Keberhasilan yang dicapai dalam pengembangan dan penelitian penguat dan osilator kuantum dalam jangkauan radio menjadi dasar implementasi proposal untuk memperkuat dan menghasilkan cahaya berdasarkan emisi terstimulasi dan mengarah pada penciptaan osilator kuantum dalam jangkauan optik. Generator kuantum optik (OQGs) atau laser adalah satu-satunya sumber tenaga yang kuat cahaya monokromatik. Prinsip amplifikasi cahaya menggunakan sistem atom pertama kali dikemukakan pada tahun 1940 oleh V.A. Pabrikan. Namun, pembenaran atas kemungkinan pembuatan generator kuantum optik baru diberikan pada tahun 1958 oleh C. Townes dan A. Shavlov berdasarkan pencapaian dalam pengembangan perangkat kuantum dalam jangkauan radio. Generator kuantum optik pertama direalisasikan pada tahun 1960. Itu adalah laser dengan kristal rubi sebagai bahan kerjanya. Penciptaan inversi populasi di dalamnya dilakukan dengan metode pemompaan tiga tingkat, biasanya digunakan pada penguat kuantum paramagnetik.

Saat ini, banyak generator kuantum optik yang berbeda telah dikembangkan, berbeda dalam zat kerja (kristal, gelas, plastik, cairan, gas, semikonduktor digunakan) dan metode untuk menciptakan inversi populasi (pemompaan optik, pelepasan gas, reaksi kimia dll.).

inversi populasi dan sistem resonansi tercipta (Gbr. 62). Sebagai yang terakhir, resonator terbuka jenis interferometer Fabry-Perot digunakan dalam laser, yang dibentuk oleh sistem dua cermin yang terletak pada jarak satu sama lain.

Zat kerja meningkatkan radiasi optik karena emisi partikel aktif yang diinduksi. Sistem resonansi, yang menyebabkan banyak lintasan radiasi induksi optik yang dihasilkan melalui media aktif, menentukan interaksi efektif medan dengannya. Jika kita menganggap laser sebagai sistem berosilasi sendiri, maka resonator memberikan umpan balik positif sebagai akibat dari kembalinya sebagian radiasi yang merambat di antara cermin ke media aktif. Agar osilasi dapat terjadi, daya laser yang diterima dari media aktif harus sama dengan atau melebihi daya yang hilang dalam resonator. Hal ini setara dengan fakta bahwa intensitas gelombang pembangkitan setelah melewati media penguat, pantulan dari cermin -/ dan 2, kembali ke penampang semula harus tetap tidak berubah atau melebihi nilai awal.

Saat melewati media aktif, intensitas gelombang 1^ bervariasi menurut hukum eksponensial(mengabaikan saturasi) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], dan jika dipantulkan dari cermin maka berubah G sekali ( T - koefisien refleksi cermin), maka kondisi terjadinya pembangkitan dapat ditulis sebagai

Di mana L - panjang media aktif yang bekerja; R 1 dan r 2 - koefisien refleksi cermin 1 dan 2; a u adalah perolehan media aktif; b 0 - konstanta atenuasi, dengan memperhitungkan kehilangan energi pada zat kerja akibat hamburan karena ketidakhomogenan dan cacat.

I. Resonator generator kuantum optik

Sistem laser resonansi, sebagaimana disebutkan, adalah resonator terbuka. Saat ini, resonator terbuka dengan cermin datar dan bola paling banyak digunakan. Fitur resonator terbuka - dimensi geometrisnya berkali-kali lebih besar daripada panjang gelombangnya. Seperti resonator terbuka volumetrik, mereka memiliki serangkaian jenis osilasinya sendiri, yang dicirikan oleh distribusi medan tertentu di mereka dan frekuensi sendiri. Tipe asli osilasi resonator terbuka adalah solusi persamaan medan yang memenuhi kondisi batas di cermin.

Ada beberapa metode untuk menghitung resonator rongga yang memungkinkan seseorang menemukan jenis getarannya sendiri. Teori resonator terbuka yang teliti dan paling lengkap diberikan dalam karya L.A. Vaivestein.* Metode visual perhitungan jenis getaran pada resonator terbuka dikembangkan dalam karya A. Fox dan T. Lee.

Perhitungan A. Fox dan T. Lee didasarkan pada rumus berikut Kirchhoff, yaitu ekspresi matematika Prinsip Huygens, yang memungkinkan Anda menemukan dasar pada titik pengamatan A oleh bidang tertentu pada suatu permukaan Sb

dimana Eb adalah medan di titik B pada permukaan S B; k- nomor gelombang; R - jarak antar titik A Dan DI DALAM; Q - sudut antara garis yang menghubungkan titik-titik tersebut A Dan DI DALAM, dan normal pada permukaan Sb

Dengan bertambahnya jumlah lintasan, laju aliran pada cermin cenderung ke distribusi stasioner, yang dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Di mana V(x ,у) - fungsi distribusi yang bergantung pada koordinat permukaan cermin dan tidak berubah dari pantulan ke pantulan;

y adalah konstanta kompleks yang tidak bergantung pada koordinat spasial.

Mengganti rumus (112) ke dalam ekspresi (III). kita memperoleh persamaan integral

Ia memiliki solusi hanya untuk nilai tertentu [Gamma] = [gamma min.] yang disebut nilai eigen, Fungsi Vmn , memenuhi persamaan integral, mencirikan struktur medan berbagai jenis osilasi resonator, yang disebut melintang getaran dan ditetapkan sebagai jenis getaran TEMmn Simbol TEM menunjukkan bahwa air di dalam resonator dekat dengan elektromagnetik transversal, yaitu. tidak memiliki komponen medan sepanjang arah rambat gelombang. Indeks M dan n menyatakan banyaknya perubahan arah medan sepanjang sisi cermin (untuk cermin persegi panjang) atau sepanjang sudut dan jari-jari (untuk cermin bulat). Gambar 64 menunjukkan konfigurasi medan listrik untuk jenis osilasi transversal paling sederhana dari resonator terbuka dengan cermin bundar. Jenis osilasi intrinsik resonator terbuka dicirikan tidak hanya oleh distribusi medan melintang, tetapi juga oleh distribusinya sepanjang sumbu resonator, yang merupakan gelombang berdiri dan berbeda dalam jumlah setengah gelombang yang sesuai di sepanjang resonator. panjang resonator. Untuk memperhitungkan hal ini, indeks ketiga diperkenalkan ke dalam penunjukan jenis getaran A, mencirikan jumlah setengah gelombang yang berada di sepanjang sumbu resonator.

Generator Kuantum Optik Solid State

Osilator kuantum optik keadaan padat, atau laser keadaan padat, menggunakan kristal atau dielektrik amorf sebagai media penguatan aktif. Partikel yang bekerja, transisi antara keadaan energi yang menentukan pembangkitan, biasanya adalah ion atom dari kelompok transisi Tabel Periodik. Ion Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ paling sering digunakan. Partikel aktif merupakan pecahan atau satuan persen jumlah total atom lingkungan kerja, sehingga mereka tampaknya membentuk “larutan” dengan konsentrasi rendah dan oleh karena itu hanya sedikit berinteraksi satu sama lain. Tingkat energi yang digunakan adalah tingkat partikel yang bekerja, terpecah dan melebar secara kuat tidak homogen bidang dalam padat. Kristal korundum (Al2O3) dan yttrium-aluminium garnet paling sering digunakan sebagai dasar media penguatan aktif. YAG(Y3Al5O12), berbagai merek kaca, dll.

Pembalikan populasi dalam zat kerja laser solid-state dibuat dengan metode yang mirip dengan yang digunakan pada amplifier paramagnetik. Itu dilakukan dengan menggunakan pemompaan optik, mis. paparan suatu zat terhadap radiasi cahaya intensitas tinggi.

Penelitian menunjukkan bahwa sebagian besar media aktif yang ada saat ini yang digunakan dalam laser solid-state dijelaskan secara memuaskan oleh dua energi ideal utama: skema: tiga dan empat tingkat (Gbr. 71).

Pertama-tama mari kita pertimbangkan metode menciptakan inversi populasi di media yang dijelaskan oleh skema tiga tingkat (lihat Gambar 71, a). Dalam keadaan normal, hanya tingkat utama yang lebih rendah yang dihuni 1 (jarak energi antar level jauh lebih besar daripada kT), karena transisi 1->2, dan 1->3) termasuk dalam jangkauan optik. Transisi antara level 2 dan 1 bersifat operasional. Tingkat 3 bantu dan digunakan untuk membuat inversi dari pasangan level yang berfungsi. Ini sebenarnya menempati petak yang luas nilai-nilai yang dapat diterima energi yang disebabkan oleh interaksi partikel yang bekerja dengan medan intrakristalin.

DC

Bergantung pada panjang gelombang yang dipancarkan generator kuantum, generator kuantum dapat disebut berbeda:

laser (rentang optik);

maser (rentang gelombang mikro);

razer (rentang sinar-X);

gaser (kisaran gamma).

DC

Pada kenyataannya, pengoperasian perangkat ini didasarkan pada penggunaan postulat Bohr:

Sebuah atom dan sistem atom hanya dapat bertahan dalam keadaan stasioner atau kuantum khusus untuk waktu yang lama, yang masing-masing memiliki energi tertentu. Dalam keadaan stasioner, atom tidak memancarkan gelombang elektromagnetik.

Emisi cahaya terjadi ketika elektron bertransisi dari keadaan diam dengan energi lebih tinggi ke keadaan diam keadaan stabil dengan energi yang lebih sedikit. Energi foton yang dipancarkan sama dengan perbedaan energi antara keadaan diam.

Yang paling umum saat ini adalah laser, yaitu generator kuantum optik. Selain mainan anak-anak, mainan ini banyak digunakan di bidang kedokteran, fisika, kimia, teknologi komputer, dan industri lainnya. Laser bertindak sebagai " solusi siap pakai» banyak masalah.

Mari kita lihat lebih dekat prinsip pengoperasian laser.

DC4-14

Laser - generator kuantum optik yang menciptakan berkas cahaya monokromatik koheren yang kuat dan berarah sempit. (slide 1, 2)

( 1. Emisi spontan dan terstimulasi.

