Albert Einstein swoją publikacją (On the quantum theory of radiation, Phys. Z. p. 121,1917) na temat wzmacniacza kwantowego zainicjował budowę lasera. Trochę to jednak potrwało. Pierwszy wzmacniacz kwantowy działający na znacznie niższych częstotliwościach (mikrofalach) nazwany maserem został zbudowany przez Charlesa Townesa dopiero w 1954 roku, zaś laser - przez Th. Maimana w 1960 roku. Dlaczego tak późno? Był to dość niespokojny czas na świecie. Gdy tylko skończyła się pierwsza wojna światowa, światowy kryzys gospodarczy doprowadził do następnej, znacznie gorszej w skutkach, w wyniku której świat podzielił się na wrogie obozy rozdzielone „żelazną kurtyną”. Było co robić.
Była jeszcze inna przyczyna - techniczna. Uczeni mieli już wzmacniacze i je stosowali. Oczywiście nie nazywały się kwantowe. Kwantowymi nazwano te drugie, by nadać im właściwy sens i odróżnić od już istniejących. Nazwijmy te pierwsze, istniejące, klasycznymi.
Pewno będziemy musieli jeszcze przywołać dodatkowe fakty, by zrozumieć całość zagadnienia. Ze światłem ludzkość jest zapoznana od wieków. Natura wyposażyła nas w odpowiednie narządy do reakcji na światło – oczy. Poznaliśmy ich budowę i nauczyliśmy się je naśladować, budując aparaty fotograficzne i inne przyrządy optyczne. Może się to wydać dziwne, ale przez większość czasu korzystania z dobrodziejstw światła nie zdawaliśmy sobie sprawy czym ono jest. Nie będę wywoływał „wilka z lasu” i twierdził, że trochę z tego jeszcze nam pozostało i przejdę dalej.
Nasz rodak Andrzej Dragan w swojej książce Kwantechizm nazwał nas „nagimi małpami” i uznał, że w czasie ostatnich 200 lat dokonaliśmy niebywałego postępu intelektualnego w rozumieniu wszechświata. Przywołajmy zatem niektóre z poznanych faktów. Na początek dwa, wyjątkowo tu przydatne.
Teoria pola elektromagnetycznego (James C. Maxwell, 1861) i odkrycie elektronu (Joseph J. Thomson, 1897). Głównie te, ale z pewnością także dalsze odkrycia upewniły nas w przeświadczeniu, że światło jest taką samą falą elektromagnetyczną jaką wykorzystuje się np. w radiu, zaś prąd elektryczny to ruch elektronów. Elektronów mamy pełno w materii, tylko trzeba umieć do nich sięgnąć i z nich korzystać.
Wzmacniacze te klasyczne też już były. Umieliśmy także wytwarzać fale elektromagnetyczne, przesyłając do anten zmienne, o odpowiedniej częstotliwości (często mawialiśmy „wielkiej częstotliwości” – w.cz.), prądy elektryczne.
Wzmacniacze klasyczne to były wzmacniacze tego prądu wielkiej częstotliwości. Były one niezbędne do wytwarzania – generacji - tych prądów, a te potrzebne do emisji fal elektromagnetycznych. Generatorami sygnałów elektrycznych były te wzmacniacze, które dostarczały dla siebie sygnał do wzmacniania. Mówimy, że wyposażone są w układy dodatniego sprzężenia zwrotnego. Jednak wzmacniacze te miały swoje niedostatki i dlatego wzmacniacz kwantowy i umiejętność jego budowy są tak ważne.
Do generacji prądu w. cz. stosowało się zawsze, także i dziś lampy elektronowe i tranzystory. Mamy w nich do czynienia ze swobodnymi elektronami, które przyśpieszane w stałym polu elektrycznym powiększają swoją energię tj. są wzmacniane. Niestety, elektrony mają niewielką, ale mierzalną masę. Związana z nią bezwładność ogranicza chwilową szybkość ruchu, jaką można im nadać, a to przekłada się na maksymalną częstotliwość generowanych sygnałów. To jest wspomniana wada tych wzmacniaczy i generatorów.
