Wzmacniacz kwantowy darem przyrody dla elektroniki
Wprowadzając nazwę tej części prelekcji „Meandry techniki laserowej” chcę zasugerować, że kierunki rozwoju wzmacniaczy , a właściwie generatorów kwantowych nie były z góry znane i możliwe do przewidzenia. Kolejno uruchamiane lasery (to o nie głównie chodzi) miały różne parametry i konkurowały z sobą możliwościami zastosowań. Głównie różniły się one materiałem wykorzystywanym jako ośrodek odpowiedzialny za akcję laserową (tak nazywane jest często wytwarzanie – generacja promieniowania), i jednocześnie za podstawowe jego parametry. Dając powyższy tytuł opisowego wprowadzenia do tej części nieco obniżyłem rangę wzmacniacza, a raczej generatora kwantowego. On nie tylko jest darem przyrody dla elektroniki, on jest przyczyną powstania nowego kierunku nauki – optoelektroniki. Bez laserów nie powstałaby optoelektronika jako dziedzina wiedzy. Na dodatek rozwój tej technikibył tak szybki i wszechstronny, że optoelektronika, lasery stały się synonimem nowoczesności, synonimem techniki XXI wieku. Wróćmy jednak do początku.
Lasery wpisują się w ciąg rozwoju nauki i techniki wyznaczony przez elektronikę. Ta, zapoczątkowana odkryciem przez Josepha J. Thomsona w 1886 r. elektronu (Nagroda Nobla w 1906), pracami bardzo wielu badaczy w tym szczególnie zapomnianego Nikola Tesli (przełom stuleci XIX/XX) nad wytwarzaniem i przesyłaniem na odległość energii elektrycznej prądu przemiennego, stanowi dziś podstawę rozwoju nauki, techniki i światowej gospodarki. Nas interesują metody wytwarzania promieniowania elektromagnetycznego wykorzystywanego do przekazywania informacji. Ten dział techniki nazywany jest często radiem, a za jego twórcę uważany jest powszechnie G. Marconi (Nagroda Nobla 1909), chociaż w 1943 roku sąd najwyższy USA przyznał w tej sprawie pierwszeństwo N. Tesli. Tesla już wtedy nie żył, a nagród Nobla nie odbiera się. Nie pierwszy to przypadek i pewno nie ostatni, gdy Nagroda Nobla nie trafia do osoby, która pierwsza dokonała danego odkrycia. Polscy uczeni również doznawali takiego pominięcia, że wspomnę tu prof. Mieczysława Wolfke – odkrywcę zapisu holograficznego. Wspomnę o tym więcej w innym miejscu.
Nie wdając się w powyższe spory, zajmijmy się zasadami wytwarzania promieniowania elektromagnetycznego zdolnego do przenoszenia informacji. Wszystkie znane dotąd metody bazują na wykorzystaniu wzmacniacza promieniowania, współpracującego z układem rezonansowym. Rezonator wyznacza częstotliwość wytwarzanych drgań. Występujące w rezonatorze straty energii powodują, że istniejące w nim drgania mają zmniejszającą się w czasie amplitudę. Zadaniem wzmacniacza jest uzupełnianie w odpowiednich momentach traconej w rezonatorze energii.
W takim razie zgodnie z definicją, generatorem nazywać będziemy współpracujące z sobą wzmacniacz i rezonator połączone wzajemnie pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego.1
Zadaniem wzmacniacza jest dostarczenie do rezonatora traconej w nim energii. W tym celu wzmacniacz musi dysponować źródłem innego rodzaju energii, którą potrafi przystosować, przetworzyć na energię potrzebną na uzupełnianie strat energii w rezonatorze.
Mówiąc o różnych mechanizmach wytwarzania promieniowania, zasadniczo będziemy mieć na myśli rodzaj wzmacniacza.
1. Klasyczne wzmacniacze fal elektromagnetycznych
Jako klasyczne będziemy traktować wszystkie rodzaje wzmacniaczy poza kwantowymi.
W takim razie jednym z pierwszych klasycznych układów był wzmacniacz wykorzystujący próżniowe lampy elektronowe. Najprostsza lampa, trioda – skonstruowana przez Lee De Forest Fleminga w 1906r., posłużyła Alexandrowi Meissnerowi do budowy w 1913 r. pierwszego generatora promieniowania monochromatycznego. Mechanizm wzmacniania (nazwany przez nas klasycznym) polegał na wytworzeniu w lampie (triodzie) strumienia swobodnych elektronów i nadanie im energii kinetycznej wystarczającej do pokrycia występujących strat w rezonatorze. Nie jest moim celem wyjaśnienie mechanizmu generacji. Zwracam tylko uwagę na bilans energetyczny. Z tego co powiedzieliśmy, wynikają stąd dwa ważne z punktu widzenia praktycznego wnioski:
- Stosowną energię kinetyczną łatwo nadać elektronom przykładając do anody lampy (triody) odpowiednie napięcie dodatnie. W takim razie w energię fali elektromagnetycznej w klasycznych generatorach przekształcamy energię prądu stałego. To bardzo wygodne.
