Газовый лазер с внешним резонатором

[Fedot]

  Мы уже неоднократно указывали на то, что лазер не является квантовым генератором, а это обычная фазированная решетка, в которой роль элементарных излучателей играют возбуждённые атомы или молекулы активного вещества. В существующих конструкциях отбор атомов, которые образуют фазированную решетку, формирующую направленный лазерный луч, осуществляет макроскопический резонатор, в котором находится активное вещество.
     Макроскопический резонатор в лазере является тем сепаратором, который отбирает только те колебания, расположенных в нём атомов, которые соответствуют определённым условиям. Возбуждённый ударным способом атом, представляющий дипольный излучатель, может находиться в резонаторе в любом месте, и его излучение может иметь любую поляризацию и направление. Но только те атомы, частота которых совпадает с частотой одной из мод макроскопического резонатора имеют шансы дать вклад в лазерный луч. Что для этого нужно? Нужно, чтобы направление излучения этих атомов совпадало с осью резонатора. Вторым условием является то, чтобы расстояние от атомов до обеих линз было кратно половине длины волны излучения атома. В этом случае излучения атома после многократных отражений от зеркал внешнего резонатора образуют экспонециально убывающую стоячую волну.  Если такой атом не один, а их много, и возбуждаются они в разное время, они все вместе образуют незатухающую стоячую волну между зеркалами, которая пройдя через полупрозрачное зеркало, даст лазерный пучок света.  Этот пучок  в силу принципа Гюйгенса будет слабо расходящимся в том случае, если размер полупрозрачного зеркала будет значительно больше длины волны, что и наблюдается на практике.
     Ну а что будет с колебаниями тех атомов, которые не удовлетворяют этим условиям? Эти атомы израсходуют свою колебательную энергию на создание рассеянного некогерентного излучения. Потому то мы и видим яркое свечение прозрачной трубки газового лазера, через которую такое излучение выходит.
    Две конструкции лазера, у которых активное вещество находится за пределами резонатора,  представлены на рисунке. В варианте А внешний резонатор имеет два полупрозрачных зеркала: через левое зеркало происходит его запитка, а через правое – выходит лазерный луч. Со стороны активного вещества на полупрозрачную  стенку  резонатора падают волны с самыми различными фазами и поляризацией, но только те волны, поляризация и частота которых совпадёт с одной из мод резонатора, и которые при падении на зеркало окажутся когерентными, возбудят в резонаторе колебания.   Эти колебания, пройдя наружу через полупрозрачное зеркало, и образуют лазерный луч.   В варианте Б у внешнего резонатора имеется только одно полупрозрачное зеркало, через которое производится и его запитка и выход луча лазера. Указанные конструкции окончательно разбивают  миф о том, что лазер является квантовым генератором.

[Ltlekz49]

1. Диаграмма направленности дипольного излучателя - объёмный тор, поэтому его исходная ориентация не столь и важна - часть излучения всегда окажется направленной вдоль резонатора.
2. Излучение атомов в лазере не спонтанное от ударных взаимодействий, а индуцированное, т.е. вызванное взаимодействием с накопленным в резонаторе ЭМ полем. Поэтому фаза такого излучения уже не является случайной, а навязана пробегающей волной, что делает излучение каждого атома исходно когерентным с полем волны в резонаторе и местонахождение излучающего атома становится также несущественным - излучающий атом может находиться в любом месте в резонаторе.
3. Такое КОЛЛЕКТИВНОЕ индуцированное излучение когерентно и непрерывно, т.е. по своим свойствам полностью соответствует излучению с непрерывным подводом энергии к излучателю, наподобие излучения антенны радиостанции - никаких квантов и фотонов.
Но, конечно каждый атом излучает лишь порциями, только в размере имевшейся у него энергии возбуждённого состояния, которая ограничена и дискретна.

[Fedot]

Излучение атомов в лазере не спонтанное от ударных взаимодействий, а индуцированное, т.е. вызванное взаимодействием с накопленным в резонаторе ЭМ полем. Поэтому фаза такого излучения уже не является случайной, а навязана пробегающей волной, что делает излучение каждого атома исходно когерентным с полем волны в резонаторе и местонахождение излучающего атома становится также несущественным - излучающий атом может находиться в любом месте в резонаторе.

А как Вы объясните работу рубинового лазера, когда кристалл рубина облучают при помощи внешней лампы. В этом случае фазы возбуждённых атомов хрома совершенно произвольны.

[Ltlekz49]

А как Вы объясните работу рубинового лазера, когда кристалл рубина облучают при помощи внешней лампы. В этом случае фазы возбуждённых атомов хрома совершенно произвольны.

С чего бы?
Фаза индуцированного излучения навязана пробегающей волной - в этом и состоит его прелесть - это излучение синхронно и когерентно с вынуждающей силой.

[Fedot]

С чего бы?
Фаза индуцированного излучения навязана пробегающей волной - в этом и состоит его прелесть - это излучение синхронно и когерентно с вынуждающей силой.