Wymyślano różne sposoby radzenia sobie z bezwładnością elektronów. Czasami udawało się w konkretnych rozwiązaniach nieznaczne powiększać maksymalną częstotliwość, ale zupełnie wykluczyć bezwładności elektronów nie sposób. Generatory prądu w. cz. nie mogły mieć większych częstotliwości niż kilkadziesiąt miliardów zmian (cykli) w czasie jednej sekundy. Za graniczną uznaje się częstotliwość 100 GHz (1011 Hz). To oczywiście bardzo duża wartość i w większości zastosowań elektroniki w telekomunikacji i radiolokacji nawet obecnie jest wystarczająca. Do częstotliwości optycznych jest jej jednak nadal bardzo daleko: jeszcze co najmniej trzy – cztery rzędy wielkości. Jeżeli kwantowy wzmacniacz Einsteina byłby w stanie tę granicę przekroczyć, byłby pożyteczny i pożądany.
Na jakiej zasadzie działa wzmacniacz kwantowy? Do wyjaśnienia sobie tego nie wystarczy sięgnąć tylko do wspomnianej już pracy A. Einsteina. Powinniśmy zapoznać się z nazwiskiem Maxa Plancka, którego przedstawiłem w felietonie Po drugiej stronie lustra i prac związanych ze statystyką obsadzeni stanów energetycznych Ludwika Boltzmanna.
Znana materia zbudowana jest z około stu różnych pierwiastków, a ich elementarne składniki – atomy - z różnej liczby elementów znanych jako protony i neutrony oraz elektronów w liczbie równej protonom. Liczba neutronów może być zmienna, co wpływa na rodzaj izotopu danego pierwiastka. Ponieważ protony mają dodatni ładunek elektryczny, zaś elektrony taki sam co do wielkości, ale ujemny, atomy są elektrycznie obojętne. Można jednak w sposób wymuszony zmieniać liczbę elektronów chmury elektronowej atomu, tworząc w ten sposób dodatnie lub ujemne ich jony.
W zależności od tego, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia liczba protonów, a więc i elektronów się zmienia. Elektrony w powłoce elektronowej atomów mogą zajmować z góry określone, dopuszczalne położenia. Może precyzyjniej będzie mówić, że odpowiedniej wartości energii potencjalnej atomu, jonu lub ich połączeń (molekuły) odpowiada stosowna konfiguracja ich powłoki elektronowej. Zmiana konfiguracji powłoki z reguły związana jest ze zmianą (pozyskaniem lub utratą) odpowiedniej porcji energii. Mówimy „porcji energii”, gdyż konfiguracje powłoki elektronowej w atomach są z góry określone i innych tworzyć nie mogą.
W rzeczywistości mamy do czynienia z ciągłą przemianą energii atomów. Wiadomo, że w przestrzeni istnieje pełno fotonów. Jeżeli energia któregoś z nich jest zgodna energią przemiany powłoki elektronowej, zostanie pochłonięty, a atom przejdzie w stan wzbudzony do wyższej energii potencjalnej.
Mogą być jeszcze inne, mechaniczne źródła wzbudzania atomów. Ciepło jest niczym innym jak ruchem ośrodka materialnego. Jeżeli jest to gaz (ewentualnie para) lub ciecz, nazywany jest ruchami Browna. W przypadku ciał stałych będą to drgania atomów wokół ich położeń centralnych. W czasie zderzeń cząstek nawet część energii kinetycznej jednej z nich może być przekazywana innym powodując ich wzbudzanie.
Wyobraźmy sobie, że obserwujemy stan wzbudzenia wybranej grupy cząstek (atomów, jonów, molekuł), którą się szczególnie interesujemy. Nazwijmy ją grupą elementów kwantowych lub cząstkami aktywnymi. Wtedy pozostałe, tworzące ośrodek, możemy traktować jako pojemny energetycznie termostat. Ma on niezmienną temperaturę; mimo, że z niego możemy czerpać niewielkie ilości energii lub jej niewielki nadmiar termostatowi przekazywać.
Ludwik Boltzman zajmował się zachowaniem energii potencjalnej dostatecznie licznej grupy takich wybranych cząstek kwantowych poddanych oddziaływaniu termostatu. Jeżeli oddziaływanie trwa dostatecznie długo, osiągany zostaje stan stacjonarny (równowagi termodynamicznej). Polega on na tym, że liczba cząstek (N) znajdujących się w stanach o coraz wyższej energii (E) wykładniczo maleje. Można to zapisać w dość prostej postaci zależności matematycznej, ale my nie będziemy tego robić. Postaramy się za to, znając powyższą ogólną zasadę, podać zasadnicze własności takiego zespołu wybranych cząstek:
1. Każdy taki zespół cząstek ma najniższy stan energetyczny często nazywany stanem podstawowym;
2. W najniższym stanie podstawowym znajduje się największa liczba cząstek;
3. W każdym wyższym stanie energetycznym znajduje się coraz mniejsza liczba cząstek. Im większa różnica energii pomiędzy rozpatrywanymi stanami, tym większa różnica cząstek, jaka w tych stanach się znajduje.