Jika elektron berada pada tingkat yang lebih rendah, maka atom akan menyerap foton yang datang, dan elektron akan berpindah dari tingkat E 1 hingga tingkat E 2 . Keadaan ini tidak stabil, elektronsecara spontan akan pindah ke level E 1 dengan emisi foton. Emisi spontan terjadi secara spontan, oleh karena itu atom akan memancarkan cahaya secara tidak konsisten, kacau, oleh karena itu gelombang cahaya tidak konsisten satu sama lain baik dalam fase, polarisasi, maupun arah. Ini adalah cahaya alami.

Namun emisi yang diinduksi (dipaksakan) juga mungkin terjadi. Jika elektron berada pada tingkat atas E 2 (atom dalam keadaan tereksitasi), kemudian ketika foton jatuh, dapat terjadi transisi paksa elektron ke tingkat yang lebih rendah dengan memancarkan foton kedua.

DC

Radiasi selama transisi elektron dalam atom dari tingkat energi atas ke tingkat energi yang lebih rendah dengan emisi foton di bawah pengaruh pengaruh eksternal medan elektromagnetik(foton kejadian) disebutdipaksa atau diinduksi .

Sifat emisi terstimulasi:

frekuensi dan fase foton primer dan sekunder yang identik;

arah perambatan yang sama;

polarisasi yang sama.

Akibatnya, emisi terstimulasi menghasilkan dua foton kembar identik.

DC

2. Penggunaan media aktif.

Keadaan suatu zat dalam medium yang jumlah atomnya kurang dari setengahnya disebut keadaan tereksitasinegara dengan populasi tingkat energi normal . Ini adalah keadaan lingkungan yang normal.

DC

Lingkungan yang lebih dari separuh atomnya berada dalam keadaan tereksitasi disebutmedium aktif dengan populasi tingkat energi yang terbalik . (slide 9)

Dalam medium dengan populasi tingkat energi yang berbanding terbalik, gelombang cahaya diperkuat. Ini adalah lingkungan yang aktif.

Intensifikasi cahaya dapat dibandingkan dengan pertumbuhan longsoran salju.

DC

Untuk memperoleh media aktif digunakan sistem tiga tingkat.

Pada tingkat ketiga, sistem hidup sangat singkat, setelah itu secara spontan masuk ke keadaan E 2 tanpa emisi foton. Transisi dari negara bagian2 di suatu negara bagian 1 disertai dengan emisi foton, yang digunakan dalam laser.

Proses peralihan medium ke keadaan terbalik disebutdipompa . Paling sering, iradiasi cahaya (pemompaan optik) digunakan untuk ini. pelepasan listrik, arus listrik, reaksi kimia. Misalnya, setelah lampu yang kuat berkedip, sistem masuk ke dalam keadaan3 , setelah beberapa waktu singkat di negara bagian tersebut2 , di mana dia tinggal untuk waktu yang relatif lama. Hal ini menciptakan kelebihan populasi pada tingkat tersebut2 .

DC

3. Umpan balik positif.

Untuk berpindah dari mode amplifikasi cahaya ke mode pembangkitan di laser, umpan balik digunakan.

Umpan balik dilakukan dengan menggunakan resonator optik, yang biasanya berupa sepasang cermin paralel. (slide 11)

Akibat salah satu peralihan spontan dari tingkat atas ke tingkat bawah sebuah foton muncul. Ketika bergerak menuju salah satu cermin, sebuah foton menyebabkan longsoran foton. Setelah dipantulkan dari cermin, longsoran foton bergerak masuk arah berlawanan, secara bersamaan menyebabkan semua atom baru memancarkan foton. Proses ini akan terus berlanjut selama masih adapopulasi terbalik tingkat

Populasi terbalik tingkat energi - keadaan lingkungan yang tidak seimbang, di mana jumlah partikel (atom, molekul) yang terletak di tingkat energi atas, yaitu dalam keadaan tereksitasi, lebih besar daripada jumlah partikel yang terletak di tingkat energi yang lebih rendah. .

Elemen aktif

pemompaan

pemompaan

Resonator optik

Aliran cahaya yang bergerak ke arah lateral dengan cepat meninggalkan elemen aktif tanpa sempat memperoleh energi yang signifikan. Gelombang cahaya yang merambat sepanjang sumbu resonator diperkuat berkali-kali lipat. Bagian bawah cermin dibuat tembus cahaya, dan dari sana gelombang laser keluar ke lingkungan.

DC

4. Laser rubi .

Bagian utama dari laser ruby ​​​​adalahbatang rubi. Ruby terdiri dari atomAl Dan HAIdengan campuran atomKr. Atom kromiumlah yang memberi warna pada rubi dan memiliki keadaan metastabil.

DC

Sebuah tabung lampu pelepasan gas, disebut lampu pompa . Lampu berkedip sebentar dan pemompaan terjadi.

Laser rubi beroperasi dalam mode berdenyut. Ada jenis laser lain: gas, semikonduktor... Mereka dapat beroperasi dalam mode berkelanjutan.

DC

5. Properti radiasi laser :

sumber cahaya paling kuat;

P Matahari = 10 4 W/cm 2 , P laser = 10 14 W/cm 2 .

monokromatisitas yang luar biasa (gelombang monokromatik – gelombang tak terbatas secara spasial dengan satu frekuensi spesifik dan sangat konstan) ;

memberikan tingkat perbedaan sudut yang sangat kecil;

koherensi ( itu. kejadian terkoordinasi dalam waktu dan ruang dari beberapa proses osilasi atau gelombang) .

DC3

Untuk operasi laser

diperlukan sistem pemompaan. Artinya, kita akan memberikan suatu energi pada suatu atom atau sistem atom, kemudian menurut postulat ke-2 Bohr, atom tersebut akan berpindah ke energi yang lebih besar. tingkat tinggi dengan banyak energi. Tugas selanjutnya adalah mengembalikan atom ke tingkat sebelumnya, sambil memancarkan foton sebagai energi.

Dengan daya lampu yang cukup, sebagian besar ion kromium diubah menjadi keadaan tereksitasi.

Proses pemberian energi ke badan kerja laser untuk mengubah atom menjadi keadaan tereksitasi disebut pemompaan.

Foton yang dipancarkan dalam hal ini dapat menyebabkan terstimulasi emisi foton tambahan, yang selanjutnya akan menyebabkan terstimulasi emisi)

DC15

Dasar fisik dari operasi laser adalah fenomena tersebut. Inti dari fenomena ini adalah bahwa foton yang tereksitasi mampu memancar di bawah pengaruh foton lain tanpa penyerapannya, jika foton tersebut sama dengan perbedaan energi.

Maser memancarkan gelombang mikro, ukuran – sinar-X , dan gaser – radiasi gamma.

DC16

maser - pemancar kuantum

gelombang elektromagnetik koheren dalam rentang sentimeter (gelombang mikro).

Maser digunakan dalam teknologi (khususnya, dalam komunikasi luar angkasa), dalam penelitian fisik, dan juga sebagai generator kuantum frekuensi standar.

DC

Lebih tepatnya (Laser sinar-X) - sumber radiasi elektromagnetik yang koheren dalam rentang sinar-X, berdasarkan efek emisi terstimulasi. Ini adalah analog gelombang pendek dari laser.

DC

Penerapan koheren radiasi sinar-X termasuk penelitian dalam plasma padat, mikroskop sinar-X, pencitraan medis resolusi fase, eksplorasi permukaan material, dan senjata. Laser sinar-X lembut dapat berfungsi sebagai laser penggerak.

DC

Pekerjaan di bidang gaser sedang berlangsung karena sistem pemompaan yang efektif belum tercipta.

Laser digunakan di seluruh daftar industri :

6. Penerapan laser : (slide 16)

dalam astronomi radio untuk menentukan jarak ke benda tata surya dengan akurasi maksimum (pencari cahaya);

pemrosesan logam (pemotongan, pengelasan, peleburan, pengeboran);

dalam pembedahan alih-alih pisau bedah (misalnya, dalam oftalmologi);

untuk memperoleh gambar tiga dimensi (holografi);

komunikasi (terutama di luar angkasa);

merekam dan menyimpan informasi;

dalam reaksi kimia;

untuk diterapkan reaksi termonuklir di reaktor nuklir;

senjata nuklir.

DC

Dengan demikian, generator kuantum telah dengan kuat memasuki kehidupan sehari-hari umat manusia, sehingga memungkinkan untuk memecahkan banyak masalah yang mendesak pada saat itu.

Arti GENERATOR KUANTUM DAN AMPLIFIER dalam Kamus Collier

GENERATOR DAN AMPLIFIER KUANTUM

pembangkit dan penguat gelombang elektromagnetik berdasarkan fenomena radiasi paksa (induksi). Prinsip pengoperasian generator kuantum gelombang mikro disebut maser (singkatan dari kata-kata bahasa Inggris Amplifikasi Gelombang Mikro dengan Emisi Radiasi Terstimulasi, yang berarti “amplifikasi gelombang mikro akibat radiasi terstimulasi”), diusulkan pada tahun 1954 oleh Charles Townes. (Prinsip yang sama mendasari penguat kuantum optik dan generator laser.) Karena frekuensi radiasi pada keluaran generator kuantum ditentukan oleh tingkat energi atom atau molekul media aktif yang digunakan dalam generator tersebut, yang tetap dan diskrit, maka ia mempunyai nilai yang ditentukan secara tepat dan konstan.

Emisi spontan dan terstimulasi. Energi radiasi elektromagnetik dilepaskan atau diserap dalam bentuk “bagian” terpisah yang disebut kuanta atau foton, dan energi satu kuantum sama dengan h?, di mana h adalah konstanta Planck, dan? - frekuensi radiasi. Ketika sebuah atom menyerap kuantum energi, ia berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi, yaitu. salah satu elektronnya melompat ke orbit yang lebih jauh dari inti. Biasanya dikatakan bahwa atom dalam hal ini masuk ke keadaan tereksitasi.

