значительный объем информации в единицу вpe!cпн. С помощью лазеров удалось методом голографии произвести зашлсь и качссгвенное воспроизведение объемных изображений, осуществив оптическую обработку сигналов, измерить очень малые деформации предметов. Достигнутый высокий уровень мощности позволил использовать лазеры в технологических процессах, осуществить сварку и испарение частиц материалов. Высокая направленность излучения (можно сформировать луч с расходимостью менее десятка угловых секунд) позволила с помощью лазерных локационных устройств точно определять координаты объектов и производить скрытую передачу информации с малыми затратами энергии. Одним из важных направлений применения лазеров являются оптические линии связи. На пути их создания и развития возникает немало трудностей, например могут отсутствовать элементы, удовлетворяющие требованиям системы (модуляторы, детекторы и т. п.). Более существенными являются ограничения, связанные с затуханием лазерного луча в атмосфере. Дождь, туман, снегопад, загрязнения атмосферы вызывают заметное ухудшение прохождения лазерного луча. Наибольшая дальность связи может быть получена в космическом пространстве. Наземные атмосферные оптические линии связи .могут найти лишь ограниченное применение и обеспечить связь, при подходящих условиях, на небольшие расстояния (до 10-20 км). Связь кюжет происходить через искусственную среду-световод. Применение световодов уменьшает влияние метеорологических условий и дневного света на качество связи. Имеется несколько возможностей распространения лазерного излучения вдоль криволинейной земной поверхности: с помощью труб со стеклянными или диэлектрическими линзами, а также стекловолокна. Наибольший интерес представляет возможность передачи оптических сигналов по стекловолокну. Разработаны волокна с затуханием в несколько децибел на километр. По мере совершенсгвования технологии производства стекловолокна его стоимость может оказаться люньше стоимости вол-новодной линии или даже кабеля дальней связи.

В оптических локационных системах и дальномерах чаще всего используют импульсные твердотельные лазеры: лазеры на рубине и полупроводниковые лазеры с р-п-переходом или гетеропереходом* В атмосферных линиях связи применяют газовые лазеры: гелий-не оновый лазер и лазер на углекисло.м газе. Для волоконных оптичес ких линий связи используют полупроводниковые лазеры и светодиоды

Область применения мазеров значительно меньше. Квантовые па рамагнитные усилители** обладают рекордно низким уровнем собст венных шумов; их использую! во входных каскадах некоторых радио приемных устройств СВЧ. На основе мазеров построены источники высокостабильных колебаний, квантовые стандарты частоты. Квантовые приборы наилучшим образом удовлетворяют основному требованию, предъявляемсму к стандартам частоты, - требованию высо-

* Переход, образованный двумя разными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны

Активным элементом является кристалл паралиагнитното материала (рубина или рутила).

кой абсолютной воспропзводилюсти частоты. Рабочая частота квантового прибора зависит о г расстояния между энергетическими уроз- нями вещества и определена самой его природой. Существуют пассивные и активные стандарты. В пассивны.х стандартах частота подстраивается по спектральной линии поглощения вещества, в активных срав11НЕается с частотой квантового генератора СВЧ и подстраивается по ней. Наиболее раснространенпыми являются пассивные стандарты с оптической накачкой, использующие рубидий или цезий, и стандарты с цезиевоп атомно-лучевой трубкой. В активных стандартах частоты применяют квантовые генераторы на нучке молекул водорода и аммиака,

§ 16.2. Усиление поля в квантовых приборах

Пусть имеется вещество, т. е. система связанных микрочастиц. Энергия связанных частиц не может принимать любые значения, так как она квантована. Разрешенные значения энергии называются энергетическими уровнями или состояниями. Обозначим через и энергии двух соседних уровней, которые в дальнейшем будем считать рабочими. Пусть > Wi- Через вещество в направлении z распространяется плоская бегущая волна внешнего электромагнитного поля с частотой, равной частоте квантового перехода /21 = {2 - W{)lh, где h = 6,625 10 * Дж с - постоянная Планка. Между уровнями с энергиядш \Fi и Wg воз1\южны переходы частиц. Если частица переходит из второю состояния в первое, то энергия выделяется веществом, а при переходе из первого во второе состояние энергия поглощается. Выделение и поглощение энергии может происходить в различных фермах, например в виде излучения. Соответствующие этому случаю переходы ьазыва.ют и з л у ч а т е л ь и ы м и. Излучательные переходы подразделяют на спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные (вынужденные внешним полем).

