, из которой она выполнена, и натяжением. Но для каждой конкретно натянутой струны её резонансные частоты однозначно связаны с её длиной таким образом, что при на резонансных частотах на её длине должно укладываться целое число длин полуволн данного колебания. Таким образом, самым низкочастотным колебанием струны будет случай, когда на заданной длине струны укладывается одна полуволна. Для следующей более высокой резонансной частоты должно укладываться две полуволны и т.д. Это приводит к тому, что спектр резонансных частот сгущается в области высоких частот.
Существуют и электромагнитные резонансные системы, в которых колебания осуществляют электромагнитные поля, колеблющиеся внутри ограничивающих их распространение границ. Такие реонаесные системы принято называть объёмными резонаторами. Но их резонансные частоты подчиняются уже более сложным законам, чем резонансные частоты струны. Но все они могут быть лекко вычислены в рамках уравнений Максвелла при правильном определении граничных условий, т.е. условий, которым подчиняются поля на ограничивающих данный объём границах.
Резонировать могут и связанные заряды, например те, которые составляют атом или молекулу. Даже простой атом водорода обладает очень большим количеством резонансных частот. Но вот физическая природа возникновения этих резонансов, а также какие-то физические модели возникновения этих резонансов до сих пор остаются не выясненными. Физически остается неясным также то, почему численные значения резонансных частот подчиняется именно экспериментально полученным значениям.Собственно эта проблема и послужила созданию квантовой механики, где электрон в атоме должен таким странным образом перепрыгивать с одного энергетического уровне на другой.
Но отвлечемся на некоторое время от природы самих резонансов атомных систем, приняв их пока как некий экспериментальный факт физически нам непонятный. Конечно, если есть некий резонанс, то обычно существуют и методы его возбуждения. Ну, например, мы можем ударить молотком по колоколу, или тем же атомом по атому. И в том и вдругом случае возникнут колебания, в первом случае механические, во втором случае – электрические. Этот метод возбуждения колебаний называется ударным. Но если у нас в распоряжении имеется один атом, то мощность его излучения будет ничтожно малой. При создании лазеров перед нами стоит задача взять громадное количество таких резонансных систем и заставить их синхронно колебаться, таким образом, чтбы фазы их колебаний были синхронизированы. Тогда произойдет сложение мощностей таких генераторов, и мы получим то, что принято называть двухуровневым лазером. Имено ударно или каким-либо другим образом возбуждаемый ансамбль большого количества микроскопических резонансных систем и преставляет двухуровневый лазер. Мы в самом начале вспоминали о времени жизни атомов в возбужденном состоянии, которым оперирует квантовая механика. В действительности же это то время, за которое реонансная система или их совокупность отдаёт определенное количество своей энергии во внешнюю среду. Поскольку сам процесс уменьшения запасенной энергии подчиняется экспоненциальному закону, обычно этим временем принято считать время, за которое амплитуда колебаний в резонансной системе уменьшается в е раз.
Таким образом, мы видим, что с одной стороны есть вполне прозрачный физический процесс, когда по определенным правилам происходит вобуждение большого количества электрических резонансных систем и последующая передача полученной при этом энергии во внешнюю среду. С другой стороны имется некий математический аппарат, называемый квантовой механикой, который, не вникая в физическую суть вопроса, дает правильный математический ответ. Мы часто используем математическую схоластику для решения различных физических задач, и нам часто безразлично, почему именно такой метод дает правильный результат. Например, при помощи комплексных величин мы очень просто превращаем интегро-дифференциальные уравнения в алгебраические, решение которых является гораздо более простым. Но, почему этот метод так хорошо работает, мы, в сущности, не знаем.
Ту ошибку, которую допускают многие физики, заключается в том, что они пытаются различным математическим преобразованиям и символам присваивать физический смысл. Но какой, например, физический смысл содержит в себе метод комплексных величин? Так и в квантовой механике. Кокой, например, физический смысл имеют операторы физических величин?
Таким образом, то, что мы называем квановым генератором, представляет из себя совокупность большого количества резонансных систем, которые мы умеем синфазно возбуждать, например ударным способом. А после такого возбуждения вся система по законам обычной электродинамики высвечивает полученную таким образом энергию во внешнее пространство. А, поскольку колебания всех резонансных систем происходит синфазно, то, как и в любой мнгоэлементной антенне, можно получить высокую степень направлености излучения, что и наблюдается в лазерах.
Но может возникнуть вопрос, а что же тогда представляет из себя трехуровневый квонтовый генеротор, когда мы «забрасываем» электроны сначала на верхний уровень, а затем энергия высвечивается на совсем другой частоте. Может здесь и происходит то перепрыгивание с одного энергетического уровня на другой? На этот вопрос тоже есть очень простой физический ответ. Такая система представляэт из себя парметрический генератор, когда за счет нелинейности среды мы можем перекачивать энергию из одной резонансной системы в другую. Метод рассчета таких процессов хорошо разработан в СВЧ технике для одиночных резонансных систем и представлен уравнениями Менли-Роу.
|