Sebuah atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dapat melepaskan energi yang tersimpan dengan cara yang berbeda. Satu cara yang mungkin- secara spontan memancarkan kuantum dengan frekuensi yang sama, setelah itu kembali ke keadaan semula. Ini adalah proses radiasi spontan (emisi), yang secara skematis digambarkan pada Gambar. 1,b. Pada frekuensi tinggi, yaitu Pada panjang gelombang pendek yang berhubungan dengan cahaya tampak, emisi spontan terjadi dengan sangat cepat. Sebuah atom yang tereksitasi, setelah menyerap satu foton cahaya tampak, biasanya kehilangan energi yang diperoleh melalui emisi spontan dalam waktu kurang dari sepersejuta detik. Proses emisi spontan pada frekuensi rendah tertunda. Selain itu, sebuah atom dapat memasuki keadaan peralihan, hanya kehilangan sebagian energinya dalam bentuk foton dengan energi lebih rendah yang dipancarkannya.

Ada proses lain yang menyebabkan atom tereksitasi melepaskan energi yang tersimpan ini. Jika radiasi dengan frekuensi tertentu mengenai suatu atom (seperti pada Gambar 1, c), maka radiasi tersebut memaksa atom untuk memancarkan foton dan berpindah ke tingkat yang lebih rendah. Jadi, satu foton datang dan dua foton pergi. Emisi terstimulasi selalu terjadi pada frekuensi dan fase yang sama dengan gelombang masuk, dan oleh karena itu, melewati atom yang tereksitasi, gelombang tersebut meningkatkan intensitasnya.

Jadi, gelombang dengan frekuensi yang sesuai, melewati media di mana terdapat atom-atom tereksitasi berlebih, diperkuat karena energi emisi terstimulasi dari atom-atom ini. Namun, jika terdapat atom yang tidak tereksitasi dalam medium, maka atom tersebut dapat menyerap energi gelombang. Jelaslah bahwa amplifikasi akibat emisi terstimulasi berlawanan dengan penyerapan, dan dominasi salah satu proses dibandingkan proses lainnya bergantung pada atom mana yang lebih banyak berada di jalur gelombang - tereksitasi atau tidak tereksitasi.

Fakta bahwa selain emisi spontan juga harus ada emisi paksa yang didalilkan oleh Albert Einstein pada tahun 1916, dengan menerima bahwa ketiga proses terjadi - penyerapan, rangsangan, dan emisi spontan. Berdasarkan pertimbangan statistik, ia memperoleh rumus yang menjelaskan spektrum frekuensi radiasi yang dipancarkan suatu zat. Penggunaan emisi terstimulasi untuk menciptakan generator gelombang elektromagnetik diusulkan oleh Charles Townes di Amerika Serikat dan, secara independen, oleh fisikawan Rusia N.G. Basov dan A.M. Ketiganya diberikan penghargaan untuk pekerjaan ini Hadiah Nobel dalam fisika (1964).

Penguat kuantum. Seperti dibahas di atas, radiasi dapat diperkuat hanya dengan melewatkannya melalui media aktif yang sesuai. Namun, keuntungannya seringkali tidak signifikan - sekitar 1%. Untuk meningkatkan penguatan, radiasi harus tetap bersentuhan dengan media aktif lebih lama. Untuk melakukan ini, Anda dapat memasukkan media aktif ke dalam ruangan dengan dinding reflektif. Kemudian gelombang transversal akan dipantulkan dari dinding ke dinding, sedikit meningkat pada setiap lintasan. Ketika intensitasnya cukup, sebagian radiasi dapat dilepaskan dari ruangan sebagai keluaran.

Dalam rentang gelombang mikro (frekuensi super tinggi), mis. bila panjang gelombang berada pada kisaran 0,1 hingga 100 cm, dimensi kamera biasanya sebanding dengan panjang gelombang. Ruang yang disetel ke frekuensi yang diinginkan dengan mengubah dimensinya (panjangnya harus sama dengan panjang gelombang) disebut resonator rongga.

Jika panjang gelombang radiasi kira-kira 1 mm atau kurang, maka resonator seperti itu bahkan sulit dibuat. Namun demikian, dimungkinkan untuk membuat resonator rongga untuk cahaya tampak inframerah atau gelombang pendek sehingga panjangnya lebih panjang dari panjang gelombang, misalnya dalam bentuk dua pelat cermin sejajar (Gbr. 2). Dalam alat seperti itu, gelombang yang melintang ke pelat, yang dipantulkan secara bergantian dari cermin, akan tetap berada dalam media aktif dan tumbuh karena emisi terstimulasi. Gelombang yang merambat ke arah lain dengan cepat meninggalkan resonator hampir tanpa amplifikasi.

Tindakan terarah dari sistem dua pelat paralel ini sangat penting terutama untuk generator kuantum radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek. Dalam hal ini, penguatan dalam media aktif harus cukup besar sehingga ketika gelombang berpindah dari satu pelat ke pelat lainnya, ia lebih dari sekadar mengkompensasi kerugian yang tak terhindarkan yang dideritanya ketika dipantulkan dari cermin. Pertumbuhan gelombang yang terus menerus menyebabkan terbentuknya resonansi resonansi di celah antara cermin. getaran elektromagnetik. Gelombang yang merambat ke arah lain tidak cukup kuat untuk mengkompensasi kerugian tersebut. Dan meskipun di ruang tertutup dengan ukuran sedemikian rupa sehingga jutaan jenis osilasi yang berbeda dan kombinasinya yang berubah dengan cepat dapat dibentuk dan dipertahankan, sistem dua pelat paralel hanya memilih gelombang transversal dari keduanya (sisanya teredam). Karena sistem seperti ini sangat cocok untuk mengisolasi osilasi dengan panjang gelombang pendek tertentu, sistem ini banyak digunakan dalam generator kuantum dalam rentang cahaya inframerah dan cahaya tampak - laser.

Agar sebagian cahaya dapat keluar dari rongga laser, salah satu pelat harus tembus cahaya, mis. mentransmisikan sebagian cahaya yang datang padanya dan memantulkan cahaya dengan panjang gelombang lain. Cahaya yang melewati pelat tembus cahaya membentuk berkas berarah sempit. Perangkat laser semacam itu diusulkan oleh Townes dan A. Shavlov.

Dimungkinkan juga untuk mengeluarkan radiasi melalui lubang kecil di salah satu dinding reflektif. Rangkaian ini sering digunakan dalam osilator kuantum dengan panjang gelombang sentimeter (gelombang mikro). Dalam laser, ini tidak memberikan pengarahan sinar keluaran yang tinggi.

Lingkungan aktif. Untuk penyerapan dan penguatan resonansi akibat emisi terstimulasi, gelombang perlu melewati bahan yang atom atau sistem atomnya “disetel” ke frekuensi yang diinginkan. Dengan kata lain, perbedaan tingkat energi E2 – E1 untuk atom-atom bahan harus sama dengan frekuensi gelombang elektromagnetik dikalikan dengan konstanta Planck:

Lebih lanjut, agar emisi terstimulasi dapat mengalahkan penyerapan, maka harus terdapat lebih banyak atom pada tingkat energi atas dibandingkan pada tingkat energi yang lebih rendah. Hal ini biasanya tidak terjadi. Terlebih lagi, sistem atom apa pun, cukup waktu yang lama Jika dibiarkan sendiri, ia akan mencapai keseimbangan dengan lingkungannya pada suhu rendah, yaitu mencapai keadaan energi terendah. Pada suhu tinggi, beberapa atom dalam sistem tereksitasi oleh gerakan termal. Tanpa batas suhu tinggi semua keadaan kuantum akan terisi secara merata. Namun karena suhu selalu terbatas, sebagian besar atom berada pada keadaan terendah, dan semakin tinggi keadaannya, semakin sedikit atom yang terisi. Jika pada suhu absolut T terdapat n0 atom dalam keadaan terendah, maka jumlah atom dalam keadaan tereksitasi, yang energinya melebihi energi keadaan terendah sebesar E, diberikan oleh distribusi Boltzmann:

dimana k adalah konstanta Boltzmann.

Karena selalu ada lebih banyak atom di keadaan yang lebih rendah dalam kondisi kesetimbangan dibandingkan dengan keadaan yang lebih tinggi, dalam kondisi seperti itu penyerapan selalu mendominasi daripada amplifikasi karena emisi terstimulasi. Kelebihan atom dalam keadaan tereksitasi tertentu dapat diciptakan dan dipertahankan hanya dengan mentransfernya secara artifisial ke keadaan ini, dan lebih cepat daripada kembalinya mereka ke keadaan tereksitasi. kesetimbangan termal. Suatu sistem yang memiliki kelebihan atom tereksitasi cenderung mengalami kesetimbangan termal, dan sistem tersebut harus dipertahankan dalam keadaan non-ekuilibrium dengan menciptakan atom-atom tersebut di dalamnya.

Generator kuantum tiga tingkat. Metode untuk menciptakan dan mempertahankan kelebihan atom dalam keadaan tereksitasi untuk gas (metode sistem tiga tingkat) diusulkan oleh N.G. Basov dan A.M bahan keras- N.Blombergen. Penguat kuantum tiga tingkat pertama diciptakan oleh D. Scoville, J. Feer dan G. Seidel. Sistem tiga tingkat secara skematis disajikan pada Gambar. 3. Awalnya, semua atom berada pada level terendah E1, dan level E2 dan E3 kosong. Jarak energi antara level E2 dan E3 tidak sama dengan jarak antara level E1 dan E2. Lampu atau generator yang “memompa” (tergantung pada rentang yang dimaksud - frekuensi optik atau radio) menghasilkan radiasi dengan frekuensi yang sesuai dengan transisi dari tingkat bawah ke tingkat atas. Dengan menyerap radiasi ini, atom menjadi tereksitasi dan berpindah dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Karena awalnya tidak ada atom pada tingkat menengah E2, jumlah atom pada tingkat E3 lebih banyak. Ketika cukup banyak atom telah terakumulasi pada tingkat E3, pembangkitan dimulai pada frekuensi yang sesuai dengan transisi dari tingkat atas ke tingkat menengah. Agar pembangkitan kuantum terjadi terus menerus, level E2 harus segera menjadi kosong, yaitu atom harus dikeluarkan darinya lebih cepat daripada penciptaannya karena rangsangan emisi dari tingkat E3. Tingkat E2 dapat dikosongkan melalui berbagai proses, seperti tumbukan dengan atom lain dan transfer energi kisi kristal(jika media aktifnya padat). Dalam semua kasus, energi diubah menjadi panas, sehingga diperlukan pendinginan perangkat.