4. Każdy stan wzbudzony (o energii wyższej od podstawowego) jest nietrwały. Oznacza to, że cząstka wzbudzona do tego stanu, prędzej albo później, w sposób niekontrolowany, samoistny ten stan opuści, przechodząc do jednego ze stanów niższych. Związana jest z tym emisja energii bądź kinetycznej (fononu), bądź elektromagnetycznej (fotonu). W drugim przypadku mówimy o fotonie emisji spontanicznej. Tę własność stanu (poziomu) energetycznego charakteryzuje wielkość „τ ”- nazywana czasem życia. Jest to czas, po którym z określonym prawdopodobieństwem cząstka powinna dany stan energetyczny opuścić i foton emisji spontanicznej zostać wygenerowany.
Tak docieramy do teorii wzmacniacza kwantowego Einsteina wyłożonej we wspomnianej na wstępie pracy. Rozpatrywane jest w niej działanie fotonów z zewnętrznego źródła na wybraną parę stanów energetycznych odpowiedniego zespołu elementów kwantowych. Działanie będzie skuteczne, gdy energia fotonu będzie równa różnicy energii jednego ze stanu wyższego (Ew) i niższego (En). Pozwólmy sobie tą równość zapisać: hν = Ew–En.
Zgodnie z teorią L. Boltzmanna, cząstek w niższym stanie energetycznym jest zawsze więcej i na nie głównie będą trafiać i z nimi oddziaływać fotony oświetlające ośrodek. Jak wiadomo, zostaną one wtedy pochłonięte, a cząstki, na które działały będą wzbudzone do stanu energetycznego wyższego.
W swojej pracy dotyczącej wzmacniacza kwantowego A. Einstein zajął się szczegółowo drugim przypadkiem, gdy foton oddziałuje z cząstką będącą w stanie wzbudzonym. Zgodnie z jego teorią, dochodzi wtedy do zjawiska, które nazwał emisją stymulowaną (wymuszoną). Cząstka przechodzi w niższy stan energetyczny i zostanie wygenerowany foton wymuszony. Cechą charakterystyczną tej emisji jest identyczność fotonów wymuszającego i wymuszonego. Pamiętając, że foton jest falą, wspomniana identyczność fotonów oznacza identyczne częstotliwości obydwu fal, kierunki ich propagacji, jednakową polaryzację, a poza tym będą one miały zgodne fazy.
Biorąc powyższe pod uwagę należy uznać, że fala wymuszająca zostaje powiększona, wzmocniona.
Mamy zatem do czynienia albo z tłumieniem (działanie na cząstki na niższym poziomie energetycznym), albo ze wzmocnieniem (działanie na cząstki na poziomie energetycznym wyższym). Sumaryczny wynik oddziaływania jest różnicą aktów pochłaniania i aktów emisji wymuszonej. Będzie on zatem proporcjonalny do różnicy cząstek w tych stanach
ΔN = Nw–Nn.
Zgodnie ze statystyką Boltzmanna w stanie ustalonym zawsze na poziomie niższym jest więcej cząstek niż na wyższym: Nn>Nw. Różnica (ΔN) jest zatem ujemna (przeważają akty pochłaniania) i ośrodek w swej masie jest tłumiący.
Staje się jasne, kiedy będziemy mogli mieć do czynienia z nowym typem wzmacniacza, który nazwany został w literaturze fachowej wzmacniaczem kwantowym. Należy odpowiednio dobrać ośrodek (typ cząstek), na który będzie oddziaływać fala elektromagnetyczna, wybrać dwa stany energetyczne pomiędzy którymi realizowane będą przejścia i odpowiednio pobudzając (pompując) ośrodek doprowadzić do sytuacji, by w stanie energetycznym wyższym znajdowało się więcej cząstek niż w stanie energetycznym niższym,
ΔN>0
Nazywamy to inwersją obsadzeń. Im ΔN jest większe tym lepiej. Proste, prawda?
Byli tacy, którzy duże opóźnienie pomiędzy opracowaniem teorii wzmacniacza kwantowego, a budową pierwszych urządzeń praktycznie realizujących tą ideę upatrywali w trudnościach zapewnienia inwersji obsadzeń ośrodka. Prędzej jednak czy później „nagie małpy” poradziły sobie z problemem i lasery stały się faktem.
Zdzisław Jankiewicz