Сазер
Са́зер (англ. saser, сокр. от Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation, также называется звуковым, фононным или акустическим лазером) — генератор когерентных звуковых волн определённой частоты. Обычно частота излучения сазера лежит в области от нескольких МГц до 1 ТГц. Устройство получило своё название по аналогии с лазером (англ. laser — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Содержание
Принцип работы
Принцип работы сазера аналогичен принципу работы лазера. В некой многочастичной системе с двумя уровнями энергии накачкой создаётся инверсная разность населённостей, так что большинство частиц находится в состоянии с большей энергией. В результате спонтанного перехода часть частиц переходит из верхнего состояния в нижнее с испусканием кванта звуковой волны — фонона. Сгенерированные таким образом фононы стимулируют вынужденные переходы остальных частиц системы с испусканием фононов полностью аналогичных затравочным. В результате генерируется поток идентичных фононов, воспринимаемых на макроуровне как когерентная акустическая волна. Несмотря на сходный принцип работы, существует несколько различных типов сазеров, отличающихся типом активной среды[1].
Фононный лазер на оптических резонаторах
Активной средой в данном лазере являются два связанных оптических резонатора, частоты которых отличаются на небольшую величину. Резонатор с большой частотой накачивается лазерным излучением. Фотоны в этом резонаторе имеют энергию больше, чем в соседнем, и, следовательно, способны понизить свою частоту, перейдя во второй резонатор с испусканием кванта звуковых колебаний. Частота генерируемого акустического излучения определяется разностью частот двух оптических резонаторов. Этот механизм может рассматриваться также как трёхволновое параметрическое усиление, в котором роль волны накачки выполняет излучение в первом резонаторе, роль сигнальной волны — акустическое излучение, а роль холостой волны — излучение во втором резонаторе. Альтернативно этот же процесс можно описать как вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, то есть как неупругое взаимодействие фотона с атомом с испусканием фотона меньшей частоты и фонона[2].
Сазер на оптических резонаторах впервые реализован в 2010 году экспериментальной группой из Калтеха[3]. Было получено излучение на частоте 21 МГц.
Фононный лазер на электронных каскадах
Принцип работы такого фононного лазера аналогичен работе квантового каскадного лазера. В качестве активной среды в таком лазере используется полупроводник со сверхрешёткой. При этом сверхрешётка устроена таким образом, что электроны, находящиеся в соседних квантовых ямах, имеют слегка различные энергии, и их энергия монотонно уменьшается в одном из направлений. В этом случае возможно туннелирование электрона из одной квантовой ямы в соседнюю с испусканием фонона. При наличии затравочного фонона нужной частоты это туннелирование может быть вынужденным, таким образом реализуется идея лазерного усиления звукового излучения — при распространении звука вдоль решётки происходит каскадное туннелирование электронов с увеличением количества фононов[2].
Сазер на электронных каскадах был впервые реализован в 2010 году экспериментаторами из Ноттингема[4]. В эксперименте наблюдалось усиление излучения частотой 441 ГГц. Экспериментов по генерации излучения проведено не было. Следует отметить, что первые попытки это группы по созданию сазера относятся ещё к 2006 году[5][6], но тогда они не смогли убедительно доказать наличие усиления[7].
Преимущества
По сравнению с оптическими лазерами фононные лазеры той же частоты обладают значительно меньшей длиной волны, что позволяет проводить значительно более точные измерения и получать более чёткие изображения. Также малая длина волны позволяет проводить фокусировку излучения в меньший объём, что приводит к более высокой концентрации энергии в точке фокуса. По сравнению с обычными источниками излучения фононные лазеры могут генерировать излучения значительно более высоких частот. Так, например, пьезоэлектрические источники не работают на частотах выше нескольких десятков гигагерц, в то время как фононные лазеры могут обладать частотами порядка частот оптического излучения[2].
Применение
Сазеры обладают рядом уникальных свойств, в частности малой длиной волны излучения и высокой проникающей способностью, которые определяют их потенциальную область применения. Например, сазеры терагерцового диапазона генерируют волну длиной порядка 1 нм. Принимая во внимание, что звуковые волны могут распространяться на значительную глубину внутрь твёрдых тел, такое излучение может быть использовано для получения трёхмерных изображений наноструктур. Помимо этого излучение сазеров может быть использовано для создания периодических структур в толще полупроводника, тем самым модулируя его оптические или электронные свойства. При этом структура может быстро изменяться, исчезать и возникать снова. Это свойство может быть использовано для создания сверхбыстрых переключателей или для генерации терагерцового электромагнитного излучения — что на данный момент является сложной технической задачей[1].