Dengan pemompaan, tidak lebih dari separuh atom dapat dipindahkan dari tingkat E1 ke E3, karena efek emisi terstimulasi memaksa mereka untuk kembali ke tingkat yang lebih rendah. Tetapi jika, karena tumbukan atau proses lain, atom-atom dari tingkat E3 dengan cepat berpindah ke tingkat E2, maka pemompaannya ke tingkat atas, diikuti dengan transisi ke tingkat menengah, dapat dilanjutkan. Dengan cara ini, lebih dari separuh atom (dan bahkan semuanya) dapat dipompa ke tingkat E3. Kemudian ternyata di tingkat menengah lebih banyak atom, daripada yang lebih rendah, dan pembangkitan dimulai pada frekuensi yang sesuai dengan transisi. Kedua rangkaian osilator kuantum tiga tingkat dan penguat digunakan, dan satu atau yang lain dipilih tergantung pada sifat bahan yang tersedia dengan resonansi pada saat itu. frekuensi yang diinginkan. Secara umum, diinginkan bahwa media aktif, meskipun memenuhi semua persyaratan lainnya, harus memiliki resonansi yang tinggi. Jika generator kuantum seharusnya digunakan sebagai standar frekuensi, maka resonansinya juga harus tajam. Resonansi seperti itu merupakan karakteristik spektrum atom dan molekul bebas dalam gas. Resonansi bahan padat biasanya cukup luas, meskipun ion unsur tanah jarang dan logam transisi, seperti kromium, dalam kristal memiliki spektrum yang sesuai. Beberapa bahan jenis ini memiliki resonansi yang tinggi dan tajam baik dalam rentang gelombang mikro maupun optik. Misalnya, ruby ​​​​​​(aluminium oksida), di mana persentase tertentu ion aluminium digantikan oleh ion kromium, dapat berfungsi sebagai media aktif untuk generator kuantum tiga tingkat dalam rentang gelombang mikro. Maiman menunjukkan bahwa ruby ​​​​juga cocok untuk membuat laser. Dalam kedua kasus tersebut, tingkat energi ion kromium digunakan.

Laser. Laser adalah generator kuantum optik yang menghasilkan radiasi di wilayah spektrum tampak dan inframerah (dengan panjang gelombang kurang dari 1 mm). Dalam hal intensitas, generator semacam itu jauh lebih unggul daripada semua jenis sumber radiasi serupa lainnya. Selain itu, radiasi keluarannya berada pada pita frekuensi yang sangat sempit dan berbentuk pancaran yang hampir non-divergen. Selain itu, sinar laser dapat difokuskan pada titik yang sangat kecil, yang kepadatan daya cahayanya dan kekuatan medan listriknya sangat besar dibandingkan dengan apa yang dapat dihasilkan oleh sumber cahaya lain. Radiasi keluaran hampir seluruhnya monokromatik dan, yang lebih penting, koheren, yaitu. benar-benar sesuai fase dan bebas dari kekacauan cahaya biasa. Lihat juga LASER.

Generator kuantum molekuler. Generator kuantum pertama, yang dikembangkan oleh Gordon, Zeiger dan Townes, menggunakan ruang evakuasi yang berisi berkas molekul amonia. Molekul-molekul berkas, yang berada dalam keadaan energi lebih rendah, dikeluarkan dari berkas dengan membelokkannya dalam medan listrik yang tidak seragam. Molekul dalam keadaan energi tertinggi difokuskan dalam rongga resonator, tempat terjadinya emisi terstimulasi (Gbr. 4).

Generator kuantum dengan berkas molekul menghasilkan radiasi dengan frekuensi keluaran yang ditentukan secara tajam. Hal ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa jumlah molekul dalam berkas relatif sedikit dan mereka tidak dapat saling mempengaruhi. Karena jumlah molekulnya sedikit, daya keluarannya juga kecil.

Laser pelepasan gas. Media aktif laser pelepasan gas adalah campuran gas mulia seperti helium dan neon. Atom helium mempunyai keadaan tereksitasi dengan masa hidup yang panjang, dan atom-atom yang tereksitasi pada keadaan “metastabil” ini tidak dapat melepaskan energi eksitasinya melalui emisi spontan. Namun, mereka dapat mentransfernya melalui tumbukan atom ke atom neon yang tidak tereksitasi. Setelah tumbukan seperti itu, atom helium berada dalam keadaan dasar, dan atom neon dalam keadaan tereksitasi. Pembangkitan terjadi karena transisi paksa dari tingkat energi ini ke atom neon tingkat rendah yang kosong.

Aplikasi. Kuantum- perangkat elektronik dengan sistem atom dan molekul sebagai media aktif digunakan sebagai penguat dan generator. Pada frekuensi yang lebih rendah, fungsi tersebut dilakukan oleh tabung vakum dan transistor. Tidak mengherankan jika rangkaian perangkat elektronik kuantum sudah mampu menyaingi jumlah dan keragaman perangkat elektronik lama. Perangkat elektronik kuantum telah menemukan sejumlah aplikasi yang mana perangkat elektronik lainnya kurang cocok atau tidak cocok sama sekali. Ini adalah fungsi amplifier gelombang mikro dengan tingkat rendah kebisingan, frekuensi primer dan standar waktu, serta generator dan penguat radiasi infra merah dan sinar tampak.

Amplifier gelombang mikro dengan kebisingan rendah. Tujuan penguat adalah untuk memperkuat sinyal lemah tanpa mendistorsinya atau menimbulkan noise (komponen kacau). Amplifier elektronik selalu menambahkan noise sendiri pada sinyal. Saat bekerja dengan sinyal radio yang sangat lemah, penting agar amplifier berkontribusi sebanyak mungkin lebih sedikit kebisingan. Ini adalah sinyal radio yang diterima dari benda langit, dan sinyal radar yang dipantulkan dari benda yang terletak pada jarak jauh. Dalam dua kasus ini, sinyal diamati di langit, yang hanya menimbulkan sedikit noise. Hal ini memungkinkan Anda mendeteksi sinyal yang sangat lemah jika tidak ditutupi oleh noise dari penerima itu sendiri. Amplifier konvensional tidak memenuhi persyaratan tugas seperti itu, dan amplifier kuantum datang untuk menyelamatkan, karena hampir tidak menimbulkan kebisingan. Dengan mengganti penguat tabung vakum pada masukan penerima dengan penguat kuantum, Anda dapat meningkatkan sensitivitas penerima dalam jangkauan gelombang mikro sebanyak seratus kali lipat. Penerima gelombang mikro dengan penguat kuantum sangat sensitif sehingga memungkinkan perekaman radiasi termal planet lain dan menentukan suhu permukaannya.

Standar frekuensi dan jam atom. Atom dan sistem atom, sebagaimana telah disebutkan, hanya dapat menyerap dan memancarkan radiasi pada frekuensi atau panjang gelombang tertentu. Resonansi ini sering kali berbentuk seperti puncak, sehingga frekuensinya dapat diukur dengan presisi tinggi. Frekuensi yang sesuai merupakan karakteristik atom dan molekul tertentu dan, tidak seperti standar buatan manusia, tidak berubah seiring waktu. Oleh karena itu, resonansi tersebut dapat berfungsi sebagai standar frekuensi, panjang gelombang dan waktu. Frekuensi osilator elektronik eksternal dapat diperiksa kalibrasinya bahkan terhadap resonansi penyerapan. Generator kuantum secara langsung menghasilkan radiasi dengan frekuensi referensi. Ketika generator kuantum dikonfigurasi dengan benar, frekuensi keluarannya konstan. Ini dapat digunakan untuk memantau kemajuan jam yang akurat atau perangkat yang lebih kompleks yang dirancang untuk mengukur interval waktu dengan akurasi tinggi. Media aktif salah satu generator kuantum paling akurat adalah atom hidrogen (sistem ini mirip dengan desain generator kuantum pertama - maser - dengan berkas molekul amonia). Keakuratan frekuensinya adalah 10–10%, yang setara dengan kesalahan “kecepatan jam” sebesar satu detik dalam 30.000 tahun.

Kapal pengangkut batu bara. Kamus Collier. 2012

Lihat juga interpretasi, sinonim, arti kata dan apa itu GENERATOR DAN AMPLIFIER KUANTUM dalam bahasa Rusia dalam kamus, ensiklopedia, dan buku referensi:

• KUANTUM
  ANGKA KUANTUM, bilangan bulat atau pecahan yang menentukan kemungkinan nilai-nilai diskrit fisik besaran yang mencirikan sistem kuantum (inti atom, atom, molekul dan...
• KUANTUM dalam Kamus Besar Ensiklopedis Rusia:
  JAM KUANTUM (jam atom), alat untuk mengukur waktu yang mengandung osilator kuarsa yang dikendalikan oleh standar frekuensi kuantum. Peran “pendulum” dalam kosmos ...
• KUANTUM dalam Kamus Besar Ensiklopedis Rusia:
  STANDAR FREKUENSI KUANTUM, perangkat untuk pengukuran frekuensi osilasi yang tepat, dasar. tentang mengukur frekuensi transisi kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) ...
• KUANTUM dalam Kamus Besar Ensiklopedis Rusia:
  TRANSISI KUANTUM, transisi lompat sistem kuantum(atom, molekul, inti atom, kristal) dari satu keadaan yang mungkin ke ...
• ELEKTRONIK KUANTUM
  elektronika, bidang fisika yang mempelajari metode amplifikasi dan pembangkitan osilasi elektromagnetik berdasarkan penggunaan efek emisi terstimulasi, serta sifat-sifat ...
• GENERATOR MESIN LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK : GENERATOR DC dalam Kamus Collier:
  Ke artikel Teori GENERATOR MESIN LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK. Pada Gambar. Gambar 1a menunjukkan lilitan kawat abcd yang berputar searah jarum jam terhadap sumbu...
• GENERATOR LISTRIK: GENERATOR ARUS ALTERNATIF SINKRON dalam Kamus Collier:
  Ke artikel GENERATOR MESIN LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK Seperti yang telah disebutkan, EMF bolak-balik diinduksi dalam kumparan kawat yang berputar dalam medan magnet konstan. ...
• STANDAR FREKUENSI KUANTUM
  