В случае рубинового лазера фазы колебаний атомов хром, возбуждённых внешней лампой вспышкой совершенно произвольны. Задача внешнего резонатора состоит лишь в том, чтобы отобрать из этих атомов только те, фазы колебаний которых совпадают с фазой возбуждаемых мод внешнего резонатора. Поэтому так низок коэффициент полезного действия такого лазера. В данном случае внешний резонатор играет примерно такую же роль как и обычный приёмник, который отбирает из множества радиостанций только те, которые попадают в полосу пропускания его резонансного контура. Невысокий КПД имеют и газовые лазеры, там механизм отбора полезных атомов такой же как и в рубиновом лазере и только небольшая часть атомов участвует в образовании лазерного луча. Если вам приходилось наблюдать за работой такого лазера, то вы должны были заметить, как светиться такая трубка, испуская во все стороны некогерентное излучение. 

[Ltlekz49]

В случае рубинового лазера фазы колебаний атомов хром, возбуждённых внешней лампой вспышкой совершенно произвольны. Задача внешнего резонатора состоит лишь в том, чтобы отобрать из этих атомов только те, фазы колебаний которых совпадают с фазой возбуждаемых мод внешнего резонатора. Поэтому так низок коэффициент полезного действия такого лазера. В данном случае внешний резонатор играет примерно такую же роль как и обычный приёмник, который отбирает из множества радиостанций только те, которые попадают в полосу пропускания его резонансного контура. Невысокий КПД имеют и газовые лазеры, там механизм отбора полезных атомов такой же как и в рубиновом лазере и только небольшая часть атомов участвует в образовании лазерного луча. Если вам приходилось наблюдать за работой такого лазера, то вы должны были заметить, как светиться такая трубка, испуская во все стороны некогерентное излучение.  

Речь должна идти не о фазах колебаний самих возбуждённых атомов, а о фазах испускаемого ими излучения.
Часть атомов (в газе) излучает в результате столкновений с другими атомами - это излучение имеет чисто случайные фазы, но в резонаторе значительная часть атомов будет излучать вследствие взаимодействия с полем бегущей волны - индуцированно, и поэтому строго синфазно с ним.
КПД лазера ещё существенно зависит от тех уровней возбуждения, которые участвуют в излучении. Если бы излучение происходило переходом из возбуждённого в основное, то КПД был бы максимально возможным. Реально же излучается при переходе из возбуждённого в промежуточное состояние, т.е. не вся энергия возбуждения тратится именно на излучение, часть уходит с безызлучательными процессами.

[Fedot]

Лазеры считаются квантовыми генераторами. Известно, что лазерное излучение обладает высокой когерентностью и направленностью. В радиотехнике хорошо известен принцип построения излучающих систем, имеющих такие характеристики. Он заключается в использовании большого количества элементарных фазированных излучателей, расположенных в определённом порядке. Называются такие системы фазированными решетками (ФАР). 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, которыми являются атомы хрома, 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 фазированы, как и в ФАР. С радиотехнической точки зрения такая система может давать очень узконаправленное излучение, т.к. количество излучателей очень велико, а длина излучаемой волны гораздо меньше линейных размеров поля излучения. Но возникает вопрос, каким образом можно возбудить атомы. Одним из таких способов является ударное возбуждение, когда рабочее вещество лазера облучают коротким импульсом от лампы вспышки, как это делается в рубиновом лазере. Но при помощи лампы вспышки нельзя возбудить атомы таким способом, чтобы фаза их колебаний соответствовала условиям ФАР. Для такой селекции и служит внешний макроскопический резонатор. Условием указанной селекции является совпадение одной из резонансных мод внешнего резонатора с частотой собственных колебаний атомов хрома. Но этого недостаточно. Решетку ФАР составят только те атомы хрома, которые расположены в тех местах, где их фаза колебаний совпадает с фазой колебаний макроскопического резонатора. Но из общего количества возбуждённых атомов таких оказывается не много, всего несколько процентов от их общего количества. Поэтому коэффициент полезного действия рубинового лазера не высок.
   Следовательно, рубиновый лазер 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. Но такой генератор также работает по всем законам радиотехники. 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 соотношениями Менли-Роу, которые являются энергетическими соотношениями, характеризующими взаимодействие колебаний или волн в нелинейных системах с сосредоточенными или распределёнными параметрами.
   Соотношения Мэнли-Роу справедливы для системы с произвольной реактивной нелинейной связью. В совокупности с законами сохранения энергии и импульса, соотношения Мэнли-Роу определяют характер нелинейного взаимодействия волн (колебаний) и позволяют рассчитать максимальную эффективность преобразователя частоты на реактивной нелинейности.