Напишите отзыв о статье "Сазер"
Примечания
- ↑ 1 2 Hamish Johnston. [physicsworld.com/cws/article/news/41857 Hail the first sound ‘lasers’] (англ.). physicsworld.com (25 февраля 2010). Проверено 28 сентября 2010. [www.webcitation.org/672M7QDh3 Архивировано из первоисточника 19 апреля 2012].
- ↑ 1 2 3 Jacob B. Khurgin [dx.doi.org/10.1103/Physics.3.16 Phonon lasers gain a sound foundation] (англ.) // Physics. — 2010. — Vol. 3. — P. 16.
- ↑ Ivan S. Grudinin, Hansuek Lee, O. Painter, and Kerry J. Vahala [dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.083901 Phonon Laser Action in a Tunable Two-Level System] (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2010. — Vol. 104. — P. 083901.
- ↑ R. P. Beardsley, A. V. Akimov, M. Henini, and A. J. Kent [dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.085501 Coherent Terahertz Sound Amplification and Spectral Line Narrowing in a Stark Ladder Superlattice] (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2010. — Vol. 104. — P. 085501.
- ↑ [www.aip.org/pnu/2006/split/779-1.html A New Kind of Acoustic Laser] (англ.). AIP (2 июня 2006). Проверено 28 сентября 2010. [www.webcitation.org/672M6e5Yd Архивировано из первоисточника 19 апреля 2012].
- ↑ A. J. Kent, R. N. Kini, N. M. Stanton, M. Henini, B. A. Glavin, V. A. Kochelap, and T. L. Linnik [dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.215504 Acoustic Phonon Emission from a Weakly Coupled Superlattice under Vertical Electron Transport: Observation of Phonon Resonance] (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2006. — Vol. 96, fasc. 21. — P. 215504.
- ↑ Дмитрий Сафин. [science.compulenta.ru/434162/ Создан мощный звуковой лазер] (рус.). Компьюлента (19 июня 2009). Проверено 28 сентября 2010.
<imagemap>: неверное или отсутствующее изображение |
Для улучшения этой статьи по физике желательно?: |
Отрывок, характеризующий Сазер
Так называемая партизанская война началась со вступления неприятеля в Смоленск.
Прежде чем партизанская война была официально принята нашим правительством, уже тысячи людей неприятельской армии – отсталые мародеры, фуражиры – были истреблены казаками и мужиками, побивавшими этих людей так же бессознательно, как бессознательно собаки загрызают забеглую бешеную собаку. Денис Давыдов своим русским чутьем первый понял значение той страшной дубины, которая, не спрашивая правил военного искусства, уничтожала французов, и ему принадлежит слава первого шага для узаконения этого приема войны.
24 го августа был учрежден первый партизанский отряд Давыдова, и вслед за его отрядом стали учреждаться другие. Чем дальше подвигалась кампания, тем более увеличивалось число этих отрядов.
Партизаны уничтожали Великую армию по частям. Они подбирали те отпадавшие листья, которые сами собою сыпались с иссохшего дерева – французского войска, и иногда трясли это дерево. В октябре, в то время как французы бежали к Смоленску, этих партий различных величин и характеров были сотни. Были партии, перенимавшие все приемы армии, с пехотой, артиллерией, штабами, с удобствами жизни; были одни казачьи, кавалерийские; были мелкие, сборные, пешие и конные, были мужицкие и помещичьи, никому не известные. Был дьячок начальником партии, взявший в месяц несколько сот пленных. Была старостиха Василиса, побившая сотни французов.
Последние числа октября было время самого разгара партизанской войны. Тот первый период этой войны, во время которого партизаны, сами удивляясь своей дерзости, боялись всякую минуту быть пойманными и окруженными французами и, не расседлывая и почти не слезая с лошадей, прятались по лесам, ожидая всякую минуту погони, – уже прошел. Теперь уже война эта определилась, всем стало ясно, что можно было предпринять с французами и чего нельзя было предпринимать. Теперь уже только те начальники отрядов, которые с штабами, по правилам ходили вдали от французов, считали еще многое невозможным. Мелкие же партизаны, давно уже начавшие свое дело и близко высматривавшие французов, считали возможным то, о чем не смели и думать начальники больших отрядов. Казаки же и мужики, лазившие между французами, считали, что теперь уже все было возможно.