• Uni Soviet. ILMU TEKNIS di Bolshoi Ensiklopedia Soviet, tsb:
  sains Ilmu Penerbangan dan teknologi Di Rusia pra-revolusioner, sejumlah pesawat dengan desain asli dibuat. Ya.M. menciptakan pesawat terbangnya sendiri (1909-1914) ...
• Uni Soviet. SASTRA DAN SENI dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  dan sastra seni Sastra multinasional Soviet mewakili tahap baru secara kualitatif dalam perkembangan sastra. Sebagai satu kesatuan artistik yang pasti, disatukan oleh satu kesatuan sosio-ideologis...
• PENGUKURAN RADIO dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  pengukuran listrik, magnetik dan besaran elektromagnetik dan hubungannya, yang mencirikan pengoperasian perangkat teknik radio dalam rentang frekuensi dari infrasonik hingga ultratinggi. ...
• MESIN DC dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  mesin saat ini, mesin listrik di mana energi mekanik diubah menjadi energi listrik DC(generator) atau konversi terbalik (motor). ...
• TRANSISI KUANTUM dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  kuantum, lihat transisi kuantum...
• GENERATOR CAHAYA PARAMETRIK dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  generator cahaya, sumber radiasi optik koheren, elemen utamanya adalah kristal nonlinier yang kuat gelombang cahaya frekuensi tetap secara parametrik...
• GENERATOR MOLEKULER dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  generator, perangkat di mana osilasi elektromagnetik yang koheren dihasilkan karena transisi kuantum paksa molekul dari aslinya keadaan energi dalam keadaan...
• ANGKA KUANTUM dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  angka, bilangan bulat (0, 1, 2,...) atau setengah bilangan bulat (1/2, 3/2, 5/2,...) angka yang menentukan kemungkinan nilai diskrit besaran fisis, yang mencirikan kuantum...
• STANDAR FREKUENSI KUANTUM dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  standar frekuensi, perangkat yang menggunakan kuantum...
• TRANSISI KUANTUM dalam Ensiklopedia Besar Soviet, TSB:
  transisi, transisi mendadak sistem kuantum (atom, molekul, inti atom, benda padat) dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Yang paling penting adalah K...
• JAM KUANTUM
  
• STANDAR FREKUENSI KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedis Modern:
  
• TRANSISI KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedis Modern:
  transisi mendadak sistem kuantum (atom, molekul, inti atom, kristal) dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Transisi kuantum bisa bersifat radiasi...
• JAM KUANTUM
  (jam atom), alat untuk mengukur waktu yang mengandung osilator kuarsa yang dikendalikan oleh standar frekuensi. Peran “pendulum” dalam jam kuantum dimainkan oleh atom. Frekuensi...
• STANDAR FREKUENSI KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedis:
  perangkat untuk mengukur secara akurat frekuensi radiasi selama transisi kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) atom, ion, atau molekul dari satu ...
• GENERATOR LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK : MOTOR LISTRIK DC dalam Kamus Collier:
  Ke artikel GENERATOR MESIN LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK Generator DC beroperasi dengan memuaskan seperti motor dan, dengan parameter nominal yang sama, tidak ...
• GENERATOR MESIN LISTRIK DAN MOTOR LISTRIK dalam Kamus Collier:
  mesin tipe putar yang mengubah keduanya energi mekanik menjadi listrik (generator), atau listrik menjadi mekanik (motor). Pengoperasian generator didasarkan pada prinsip...
• STANDAR FREKUENSI KUANTUM di Modern kamus penjelasan, tsb:
  perangkat untuk pengukuran frekuensi getaran yang tepat, berdasarkan pengukuran frekuensi transisi kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) atom, ion atau ...
• ARMAGEDON di Direktori Rahasia permainan, program, peralatan, film, telur Paskah:
  1.Selama pembuatan film, sutradara Michael Bay memperoleh izin untuk membuat film di beberapa lokasi di properti NASA. Saksikan adegan pesawat luar angkasa lepas landas...
• MENGERIKAN dalam Ensiklopedia Galactica Sastra Fiksi Ilmiah:
  Penguat akhlak, pelindung akhlak manusia gesit generasi ke-16 dan selanjutnya; mencegah upaya mersifikasi (kretinisasi) shustra yang dilakukan oleh unsur kriminal dan pembangkang", ...
• RESONANSI FERROMAGNETIK dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  penyerapan selektif energi medan elektromagnetik oleh feromagnet pada frekuensi (biasanya dalam jangkauan radio) yang bertepatan dengan frekuensi alami presesi momen magnetik feromagnetik (lihat Larmore...
• Penguat dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  dalam teknologi - perangkat di mana parameter energi sinyal (dampak) ditingkatkan dengan menggunakan energi sumber tambahan. Sesuai...
• PERANGKAT PENGUKUR TERMOELEKTRIK dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  berfungsi untuk mengukur arus (lebih jarang, tegangan dan daya); adalah alat pengukur magnetoelektrik yang mengukur gaya gerak listrik dari konverter termal, ...
• BLOK PENjumlahan dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  perangkat komputasi analog yang keluarannya menghasilkan nilai yang sebanding dengan jumlah nilai masukan. Blok penjumlahan elektronik adalah yang paling umum sebagai bagian dari AVM...
• RADIO dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  dalam kombinasi dengan antena (eksternal atau built-in) digunakan untuk menerima sinyal radio. Contoh: penerima siaran, televisi, radio radar. Elemen utama: selektif frekuensi…
• BLOK FUNGSI NONLINEAR dalam Kamus Besar Ensiklopedis:
  (dalam teknologi komputer) sebuah node AVM, sinyal keluarannya dihubungkan dengan sinyal masukan melalui hubungan nonlinier tertentu. Perangkat dengan ketergantungan fungsional linier adalah...

Perangkat untuk menerima dan mengubah sinyal
Kursus tentang topik tersebut
« Generator kuantum »

Selesai:
Peredelsky Oleg
Grup I471
Diperiksa:
Tarasov A.I.

Sankt Peterburg
2010

1. Pendahuluan
Tulisan ini membahas tentang prinsip pengoperasian generator kuantum, rangkaian generator, fitur desainnya, masalah kestabilan frekuensi generator dan prinsip modulasi pada generator kuantum.
1.1 Informasi umum
Prinsip pengoperasian generator kuantum didasarkan pada interaksi medan frekuensi tinggi dengan atom atau molekul materi. Mereka memungkinkan terjadinya osilasi dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dan stabilitas tinggi.
Dengan menggunakan generator kuantum, dimungkinkan untuk membuat standar frekuensi yang melebihi semua standar akurasi yang ada. Stabilitas frekuensi jangka panjang, mis. Stabilitas jangka panjang diperkirakan 10 -9 – 10 -10, dan stabilitas jangka pendek (menit) bisa mencapai 10 -11.

Saat ini di Saat ini, osilator kuantum banyak digunakan sebagai standar frekuensi dalam sistem layanan waktu. Penguat kuantum digunakan dalam berbagai perangkat penerima sistem radio, dapat meningkatkan sensitivitas peralatan secara signifikan dan mengurangi tingkat kebisingan internal.
Salah satu fitur generator kuantum, yang menentukan peningkatan pesatnya, adalah kemampuannya untuk beroperasi secara efektif pada frekuensi yang sangat tinggi, termasuk rentang optik, yaitu hampir hingga frekuensi orde 10 9 MHz
Generator jangkauan optik memungkinkan diperolehnya directivity radiasi yang tinggi dan kepadatan energi yang tinggi dalam berkas cahaya (sekitar 10 12 -10 13 W/M 2 ) dan rentang frekuensi yang sangat besar, memungkinkan transmisi informasi dalam jumlah besar.
Penggunaan generator jangkauan optik dalam sistem komunikasi, lokasi dan navigasi membuka prospek baru untuk meningkatkan jangkauan dan keandalan komunikasi secara signifikan, resolusi sistem radar dalam jangkauan dan sudut, serta prospek untuk menciptakan sistem navigasi presisi tinggi.
Generator jangkauan optik digunakan dalam penelitian ilmiah
penelitian dan industri. Konsentrasi energi yang sangat tinggi dalam sinar sempit memungkinkan, misalnya, untuk membakar lubang berdiameter sangat kecil pada paduan dan mineral superkeras, termasuk mineral paling keras, berlian.
Generator kuantum biasanya dibedakan:

berdasarkan sifat zat aktif (padat atau gas), fenomena kuantum yang menentukan pengoperasian perangkat.
berdasarkan rentang frekuensi pengoperasian (rentang sentimeter dan milimeter, rentang optik - inframerah dan bagian spektrum yang terlihat)
dengan metode eksitasi zat aktif atau pemisahan molekul berdasarkan tingkat energi.

