Квантовая кабала или как работает лазер?
Если имеется две параллельные проводящие плоскости, то между такими плоскостями имеет место бесконечное число резонансов, и они наблюдаются тогда, когда между этими плоскостями укладывается целое число полуволн ЭМ колебаний. Эти резонансные колебания называются модами. Каждая мода характеризуется не только частотой собственных колебаний, но и частотно-фазовым распределением полей в полости такого резонатора. Это означает, что при наличии колебаний в резонаторе каждой точке пространства в его полости сопоставляется определённая частота и фаза ЭМ колебания. Кроме этого данной точке сопоставляется ещё и направление вектора электрического поля, что определяет поляризацию данной моды.
Рассмотрим ситуацию, когда в полости резонатора расположены атомы или молекулы, которые имеют собственную частоту ЭМ колебаний, совпадающую с одной из мод его колебаний, их мы будем называть элементарными излучателями. Расположение этих атомов и молекул зафиксировано, но может быть совершенно хаотичным. Предположим, что направление поляризации ЭМ колебаний указанных элементарных излучателей и собственная частота колебаний совпадает с поляризацией и частотой одной из мод резонатора. В качестве примера возьмём атомы хрома в рубиновом лазере. Если у нас имеется макроскопический резонатор, то в его полости размещается громадное количество атомов хрома. Сделаем одну из плоскостей резонатора полупрозрачной и направим на эту плоскость внешнее монохроматическое излучение соответствующее резонансной частоте атомов хрома. При этом в самом резонаторе установится соответствующее фазовое распределение ЭМ колебаний, которое в каждой точке нахождения элементарных излучателей (атомов хрома) возбудит колебания и самих атомов с соответствующей частотой и фазой. Таким образом, вся совокупность атомов хрома будет колебаться синхронно с ЭМ полем самого резонатора и буде представлять единую колебательную систему, энергия которой будет состоять из энергии ЭМ полей резонатора и энергии колебаний элементарных излучателей. Известно, что добротность ЭМ колебаний атомов хрома высока, этот факт связан с тем, что длинна волны, излучаемая атомом, значительно меньше, чем размер самого атома. Этот факт означает также, что возбуждённые атомы хрома будут накапливать в себе большую энергию. Описанный режим означает синхронное по отношению к ЭМ полю резонатора возбуждение атомов хрома.
Теперь выключим внешний возбуждающий сигнал, падающий извне на полупрозрачную стенку резонатора. Но поскольку в атомах хрома накоплена значительная колебательная энергия на резонансной частоте резонатроа, то теперь уже атомы хрома будут отдавать ЭМ полю резонатора свою энергию на резонансной частоте, и эти ЭМ поля через полупрозрачную стенку начнут излучаться в окружающее пространство. Причём, поскольку размеры полупрозрачной стенки значительно больше длины волны, то это будет узконаправленный лазерный луч.
Сейчас мы рассмотрели очень выгодный с энергетической точки зрения способ возбуждения рубинового лазера, который имеет очень высокий кпд. Но для такого возбуждения необходима монохроматическая плоская волна на частоте колебаний самих атомов хрома. На практике поступают по-другому. Цилиндрический резонатор, который представляет из себя монокристалл рубина, на торцы которого напылены полупрозрачные зеркала, освещают некогерентным светом лампы вспышки. При этом фазы возбуждения колебаний атомов хрома произвольны. Сам же резонатор, отберёт из всех возбуждённых атомов только те, фазы которых будут совпадать с фазой ЭМ колебаний самого резонатора, они и дадут лазерный луч. Все остальные атомы, фазы которых не совпадут с фазой ЭМ колебаний в резонаторе, в образовании лазерного излучения участия принять не смогут и их энергия будет израсходована на тепловые потери. С этим и связан низкий кпд рубинового лазера.
Таким образом, рубиновый лазер это никакой не квантовый генератор, а самый обычный генератор ударного возбуждения и поскольку число активных элементов очень велико и они сфазированы, то представляют из себя обычную фазированную антенную решетку (ФАР), которые являются основой любой радиолокационной системы, имеющей узконаправленный луч.
Что представляет из себя многоуровневый лазер? Это тот случай, когда те же атомы хрома помещают в нелинейную среду и возбуждают их не ударным способом, а за счёт комбинационных частот, которые имеют место в нелинейных средах при воздействии на них сразу нескольких частот. Поясню. В супергетеродинном приёмнике усиление производят не на частоте радиостанции, а на промежуточной частоте. Её получают путём смешения частоты принимаемой станции и частоты гетеродина, получая их разностную частоту на нелинейном элементе. В этом случае работают так называемые соотношения Менли-Роу, которые указывают на то, каким образом перераспределяется энергия между отдельными частотами при их смешении на нелинейных или парметрических элементах.