22 го октября Денисов, бывший одним из партизанов, находился с своей партией в самом разгаре партизанской страсти. С утра он с своей партией был на ходу. Он целый день по лесам, примыкавшим к большой дороге, следил за большим французским транспортом кавалерийских вещей и русских пленных, отделившимся от других войск и под сильным прикрытием, как это было известно от лазутчиков и пленных, направлявшимся к Смоленску. Про этот транспорт было известно не только Денисову и Долохову (тоже партизану с небольшой партией), ходившему близко от Денисова, но и начальникам больших отрядов с штабами: все знали про этот транспорт и, как говорил Денисов, точили на него зубы. Двое из этих больших отрядных начальников – один поляк, другой немец – почти в одно и то же время прислали Денисову приглашение присоединиться каждый к своему отряду, с тем чтобы напасть на транспорт.
– Нет, бг'ат, я сам с усам, – сказал Денисов, прочтя эти бумаги, и написал немцу, что, несмотря на душевное желание, которое он имел служить под начальством столь доблестного и знаменитого генерала, он должен лишить себя этого счастья, потому что уже поступил под начальство генерала поляка. Генералу же поляку он написал то же самое, уведомляя его, что он уже поступил под начальство немца.
Распорядившись таким образом, Денисов намеревался, без донесения о том высшим начальникам, вместе с Долоховым атаковать и взять этот транспорт своими небольшими силами. Транспорт шел 22 октября от деревни Микулиной к деревне Шамшевой. С левой стороны дороги от Микулина к Шамшеву шли большие леса, местами подходившие к самой дороге, местами отдалявшиеся от дороги на версту и больше. По этим то лесам целый день, то углубляясь в середину их, то выезжая на опушку, ехал с партией Денисов, не выпуская из виду двигавшихся французов. С утра, недалеко от Микулина, там, где лес близко подходил к дороге, казаки из партии Денисова захватили две ставшие в грязи французские фуры с кавалерийскими седлами и увезли их в лес. С тех пор и до самого вечера партия, не нападая, следила за движением французов. Надо было, не испугав их, дать спокойно дойти до Шамшева и тогда, соединившись с Долоховым, который должен был к вечеру приехать на совещание к караулке в лесу (в версте от Шамшева), на рассвете пасть с двух сторон как снег на голову и побить и забрать всех разом.
Позади, в двух верстах от Микулина, там, где лес подходил к самой дороге, было оставлено шесть казаков, которые должны были донести сейчас же, как только покажутся новые колонны французов.
Впереди Шамшева точно так же Долохов должен был исследовать дорогу, чтобы знать, на каком расстоянии есть еще другие французские войска. При транспорте предполагалось тысяча пятьсот человек. У Денисова было двести человек, у Долохова могло быть столько же. Но превосходство числа не останавливало Денисова. Одно только, что еще нужно было знать ему, это то, какие именно были эти войска; и для этой цели Денисову нужно было взять языка (то есть человека из неприятельской колонны). В утреннее нападение на фуры дело сделалось с такою поспешностью, что бывших при фурах французов всех перебили и захватили живым только мальчишку барабанщика, который был отсталый и ничего не мог сказать положительно о том, какие были войска в колонне.
Нападать другой раз Денисов считал опасным, чтобы не встревожить всю колонну, и потому он послал вперед в Шамшево бывшего при его партии мужика Тихона Щербатого – захватить, ежели можно, хоть одного из бывших там французских передовых квартиргеров.
Был осенний, теплый, дождливый день. Небо и горизонт были одного и того же цвета мутной воды. То падал как будто туман, то вдруг припускал косой, крупный дождь.
На породистой, худой, с подтянутыми боками лошади, в бурке и папахе, с которых струилась вода, ехал Денисов. Он, так же как и его лошадь, косившая голову и поджимавшая уши, морщился от косого дождя и озабоченно присматривался вперед. Исхудавшее и обросшее густой, короткой, черной бородой лицо его казалось сердито.
Рядом с Денисовым, также в бурке и папахе, на сытом, крупном донце ехал казачий эсаул – сотрудник Денисова.