1.2 Sejarah penciptaan
Sejarah penciptaan maser seharusnya dimulai pada tahun 1917, ketika Albert Einstein pertama kali memperkenalkan konsep emisi terstimulasi. Ini adalah langkah pertama menuju laser. Langkah selanjutnya telah diambil fisikawan Soviet V.A. Seorang pabrikan yang pada tahun 1939 menunjukkan kemungkinan menggunakan emisi terstimulasi untuk memperkuat radiasi elektromagnetik saat melewati materi. Ide yang diungkapkan oleh V.A. Fabrikant, mengasumsikan penggunaan sistem mikro dengan tingkat populasi terbalik. Kemudian, setelah berakhirnya Perang Patriotik Hebat, V.A. Pabrikan kembali ke ide ini dan, berdasarkan penelitiannya, pada tahun 1951 (bersama dengan M.M. Vudynsky dan F.A. Butaeva) mengajukan permohonan untuk penemuan metode penguatan radiasi menggunakan emisi terstimulasi. Sebuah sertifikat dikeluarkan untuk permohonan ini, di mana, di bawah judul “Subjek penemuan,” tertulis: “Metode penguatan radiasi elektromagnetik (panjang gelombang ultraviolet, tampak, inframerah dan radio), dicirikan bahwa radiasi yang diperkuat adalah melewati suatu medium di mana, dengan bantuan radiasi tambahan atau dengan cara lain mereka menciptakan kelebihan konsentrasi atom, partikel lain atau sistemnya pada tingkat energi atas yang sesuai dengan keadaan tereksitasi dibandingkan dengan keadaan setimbang.”
Awalnya, metode penguatan radiasi ini diterapkan pada rentang radio, atau lebih tepatnya pada rentang frekuensi ultratinggi (rentang gelombang mikro). Pada bulan Mei 1952, di Konferensi All-Union tentang Spektroskopi Radio, fisikawan Soviet (sekarang akademisi) N.G. Basov dan A.M. Prokhorov membuat laporan tentang kemungkinan mendasar untuk menciptakan penguat radiasi dalam jangkauan gelombang mikro. Mereka menyebutnya “generator molekuler” (seharusnya menggunakan berkas molekul amonia). Hampir bersamaan, usulan untuk menggunakan emisi terstimulasi untuk memperkuat dan menghasilkan gelombang milimeter diajukan di Universitas Columbia di AS oleh fisikawan Amerika Charles Townes. Pada tahun 1954, sebuah osilator molekuler, yang kemudian disebut maser, menjadi kenyataan. Ini dikembangkan dan dibuat secara mandiri dan bersamaan di dua tempat di dunia - di Institut Fisik dinamai P.N. Akademi Ilmu Pengetahuan Lebedev Uni Soviet (kelompok yang dipimpin oleh N.G. Basov dan A.M. Prokhorov) dan di Universitas Columbia di AS (kelompok yang dipimpin oleh C. Townes). Selanjutnya istilah “laser” berasal dari istilah “maser” akibat penggantian huruf “M” (huruf awal kata Microwave - microwave) dengan huruf “L” (huruf awal kata Light - lampu). Pengoperasian maser dan laser didasarkan pada prinsip yang sama – prinsip yang dirumuskan pada tahun 1951 oleh V.A. Pabrikan. Munculnya maser berarti lahirnya arah baru dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. Mula-mula disebut radiofisika kuantum, dan kemudian dikenal sebagai elektronika kuantum.

2. Prinsip pengoperasian generator kuantum.

Dalam generator kuantum, dalam kondisi tertentu, terjadi konversi langsung energi internal atom atau molekul menjadi energi radiasi elektromagnetik. Transformasi energi ini terjadi sebagai akibat dari transisi kuantum – transisi energi yang disertai dengan pelepasan kuanta (bagian) energi.
Dalam ketidakhadiran pengaruh eksternal Energi dipertukarkan antar molekul (atau atom) suatu zat. Beberapa molekul memancarkan getaran elektromagnetik, berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, sementara yang lain menyerapnya, melakukan transisi sebaliknya. Secara umum, dalam kondisi stasioner, suatu sistem yang terdiri dari sejumlah besar molekul berada dalam kesetimbangan dinamis, yaitu. Akibat pertukaran energi yang terus menerus, jumlah energi yang dipancarkan sama dengan jumlah energi yang diserap.
Populasi tingkat energi, mis. jumlah atom atau molekul yang terletak pada tingkat yang berbeda ditentukan oleh suhu zat. Populasi level N 1 dan N 2 dengan energi W 1 dan W 2 ditentukan oleh distribusi Boltzmann:

(1)

Di mana k– Konstanta Boltzmann;
T – suhu absolut zat.

Dalam keadaan kesetimbangan termal, sistem kuantum memiliki lebih sedikit molekul pada tingkat energi yang lebih tinggi, dan oleh karena itu mereka tidak memancarkan, tetapi hanya menyerap energi ketika terkena radiasi eksternal. Dalam hal ini, molekul (atau atom) berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi.
Dalam osilator dan amplifier molekuler yang menggunakan transisi antar tingkat energi, jelas perlu untuk menciptakan kondisi buatan di mana populasi dengan tingkat energi yang lebih tinggi akan lebih tinggi. Dalam hal ini, di bawah pengaruh medan frekuensi tinggi eksternal dengan frekuensi tertentu, mendekati frekuensi transisi kuantum, radiasi intens yang terkait dengan transisi dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi rendah dapat diamati. Radiasi ini menyebabkan bidang luar, disebut diinduksi.
Medan frekuensi tinggi eksternal dari frekuensi fundamental yang sesuai dengan frekuensi transisi kuantum (frekuensi ini disebut frekuensi resonansi) tidak hanya menyebabkan radiasi terstimulasi yang kuat, tetapi juga memfasekan radiasi molekul individu, yang memberikan penambahan getaran dan manifestasi efek amplifikasi.
Keadaan transisi kuantum ketika populasi tingkat atas melebihi populasi tingkat transisi bawah disebut terbalik.
Ada beberapa cara untuk memperoleh populasi tingkat energi atas yang tinggi (inversi populasi).
Dalam zat gas, seperti amonia, dimungkinkan untuk memisahkan (mengurutkan) molekul ke dalam tingkat energi yang berbeda menggunakan medan listrik konstan eksternal.
Dalam padatan, pemisahan seperti itu sulit dilakukan, sehingga berbagai metode eksitasi molekul digunakan, yaitu. metode mendistribusikan kembali molekul melintasi tingkat energi melalui iradiasi dengan medan frekuensi tinggi eksternal.

Perubahan tingkat populasi (inversi populasi tingkat) dapat dihasilkan oleh iradiasi berdenyut dengan medan frekuensi tinggi dari frekuensi resonansi dengan intensitas yang cukup. Dengan pemilihan durasi pulsa yang benar (durasi pulsa harus jauh lebih sedikit daripada waktu relaksasi, yaitu waktu untuk mengembalikan keseimbangan dinamis), setelah iradiasi dimungkinkan untuk memperkuat sinyal frekuensi tinggi eksternal untuk beberapa waktu.
Metode eksitasi yang paling nyaman, yang saat ini banyak digunakan dalam generator, adalah metode iradiasi dengan medan frekuensi tinggi eksternal, yang frekuensinya berbeda secara signifikan dari getaran yang dihasilkan, di bawah pengaruhnya terjadi redistribusi molekul yang diperlukan melintasi tingkat energi.
Pengoperasian sebagian besar generator kuantum didasarkan pada penggunaan tiga atau empat tingkat energi (walaupun pada prinsipnya jumlah tingkat yang berbeda dapat digunakan). Mari kita asumsikan bahwa pembangkitan terjadi karena transisi yang diinduksi dari suatu level 3 per tingkat 2 (lihat Gambar 1).
Agar zat aktif meningkat pada frekuensi transisi 3 -> 2, perlu membuat tingkat populasi 3 di atas tingkat populasi 2. Tugas ini dilakukan oleh medan frekuensi tinggi tambahan dengan frekuensi ? vsp yang “melempar” beberapa molekul dari level tersebut 1 per tingkat 3. Inversi populasi dimungkinkan dengan parameter tertentu dari sistem kuantum dan daya radiasi tambahan yang memadai.
Generator yang menciptakan medan frekuensi tinggi tambahan untuk meningkatkan populasi pada tingkat energi yang lebih tinggi disebut pompa atau generator lampu latar. Istilah terakhir dikaitkan dengan generator yang terlihat dan inframerah spektrum di mana sumber cahaya digunakan untuk pemompaan.
Jadi, untuk melaksanakan pengoperasian generator kuantum yang efektif, perlu untuk memilih zat aktif yang memiliki sistem tingkat energi tertentu di mana transisi energi dapat terjadi, dan juga untuk memilih metode eksitasi atau pemisahan yang paling tepat. molekul menjadi tingkat energi.

Gambar 1. Diagram transisi energi
dalam generator kuantum

3. Rangkaian generator kuantum
Generator dan amplifier kuantum dibedakan berdasarkan jenis zat aktif yang digunakan di dalamnya. Saat ini, dua jenis perangkat kuantum telah dikembangkan, yang menggunakan zat aktif gas dan padat
mampu menghasilkan radiasi induksi yang intens.

3.1 Generator molekul dengan pemisahan molekul berdasarkan tingkat energi.

Pertama-tama mari kita pertimbangkan generator kuantum dengan gas zat aktif, di mana, menggunakan listrik bidang, dilakukan pemisahan (penyortiran) molekul-molekul yang terletak pada tingkat energi tinggi dan rendah. Osilator kuantum jenis ini biasa disebut osilator berkas molekul.

Gambar 2. Diagram generator molekuler menggunakan berkas amonia
1 – sumber amonia; 2- jaring; 3 – diafragma; 4 – resonator; 5 – perangkat penyortiran

Dalam generator molekuler yang diterapkan secara praktis, gas amonia (rumus kimia NH 3) digunakan, di mana radiasi molekuler yang terkait dengan transisi antara tingkat energi yang berbeda sangat terasa. Dalam rentang frekuensi sangat tinggi, radiasi paling intens diamati selama transisi energi yang sesuai dengan frekuensi tersebut F N= 23.870 MHz ( ? N= 1,26cm). Diagram sederhana dari generator yang beroperasi dengan amonia dalam bentuk gas ditunjukkan pada Gambar 2.
Elemen utama perangkat, diuraikan dalam garis putus-putus pada Gambar 2, dalam beberapa kasus ditempatkan dalam sistem khusus yang didinginkan dengan nitrogen cair, yang memastikan suhu rendah zat aktif dan semua elemen yang diperlukan untuk mendapatkan tingkat kebisingan yang rendah dan tinggi kestabilan frekuensi generator.
Molekul amonia meninggalkan reservoir pada tekanan yang sangat rendah, diukur dalam satuan milimeter air raksa.
Untuk mendapatkan berkas molekul yang bergerak hampir sejajar dalam arah memanjang, amonia dilewatkan melalui diafragma dengan sejumlah besar saluran sempit berarah aksial. Diameter saluran ini dipilih cukup kecil dibandingkan dengan panjang sedang jalur bebas molekul. Untuk mengurangi kecepatan pergerakan molekul dan, oleh karena itu, mengurangi kemungkinan tumbukan dan radiasi spontan, yaitu radiasi yang tidak diinduksi, yang menyebabkan kebisingan fluktuasi, diafragma didinginkan dengan helium cair atau nitrogen.
Untuk mengurangi kemungkinan tumbukan molekul, seseorang tidak dapat mengikuti jalur penurunan suhu, tetapi sepanjang jalur penurunan tekanan, namun hal ini akan mengurangi jumlah molekul dalam resonator yang secara bersamaan berinteraksi dengan medan frekuensi tinggi. yang terakhir, dan daya yang dilepaskan oleh molekul tereksitasi ke medan frekuensi tinggi resonator akan berkurang.
Untuk menggunakan gas sebagai zat aktif dalam generator molekuler, perlu untuk meningkatkan jumlah molekul yang terletak pada tingkat energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan jumlah yang ditentukan oleh kesetimbangan dinamis pada suhu tertentu.
Dalam generator jenis ini, hal ini dicapai dengan memilah molekul tingkat energi rendah dari berkas molekul menggunakan apa yang disebut kapasitor quadrupole.
Kapasitor segi empat dibentuk oleh empat batang logam memanjang dengan profil khusus (Gambar 3a), dihubungkan berpasangan melalui satu ke penyearah tegangan tinggi, yang memiliki potensial yang sama tetapi tandanya bergantian. Medan listrik yang dihasilkan kapasitor tersebut pada sumbu memanjang generator, karena simetri sistem, sama dengan nol dan mencapai nilai maksimumnya di ruang antara batang yang berdekatan (Gambar 3b).