[Fedot]

 В общем виде соотношения Мэнли -Роу могут быть записаны следующим
образом:

где  - изменение мощности на комбинационной частоте  ,   - частоты исходных колебаний (волн). Причём отношение  должно быть иррационально, поскольку в противном случае, возможно выразить все частоты как гармоники одной фундаментальной частоты.
   Рассмотрим соотношения Мэнли-Роу в частном случае трёхчастотного взаимодействия. Пусть, например, комбинационной является разностная частота . Тогда система имеет три частоты:

В этом случае соотношения Мэнли-Роу принимают вид:

Эти соотношения работают в том случае, когда в нелинейной среде имеется три резонанса. В такой среде резонансы, как уже было сказано, не являются самостоятельными -  энергетические процессы в них связаны, и если возбудить один из резонансов, то будут возбуждены и остальные. Причём, если сопоставить энергию, запасённую в каждом из рассмотренных резонансов, то она будет пропорциональна резонансной частоте. Этот процесс квантовая механика интерпретирует, как наличие в среде энергетических уровней, пропорциональных частоте. А процессы перекачки энергии из одного резонанса в другой, которую обеспечивает нелинейность среды, квантовая механика интерпретирует, как перепрыгивание с одного энергетического уровня на другой с испусканием квантов. Такая схоластическая схема ничего общего с физикой процесса не имеет.
   Первый, так называемый, квантовый генератор, в котором  электромагнитные колебания СВЧ генерировались при помощи молекул NH3, был создан в 1954 H. Г. Басовым и A. M. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом (Ch. Townes), Дж. Гордоном (J. Gordon) и X. Цайгером (H. Zeiger). Оба варианта генераторов работали на пучке молекул аммиака. Его работа объяснялась с точки зрения квантовой механики.  А именно: Молекулы NH3, обладающие электрическим дипольным моментом, пролетая через неоднородное электрическое поле, по-разному отклоняются этим полем в зависимости от их внутренней энергии. В первом молекулярном генераторе сортирующая система представляла собой квадрупольный конденсатор, состоящий из 4 параллельных стержней, соединённых попарно через один с высоковольтным выпрямителем. Электрическое поле такого конденсатора неоднородно, оно вызывает искривление траекторий молекул, летящих вдоль его продольной оси. Молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, отклоняются к оси конденсатора и попадают внутрь объёмного резонатора. Молекулы, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, отбрасываются в стороны.
  Попадая внутрь резонатора, возбуждённые молекулы испускают фотоны под воздействием поля резонатора. Энергия этих фотонов усиливает поле в резонаторе, увеличивая вероятность вынужденного испускания для молекул, пролетающих позже (обратная связь). Если вероятность вынужденного испускания фотона больше, чем вероятность его поглощения в стенках резонатора и излучения за его пределы, то интенсивность поля резонатора на частоте перехода быстро возрастает за счёт внутренней энергии молекул. Возрастание прекращается, когда поле в резонаторе достигает величины, при которой вероятность вынужденного испускания становится столь большой, что за время пролёта резонатора успевает испустить фотон как раз половина молекул пучка. При этом для пучка в целом вероятность поглощения становится равной вероятности вынужденного испускания (насыщение). Мощность, генерируемая молекулярным генератором на пучке молекул NH3, равна 10-11 Вт.
 

[Fedot]

 Как же на самом деле работает молекулярный генератор на пучке молекул аммиака?  У молекулы аммиака действительно существует дипольный момент и в пространстве эта молекула может иметь два положения: одно из них устойчивое, а другое – нет. И если в процессе теплового возбуждения молекула попадает в неустойчивое состояние, то её электрический диполь опрокидывается и начинает колебаться с резонансной частотой. Поскольку размер диполя, определяемый размером молекулы, значительно меньше длины волны излучения, такой резонанс имеет очень большую добротность. Если при помощи квадрупольного конденсатора отфильтровать молекулы, находящиеся в неустойчивом состоянии, а затем вбросить их в макроскопический резонатор, резонансная  частота которого совпадает с частотой колебаний молекулярного диполя, то такие молекулы возбудят в резонаторе колебания и макроскопический резонатор самостоятельно отберёт те молекулы, фаза колебаний которых совпадает с фазой колебаний в нём. По такому же принципу работает и рубиновый лазер. Единственное отличие состоит в том, что у рубинового лазера частота колебаний находится в области световых частот, а у аммиачного генератора она находится в СВЧ диапазоне. Поэтому ничего квантового в молекулярном генераторе, как и в рубиновом лазере, нет. Принцип его работы укладывается в обычные радиотехнические понятия.   
   Принцип квантования действия приводит к принципиальным, фактически, неразрешимым проблемам в современной теоретической физике. Из этого принципа получается, что энергия может изменяться только скачкообразно (порциями). Отсюда возникло представление о квантах энергии, которыми обмениваются между собой физические системы. Порочность такого подхода состоит в том, что скачкообразность изменения энергии неизбежно приводит к локальному (на уровне микромира) нарушению закона сохранения энергии даже для консервативных систем. А именно, допускается такое нарушение закона сохранения энергии консервативной системы, при котором величина действия не превышает постоянной Планка. Тем самым, допускается даже бесконечно большое приращение энергии, но только в течение бесконечно малого промежутка времени (чем больше приращение энергии, тем меньше соответствующий временной интервал).
   Подобно тому, как в ОТО нарушается закон сохранения энергии для совокупности массивной материи (вещество, антивещество и негравитационные поля) и гравитационного поля, квантование действия тоже приводит к специфическому нарушению закона сохранения энергии. Но это слишком большая потеря для физики, принять которую без самого прямого экспериментального подтверждения представляется недопустимым.