Спонтанные переходы обусловлены стремлением системы лшкро-частиц занять состояние с меньшей энергией. Они сопровождаются выделением энергии и излучением фотонов. Элементарный процесс спонтанного излучения Гиожно записать Tai?:

p(r2)->p(ri)-f/z/2i.

Микрочастица р переходит из состояния с энергией в состояние с энергией с излучением кванта энергии /1/21. Спонтанное излучение представляет собой шум. Его фотоны непохожи на фотоны внешнего поля, они испускаются в случайные моменты времени, в произвольном направлении, с произвольной поляризацией.

Вынужденные переходы вызываются внешним полем, частота которого fn равна или близка частоте излучательного квантового перехода /21. В рассматриваелюм случае эти частоты равны. Если микрочастица вещества, взаиз.юдействующая с фотоном внешнего поля, обладает энергией Wi, может произойти вынужденное поглощение фотока:

Pill>i)-r/z/ ->.u(r2).

Микрочастица ц перешла с первого уровня на второй под действием поля. Если же к моменту взаимодействия частица обладала энергией 12, возможно вьшужденное излучение фотона:

Микрочастица р. перешла со второго уровня на первый под действием внешнего поля. Процесс вьшужденного излучения дополнительного фотона синхронизируется. Оба фотона имеют общ[1е фазу, направление и поляризацию излучения.

В результате вынужденных переходов снизу вверх число фотонов уменьшается, происходит поглощение энергии поля, При вынужденных переходах сверху вниз к внешнему полю добавляются новые фотоны, подобные фотонам поля. Усиление в квантовых приборах получается вследствие вынужденного излучения. Изменение мощности электромагнитной волны зависит от числа переходов в единицу времени, сопровождающихся поглощением и излучением. Число вынужденных переходов в единицу времени тем больше, чем больше частиц находится в единице объема вещества в состоянии, из которого происходит вынужденный переход, т. е. чем больше населенность этого состояния. Число вынужденных переходов, связанных с поглощением, пропорционально населенности состояния с энергией Wi, а число вынужденных переходов, связанных с излучением, пропорционально населенности состояния с энергией W. Кроме того, число вынужденных переходов зависит от объемной плотности фотонов внешнего поля. Рост числа фотонов в единице объема вещества увеличивает вероятность встреч[! и взаимодействия любого фотона ноля с данной микрочастицей. Поскольку микрочастицы могут быть как на первом, так и на втором уровне, последний фактор влияет и на поглощение, и на усиление коля.

При распространении внутри вещества поле вызывеет вынужденные переходы в двух направлениях между уровнями / и 2, сопровождающиеся как поглощением, так и выделением энергии. Поэтому одновременно происходит и поглощение, и усиление поля. Вещество по отношению к полю ведет себя как аттенюатор, когда в единицу времени поглощение энергии поля больше усиления энергии поля (Nx > Л/3). Если же в единицу времени число элементарных процессов вынужденного излучения превысит число элементарных процессов вынужденного поглощения, то вещество начнет усиливать поле. Усиление получится, если населенность верхнего уровня больше населенности нижнего уровня: Лз >Ai. Следовательно, возможность усиления или поглощения поля определяется знаком разности населенности*.

В веществе, находящемся в состоянии терлюдина.мпческого равновесия, населенности уровней убывают с росто;\1 энергии В нашем случае это соответствует неравенству Al >N2, при котором преобладает поглощение поля При этом интенсивность поля, проходящего через

* Поглощение и усиление соответствуют неравенствам N, - N2 > О и Л/j - Лг < О Если hl - Лд = О, то вещество прозрачно, так как усиление и поглощение компенсируют друг друга.