Gambar 3. Rangkaian kapasitor segi empat

Proses penyortiran molekul berlangsung sebagai berikut. Telah ditetapkan bahwa molekul-molekul yang terletak di medan listrik mengubah energi internalnya dengan meningkatnya energi kekuatan medan listrik tingkat atas meningkat dan yang lebih rendah menurun (Gambar 4).

Gambar 4. Ketergantungan tingkat energi pada kuat medan listrik:

tingkat energi atas
tingkat energi yang lebih rendah

Fenomena ini disebut efek Stark. Karena efek Stark, molekul amonia, ketika bergerak dalam medan kapasitor segi empat, mencoba mengurangi energinya, yaitu memperoleh keadaan yang lebih stabil, dipisahkan: molekul dengan energi atastingkat cenderung meninggalkan daerah medan listrik kuat, yaitu bergerak menuju sumbu kapasitor, di mana medannya nol, dan molekul-molekul tingkat rendah, sebaliknya, bergerak ke daerah medan kuat, yaitu, mereka menjauh dari sumbu kapasitor, mendekati pelat kapasitor. Akibatnya, berkas molekul tidak hanya sebagian besar terbebas dari molekul dengan tingkat energi yang lebih rendah, tetapi juga terfokus dengan cukup baik.
Setelah melewati alat penyortiran, berkas molekul memasuki resonator yang disesuaikan dengan frekuensi transisi energi yang digunakan dalam generator. F N= 23.870MHz .
Medan frekuensi tinggi dari resonator rongga menyebabkan terstimulasi emisi molekul yang terkait dengan transisi dari tingkat energi atas ke tingkat energi yang lebih rendah. Jika energi yang dipancarkan oleh molekul sama dengan energi yang dihabiskan di resonator dan ditransfer ke beban eksternal, maka keadaan stasioner akan terjadi dalam sistem. proses osilasi dan perangkat yang dipertimbangkan dapat digunakan sebagai generator osilasi frekuensi yang stabil.

Proses pembentukan osilasi pada generator berlangsung sebagai berikut.
Molekul yang memasuki resonator, yang sebagian besar berada pada tingkat energi atas, secara spontan (spontan) melakukan transisi ke tingkat yang lebih rendah, memancarkan kuanta energi energi elektromagnetik dan menggairahkan resonator. Awalnya, eksitasi resonator ini sangat lemah, karena transisi energi molekul terjadi secara acak. Medan elektromagnetik resonator, yang bekerja pada molekul berkas, menyebabkan transisi induksi, yang pada gilirannya meningkatkan medan resonator. Jadi, secara bertahap meningkat, medan resonator akan semakin mempengaruhi berkas molekul, dan energi yang dilepaskan selama transisi induksi akan memperkuat medan resonator. Proses peningkatan intensitas osilasi akan terus berlanjut hingga terjadi kejenuhan, yang mana medan resonator akan menjadi sangat besar sehingga selama lewatnya molekul melalui resonator tidak hanya akan menyebabkan transisi terinduksi dari tingkat atas ke tingkat yang lebih rendah, tetapi juga sebagian juga membalikkan transisi yang terkait dengan penyerapan energi elektromagnetik. Dalam hal ini, daya yang dilepaskan oleh molekul amonia tidak lagi meningkat dan, oleh karena itu, peningkatan amplitudo getaran lebih lanjut menjadi tidak mungkin. Mode pembangkitan stasioner telah ditetapkan.
Oleh karena itu, ini bukan eksitasi resonator sederhana, tetapi sistem osilasi mandiri, termasuk umpan balik, yang dilakukan melalui medan frekuensi tinggi resonator. Radiasi molekul yang terbang melalui resonator menggairahkan medan frekuensi tinggi, yang pada gilirannya menentukan emisi terstimulasi molekul, pentahapan dan koherensi radiasi ini.
Jika kondisi eksitasi diri tidak terpenuhi (misalnya, kerapatan fluks molekul yang melewati resonator tidak mencukupi), perangkat ini dapat digunakan sebagai penguat dengan tingkat kebisingan internal yang sangat rendah. Penguatan alat tersebut dapat disesuaikan dengan mengubah kerapatan fluks molekul.
Resonator rongga generator molekuler memiliki faktor kualitas yang sangat tinggi, diukur dalam puluhan ribu. Untuk mendapatkan faktor kualitas setinggi itu, dinding resonator diproses secara hati-hati dan dilapisi perak. Lubang-lubang keluar masuknya molekul yang diameternya sangat kecil sekaligus berfungsi sebagai filter frekuensi tinggi. Mereka adalah pemandu gelombang pendek, yang panjang gelombang kritisnya kurang dari panjang gelombang alami resonator, dan oleh karena itu energi frekuensi tinggi dari resonator praktis tidak keluar melaluinya.
Untuk menyempurnakan resonator ke frekuensi transisi, yang terakhir menggunakan beberapa jenis elemen penyetelan. Dalam kasus paling sederhana, ini adalah sekrup, yang pencelupannya ke dalam resonator sedikit mengubah frekuensi resonator.
Di masa depan, akan ditunjukkan bahwa frekuensi osilator molekuler agak “tertunda” ketika frekuensi penyetelan resonator berubah. Benar, penundaan frekuensinya kecil dan diperkirakan pada nilai orde 10 -11, tetapi tidak dapat diabaikan karena persyaratan tinggi persyaratan untuk generator molekuler. Oleh karena itu, di sejumlah generator molekuler, hanya diafragma dan sistem penyortiran yang didinginkan dengan nitrogen cair (atau udara cair), dan resonator ditempatkan dalam termostat, yang suhunya dijaga konstan oleh perangkat otomatis dengan akurasi pecahan derajat. Gambar 5 secara skematis menunjukkan perangkat generator jenis ini.
Kekuatan generator molekuler yang menggunakan amonia biasanya tidak melebihi 10 -7 W,
Oleh karena itu, dalam praktiknya mereka digunakan terutama sebagai standar frekuensi yang sangat stabil. Stabilitas frekuensi generator tersebut diperkirakan dengan nilai
10 -8 – 10 -10. Dalam satu detik, generator memberikan stabilitas frekuensi sekitar 10 -13.
Salah satu kelemahan signifikan dari desain generator adalah perlunya pemompaan terus menerus dan pemeliharaan aliran molekul.

Gambar 5. Desain generator molekuler
dengan stabilisasi otomatis suhu resonator:
1- sumber amonia; 2 – sistem kapiler; 3- nitrogen cair; 4 – resonator; 5 – sistem kontrol suhu air; 6 – kapasitor empat kutub.

3.2 Generator kuantum dengan pemompaan eksternal

Pada jenis generator kuantum yang dipertimbangkan, zat aktif dapat digunakan sebagai padatan, dan gas yang kemampuan transisi atom atau molekul yang diinduksi secara energik yang tereksitasi oleh medan frekuensi tinggi eksternal dinyatakan dengan jelas. Dalam jangkauan optik, berbagai sumber radiasi cahaya digunakan untuk merangsang (memompa) zat aktif.
Generator jangkauan optik memiliki jangkauan kualitas positif, dan telah diterapkan secara luas dalam berbagai sistem komunikasi radio, navigasi, dll.
Seperti pada generator kuantum gelombang sentimeter dan milimeter, laser biasanya menggunakan sistem tiga tingkat, yaitu zat aktif di mana terjadi transisi antara tiga tingkat energi.
Namun, perlu diperhatikan satu fitur yang harus diperhitungkan ketika memilih zat aktif untuk generator dan amplifier rentang optik.
Dari relasinya W 2 –W 1 =h? Oleh karena itu, seiring dengan peningkatan frekuensi operasi? dalam osilator dan amplifier perlu menggunakan perbedaan tingkat energi yang lebih tinggi. Untuk generator rentang optik kira-kira sesuai dengan rentang frekuensi 2 10 7 -9 10 8 MHz(panjang gelombang 15-0,33 mk), perbedaan tingkat energi W 2 –W 1 harus 2-4 kali lipat lebih tinggi daripada generator dengan jangkauan sentimeter.
Baik padatan maupun gas digunakan sebagai zat aktif dalam generator jangkauan optik.
Ruby buatan banyak digunakan sebagai bahan aktif padat - kristal korundum (A1 2 O 3) dengan campuran ion kromium (Cr). Selain ruby, gelas yang diaktivasi dengan neodymium (Nd), kristal kalsium tungstat (CaWO 4) dengan campuran ion neodymium, kristal kalsium fluorida (CaF 2) dengan campuran disprosium (Dy) atau ion uranium dan bahan lainnya juga banyak digunakan.
Laser gas biasanya menggunakan campuran dua atau lebih gas.