- Energia kinetyczna elektronu swobodnego nie jest skwantowana. Zawiera się ona w pędzie (prędkości ruchu postępowego) elektronu. Można ją wykorzystać w pożądanej wartości. Odpowiednio zmniejszy się wtedy prędkość ruchu elektronu. W takim razie wzmocnienie ma charakter aperiodyczny, nie zależy od częstotliwości generowanych fal. Elementem decydującym o wartości częstotliwości wytwarzanej fali elektromagnetycznej jest rezonator.
Cechy powyższe są w pełni spełnione dla ograniczonej prędkości zmian składowej pola elektrycznego fali, czyli niezbyt wysokich częstotliwości. W miarę wzrostu częstotliwości wytwarzanych fal ujawniają się, i są brane pod uwagę, efekty związane z bezwładnością, inercją elektronów. Nie zmienia to jednak zasadniczego charakteru tych wzmacniaczy. Do wytwarzania fal elektromagnetycznych wykorzystują one energię kinetyczną swobodnych elektronów. Zasadę powyższą wykorzystują także inne generatory: tranzystorowe i działające w zakresie mikrofal. Ma to miejsce nawet w tzw. laserach na swobodnych elektronach, które generują w zakresie fal optycznych. To dlatego przypisuje im się nazwę laser, chociaż w rzeczywistości laserami nie są.
2. Wzmacniacze kwantowe
Zasadę wzmacniacza kwantowego podał w 1917 roku A. Einstein.2 Istotną różnicę w stosunku do zasady klasycznej stanowi fakt, że do otrzymania efektu wzmocnienia nie wykorzystuje się w nich elektronów swobodnych, a konfiguracje elektronów związanych z powłoką elektronową atomów (jonów) lub ich połączeń (molekuł).
Zauważmy, że tym różnym konfiguracjom powłok elektronowych towarzyszą różne, czasem dość znaczne energie potencjalne tych, jak przywykliśmy nazywać elementów kwantowych tj. atomów, jonów, molekuł. Energie te są już skwantowane. Oznacza to, że dowolny element kwantowy nie może mieć (przyjąć) dowolnej energii, a jedynie dozwolone istniejącymi prawami fizyki. W takim razie każdy element kwantowy ma właściwy sobie stan (poziom) podstawowy o najniższej energii i „drabinę” stanów (poziomów) wzbudzonych o coraz większych wartościach energii. Energia potencjalna dowolnego elementu kantowego zależy od stany (poziomu) energetycznego na którym on się znajduje. Przejścia z jednego stanu energetycznego do innego wiąże się z dostarczeniem do elementu kwantowego (pochłonięciem) stosownej porcji energii, gdy przejście jest w górę, do energii wyższej, lub oddanie (emisję) takiej porcji energii przy przejściu w dół, do energii niższej. W naszym świecie istnieje wiele naturalnych, niezależnych od nas, źródeł energii, które mogą powodować wzbudzanie do wyższych energii otaczającej nas materii, złożonej z elementów, które tu nazwaliśmy kwantowymi: owych atomów jonów i molekuł. Tymi źródłami jest przede wszystkim:
- Energia mechaniczna związana z ruchem cieplnym (ruch postępowy cząsteczek w ośrodkach gazowych, drgania siatki powiązań w ciałach stałych). Zderzenia interesującego nas elementu kwantowego z cieplnie oddziałującym otoczenie (termostatem, jak czasek go nazywamy) może powodować przejście tego elementu do wyższych stanów (poziomów) energetycznych.
- Energia promieniowania cieplnego. Mówi o niej prawo Planck’a. Każde ciało o temperaturze większej od temperatury zera bezwzględnego (0 K) jest źródłem tego promieniowania. Stąd pochodzi docierające do nas promieniowanie słońca i gwiazd, palącej się zapałki i ogniska przy grillu. My sami też jesteśmy źródłem tego promieniowania. W tym sensie nie istnieje próżnia. Każdy element wszechświata przenikają w każdej chwili fotony,elementarne cząstki tego promieniowania. Foton taki może być pochłonięty przez interesujący nas element kwantowy i przejść na jeden z wyższych poziomów energetycznych. Warunek jest tylko jeden, energia pochłoniętego kwantu musi być równa różnicy energii przejścia pomiędzy poziomami elementu kwantowego. Fotonów o innych energiach nasz element nie będzie zauważał.
- Źródłem energii jest w końcu nasz wyróżniony element kwantowy. Wzbudzony, prędzej czy później utraci energią wzbudzenia w wyniku dążenia materii do osiągania minimum energetycznego. Utrata energii wzbudzenia może nastąpić na drodze mechanicznej (na ciepło) w wyniku oddziaływania z otoczeniem (termostatem) lub drodze promienistej, przez emisję fotonu o odpowiedniej energii.