3.2.1 Generator dengan zat aktif padat

Jenis generator jangkauan optik yang paling luas adalah generator yang menggunakan ruby ​​​​​​dengan campuran kromium (0,05%) sebagai bahan aktifnya. Gambar 6 menunjukkan diagram sederhana susunan tingkat energi ion kromium dalam batu rubi. Pita serapan yang memerlukan pemompaan (eksitasi) sesuai dengan bagian spektrum hijau dan biru (panjang gelombang 5600 dan 4100A). Biasanya, pemompaan dilakukan dengan menggunakan lampu xenon pelepasan gas, yang spektrum emisinya mendekati spektrum matahari. Ion kromium, yang menyerap foton cahaya hijau dan biru, berpindah dari tingkat I ke tingkat III dan IV. Beberapa ion tereksitasi dari tingkat ini kembali ke keadaan dasar (ke tingkat I), dan sebagian besar ion tersebut berpindah tanpa mengeluarkan energi ke tingkat metastabil P, sehingga meningkatkan populasi tingkat P yang terakhir. Ion kromium yang telah berpindah ke tingkat II tetap berada dalam keadaan tereksitasi ini untuk waktu yang lama. Oleh karena itu, pada tingkat kedua
dapat diakumulasikan lagi partikel aktif dibandingkan pada tingkat I. Ketika populasi tingkat II melebihi populasi tingkat I, zat tersebut mampu memperkuat osilasi elektromagnetik pada frekuensi transisi II-I. Jika suatu zat ditempatkan dalam resonator, maka dimungkinkan untuk menghasilkan getaran monokromatik yang koheren di bagian merah spektrum tampak. (? = 6943 A ). Peran resonator dalam jangkauan optik dilakukan oleh permukaan reflektif yang sejajar satu sama lain.

Gambar 6. Tingkat energi ion kromium pada batu rubi

pita serapan di bawah pemompaan optik
transisi non-radiasi
tingkat metastabil

Gambar 7. Osilogram yang menjelaskan pengoperasian laser rubi:
a) kekuatan sumber pemompaan
b) populasi tingkat II
c) daya keluaran generator

Selain rubi, zat lain yang digunakan dalam generator jangkauan optik, misalnya kristal kalsium tungstat dan kaca yang diaktifkan neodymium.
Struktur sederhana dari tingkat energi ion neodymium dalam kristal kalsium tungstat ditunjukkan pada Gambar 8.
Di bawah pengaruh cahaya dari lampu pompa, ion-ion dari tingkat I dipindahkan ke keadaan tereksitasi yang ditunjukkan pada diagram III. Kemudian mereka berpindah ke level P tanpa radiasi. Level II bersifat metastabil, dan ion-ion tereksitasi terakumulasi di atasnya. Radiasi koheren dalam rentang inframerah dengan panjang gelombang ?= 1,06 mk terjadi ketika ion berpindah dari level II ke level IV. Ion melakukan transisi dari tingkat IV ke keadaan dasar tanpa radiasi. Fakta bahwa radiasi terjadi
ketika ion berpindah ke tingkat IV, yang terletak di atas permukaan tanah, hal itu menjadi signifikan
memfasilitasi eksitasi generator. Populasi tingkat IV secara signifikan lebih kecil daripada tingkat P [ini mengikuti rumus 1] dan dengan demikian, untuk mencapai ambang eksitasi ke tingkat II, lebih sedikit ion yang harus ditransfer, dan oleh karena itu lebih sedikit energi pemompaan yang harus dikeluarkan.

Gambar 8. Struktur sederhana kadar ion neodymium dalam kalsium tungstat (CaWO 4 )

Kaca yang diolah dengan neodymium juga memiliki diagram tingkat energi yang serupa. Laser yang menggunakan kaca aktif memancarkan panjang gelombang yang sama? = 1,06 mikron.
Padatan aktif dibuat dalam bentuk batang bulat panjang (lebih jarang persegi panjang), yang ujungnya dipoles dengan hati-hati dan lapisan reflektif diterapkan pada batang tersebut dalam bentuk film multilayer dielektrik khusus. Dinding ujung bidang-paralel membentuk resonator di mana rezim refleksi ganda dari osilasi yang dipancarkan (dekat dengan rezim gelombang berdiri) terbentuk, yang meningkatkan radiasi yang diinduksi dan memastikan koherensinya. Resonator juga dapat dibentuk oleh cermin luar.
Cermin dielektrik multilayer memiliki daya serap intrinsik yang rendah dan memungkinkan diperolehnya faktor kualitas resonator tertinggi. Dibandingkan dengan cermin logam yang terbentuk lapisan tipis perak atau logam lainnya, cermin dielektrik multilapis jauh lebih sulit dibuat, tetapi daya tahannya jauh lebih unggul. Cermin logam gagal setelah beberapa kali berkedip, dan karenanya model modern Mereka tidak menggunakan laser.
Model laser pertama menggunakan lampu xenon berdenyut berbentuk spiral sebagai sumber pemompaan. Di dalam lampu terdapat batangan zat aktif.
Kerugian serius dari desain generator ini adalah rendahnya tingkat pemanfaatan energi cahaya dari sumber pemompaan. Untuk menghilangkan kelemahan ini, generator menggunakan pemfokusan energi cahaya dari sumber pemompaan menggunakan lensa atau reflektor khusus. Cara kedua lebih sederhana. Reflektor biasanya dibuat dalam bentuk silinder elips.
Gambar 9 menunjukkan rangkaian osilator ruby. Lampu latar, yang beroperasi dalam mode berdenyut, terletak di dalam reflektor elips yang memfokuskan cahaya lampu pada batang rubi. Lampu ini ditenagai oleh penyearah tegangan tinggi. Dalam interval antar pulsa, energi sumber tegangan tinggi diakumulasikan dalam kapasitor dengan kapasitas sekitar 400 mkf. Pada saat penerapan pulsa penyalaan start dengan tegangan 15 persegi panjang, dilepas dari belitan sekunder trafo step-up, lampu menyala dan terus menyala sampai energi yang terkumpul di kapasitor penyearah tegangan tinggi habis.
Untuk meningkatkan daya pemompaan, beberapa lampu xenon dapat dipasang di sekitar batang rubi, yang cahayanya dipusatkan pada batang rubi menggunakan reflektor.
Untuk yang ditunjukkan pada Gambar. 23.10 ambang batas energi pemompaan generator, yaitu energi saat pembangkitan dimulai, adalah sekitar 150 J. Dengan kapasitas penyimpanan ditunjukkan pada diagram DENGAN = 400 mkf energi tersebut disediakan pada tegangan sumber sekitar 900 DI DALAM.

Gambar 9. Osilator rubi dengan reflektor elips untuk memfokuskan cahaya lampu pompa:

reflektor
spiral pengapian
lampu xenon
rubi

Karena spektrum sumber pemompaan jauh lebih luas daripada pita serapan kristal yang berguna, energi sumber pemompaan digunakan sangat buruk dan oleh karena itu perlu untuk meningkatkan daya sumber secara signifikan untuk menyediakan energi yang cukup. memompa daya untuk pembangkitan dalam pita serapan sempit. Secara alami, hal ini menyebabkan peningkatan suhu kristal yang kuat. Untuk mencegah panas berlebih, Anda dapat menggunakan filter yang bandwidthnya kira-kira sama dengan pita serapan zat aktif, atau menggunakan sistem pendingin paksa untuk kristal, misalnya menggunakan nitrogen cair.
Penggunaan energi pompa yang tidak efisien adalah alasan utama rendahnya efisiensi laser. Generator berbasis ruby ​​​​​​dalam mode pulsa memungkinkan untuk memperoleh efisiensi sekitar 1%, generator berbasis kaca - hingga 3-5%.
Laser Ruby beroperasi terutama dalam mode berdenyut. Transisi ke mode kontinu dibatasi oleh panas berlebih yang diakibatkan oleh kristal rubi dan sumber pemompaan, serta kelelahan pada kaca spion.
Penelitian laser menggunakan bahan semikonduktor saat ini sedang dilakukan. Mereka menggunakan dioda semikonduktor yang terbuat dari galium arsenida sebagai elemen aktif, yang eksitasi (pemompaannya) dilakukan bukan oleh energi cahaya, tetapi oleh arus berkepadatan tinggi yang melewati dioda.
Desain elemen aktif laser sangat sederhana (lihat Gambar 10) Terdiri dari dua bagian bahan semikonduktor P- Dan N-jenis. Bagian bawah material tipe-n dipisahkan dari bagian atas material tipe-p dengan sebuah bidang p-n transisi. Masing-masing pelat dilengkapi dengan kontak untuk menghubungkan dioda dengan sumber pemompaan, yaitu sumber arus searah. Permukaan ujung dioda, sejajar dan dipoles dengan hati-hati, membentuk resonator yang disetel ke frekuensi osilasi yang dihasilkan sesuai dengan panjang gelombang 8400 A. Dimensi dioda adalah 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Dioda ditempatkan dalam cryostat dengan nitrogen cair atau helium dan arus pompa dialirkan melaluinya, yang massa jenisnya adalah p-n transisi mencapai nilai 10 4 -10 6 a/cm 2 Dalam hal ini, osilasi koheren dari rentang inframerah dengan panjang gelombang ? = 8400A.

Gambar 10. Struktur elemen aktif laser dioda semikonduktor.

tepi yang dipoles
kontak
bidang persimpangan pn
kontak

3.2.2 Generator dengan zat aktif berbentuk gas

Dalam generator kuantum optik, zat aktif biasanya merupakan campuran dua gas. Yang paling umum adalah laser gas yang menggunakan campuran helium (He) dan neon (Ne).
Letak tingkat energi helium dan neon ditunjukkan pada Gambar 11. Urutan transisi kuantum pada laser gas adalah sebagai berikut. Di bawah pengaruh osilasi elektromagnetik dari generator frekuensi tinggi di campuran gas, tertutup dalam tabung kaca kuarsa, terjadi pelepasan listrik, yang menyebabkan transisi atom helium dari keadaan dasar I ke keadaan II (2 3 S) dan III (2 1 S). Ketika atom helium yang tereksitasi bertabrakan dengan atom neon, terjadi pertukaran energi di antara keduanya, akibatnya atom helium yang tereksitasi mentransfer energi ke atom neon dan populasi neon tingkat 2S dan 3S meningkat secara signifikan.
dll.............