Opisane powyżej mechanizmy prowadzą do ustalenia się pewnego stanu równowagi, (nazywamy go stacjonarnym stanem równowagi termodynamicznej), który w określonej temperaturze pozwala wyznaczyć obsadzenia poszczególnych stanów (poziomów) energetycznych elementów składowych otaczającego nas wszechświata. Statystyka opisywana prawem Boltzman’a (ona określa ten rozkład cząstek na poszczególnych poziomach energetycznych) i prawo promieniowania cieplnego Planck’a, stanowią postawę do zrozumienia działania wzmacniacza kwantowego.
Wiedza opisana do tej pory była znana w chwili publikacji pracy A. Einsteina dotyczącej wzmacniacza kwantowego. Cóż więc wniósł on takiego do nauki, że znane wcześniej mechanizmy można było wykorzystać do wzmacniania promieniowania. W zasadzie tylko jedno: genialnie przewidział istnienie emisji wymuszonej (stymulowanej). Zgodnie z jego koncepcją jeżeli foton będzie oddziaływał ze wzbudzonym elementem kwantowym o zgodnym energetycznie przejściu, to spowoduje jego przejście do niższego poziomu energetycznego, a wyemitowany w tym akcie foton będzie tożsamy z fotonem wymuszającym: będzie miał tą samą częstotliwość, ten sam kierunek, tą samą polaryzację towarzyszącej mu fali e-m. Jednym słowem będą nierozróżnialne. Jeżeli tak, to możemy mówić o istnieniu efektu wzmacniania przez ośrodek w którym istnieją wzbudzone elementy kwantowe, promieniowania wymuszającego o zgodnej z nim energii przejścia. Zachodzi pytanie, dlaczego nie obserwujemy tego w przyrodzie. Na pytanie to odpowiada statystyka Boltzman’a. Jednocześnie z efektem emisji wymuszonej mamy do czynienia z efektem pochłaniania przez elementy będące na niższym poziomie energetycznym i w rezultacie przechodzące na poziom wyższy. Ponieważ (zgodnie ze wspomnianą statystyką) na poziomie niższym jest elementów więcej niż na wyższym, sumarycznie mamy przewagą aktów pochłaniania nad aktami emisji, co w praktyce obserwujemy. Einstein podał warunek, by ośrodek uczynić wzmacniającym: należy obsadzenie (liczbę elementów) wyższego energetycznie poziomu uczynić większą od obsadzenia (liczby elementów) poziomu o niższej energii. Taki stan nazwano inwersją obsadzeń.Stan inwersji obsadzeń samoistnie w przyrodzie nie występuje. Można go tylko stworzyć w sposób sztuczny, odpowiednio (tak to nazwano) pompując ośrodek czynny (aktywny).
Dochodzimy do istoty zagadnienia, tego co nazywamy laserem.3Chociaż pierwszy zbudowany na świecie wzmacniacz kwantowy działał w zakresie mikrofali i nazwany został maserem4, okazało się, że stan inwersji obsadzeń dalece łatwiej jest osiągalny przy znacznie wyższych częstotliwościach, bo aż w zakresie optycznym. Jednocześnie w tym zakresie częstotliwości metodami klasycznymi wtedy niestety nie potrafiono wytwarzać promieniowania monochromatycznego. Czyż można oczekiwać od przyrody większej zachęty do działania. Rozpoczął się znany w historii budowy optycznych generatorów „wyścig do lasera”. Stanęło do niego co najmniej pięć najważniejszych zespołów, z konstruktorami pierwszego masera i właścicielami patentu na budowę lasera, włącznie.[Zobacz: Dlaczego Lasery] W tym zestawie był również zespół finansowany przez armię (wizja promieni śmierci). Jak nieraz bywa, zwyciężył „czarny koń”. W lipcu 1960 roku w Nature ukazała się publikacja raczej mało znanego Th. Maiman o zbudowaniu pierwszego lasera rubinowego5.
Od tego momentu rozpoczyna się tryumfalny pochód tego wynalazku przez technikę i gospodarkę światową. Niema takiej dziedziny wiedzy, gdzie ta technika nie byłaby przydatna, nie była znana i stosowana.
W załączonych prelekcjach staram się państwu przybliżyć w historycznym porządku techniczne uwarunkowania budowy wzmacniaczy kwantowych i laserów. Za dyskusje merytoryczne będę wdzięczny.
- Drogi czytelniku, przypomnij sobie zabawę z dzieckiem na huśtawce. To doskonały przykład generatora: huśtawka to rezonator, ty jesteś wzmacniaczem, położenie huśtawki gdy ją popychasz, to dodatnie sprzężenie zwrotne. Gdy chcesz zatrzymać huśtawkę zastosujesz ujemne sprzężenie zwrotne.
- Einstein A., „On the quantum teory of radiation”, Phys. Z. p. 121 (1917)
- Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation
- Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation
- Th. Maiman „Stimulated Optical Radiation in Ruby” Nature, 187, 4736, pp. 493 – 494 (1960)