Успехи, достигнутые при разработке и исследовании кванто­вых усилителей и генераторов в радиодиапазоне, послужили базой для реализации предложения об усилении и генерации света на ос­нове индуцированного излучения и привели к созданию квантовых генераторов оптического диапазона. Оптические квантовые гене­раторы (ОКГ) или лазеры являются единственными источниками мощ­ного монохроматического света. Принцип усиления света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. В.А. Фабри­кантом. Однако обоснование возможности создания оптического квантового генератора было дано лишь в 1958 г. Ч. Таунсом и А. Шавловым на основе достижений разработок квантовых приборов в радиодиапазоне. Первый оптический квантовый генератор был ре­ализован в I960 г. Это был ОКГ с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества. Создание инверсии населенностей в нем осу­ществлялось методом трехуровневой накачки, применявшимся обыч­но в парамагнитных квантовых усилителях.

В настоящее время разработано множество разнообразных оп­тических квантовых генераторов, отличающихся рабочими вещест­вами (в этом качестве используются кристаллы, стекла, пласт­массы, жидкости, газы, полупроводники) и способами создания ин­версии населенностей (оптическая накачка, разряд в газах, химические реакции и т.д.).

создается инверсия населенностей, и резонансной системы (рис.62). В качестве последней в ОКГ используются открытые резонаторы ти­па интерферометра Фабри - Перо, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.

Рабочее вещество осуще­ствляет усиление оптического излучения благодаря индуциро­ванному испусканию активных частиц. Резонансная система, вызывая многократное прохо­ждение возникающего оптиче­ского индуцированного излуче­ния через активную среду, об­условливает эффективное вза­имодействие поля с ней. Если рассматривать ОКГ как автоколеба­тельную систему, то резонатор обеспечивает положительную обрат­ную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения в активную среду. Дяя возникновения колебаний мощность в ОКГ, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после про­хождения через усиливающую среду, отражения от зеркал -/ и 2 , возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.

При прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ изменяется по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ° 1^ ежр [ (ос,^ - b())-c ] , а при отражении от зеркала она изменяется в г раз (т - коэффициент. отражения зеркала), поэтому условие возникновения генерации можно запи­сать как

где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражения зеркал 1 и 2 ; a u - коэффициент усиления активной среды; b 0 - постоянная затухания, учитывающая потери энергии в рабочем веществе в результате рассеяния на неоднородностях и дефектах.

I. Резонаторы оптических квантовых генераторов

Резонансные системы ОКГ, как отмечалось, представляют со­бой открытые резонаторы. В настоящее время наиболее широко при­меняются открытые резонаторы с плоскими и сферическими зерка­лами. Характерная особенность открытых резонаторов - их геоме­трические размеры во много раз превышают длину волны. Подобно объемным открытые резонаторы обладают набором собственных ти­пов колебаний, характеризующихся определенным распределением поля в них и собственными частотами. Собственные типы колеба­ний открытого резонатора представляют собой решения уравнений поля, удовлетворяющие граничным условиям на зеркалах.

Существует несколько методов расчета объемных резонаторов, позволяющих находить собственные типы колебаний. Строгая и наи­более полная теория открытых резонаторов дана в работах Л.А.Вайв-штейна.* Наглядный метод расчета типов колебаний в открытых резонаторах развит в работе А.Фокса и Т.Ли.

Расчет А.Фокса и Т.Ли базируется на следующей формуле Кирх­гофа, являющейся математическим выражением принципа Гюйгенса, которая позволяет находить поде в точке наблюдения А по задан­ному полю на некоторой поверхности Sb

где Eb - поле в точке B на поверхности Sb; k- волновое чи­сло; R - расстояние между точками А и В; Q - угол между ли­нией, соединяющей точки А и В, и нормалью к поверхности Sb

С увеличением числа проходов поде на зеркалах стремится к стационарному распределению, которое можно представить так:

где V(x ,у) - функция распределения, зависящая от координат на поверхности зеркал, не меняющаяся от отражения к отражению;

у - комплексная постоянная, не зависящая от пространственных координат.

Подставив формулу (112) в выражение (III). получим инте­гральное уравнение

Оно имеет решение лишь при определенных значениях [Гамма] =[гамма миним.] назы­ваемых собственными значениями, Функции Vmn, удовлетворяющие интегральному уравнению, характеризуют структуру поля различ­ных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными колебаниями и обозначают как колебания типа ТЕМmn Символ ТЕM указывает на то, что водны внутри резонатора близки к попереч­ным электромагнитным, т.е. не имеющим составляющих поля вдоль направления распространения волны. Индексы m и n обозначают число изменений направления поля вдоль сторон зеркала (для пря­моугольных зеркал) или по углу и вдоль радиуса (для круглых зеркал). На рис.64 показана конфигурация электрического поля для простейших поперечных типов колебаний открытых резонаторов с круглыми зеркалами. Собственные типы колебаний открытых резо­наторов характеризуются не только поперечник распределением поля, но и распределением его вдоль оси резонаторов, которое представляет собой стоячую волну и отличается числом полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Для учета этого в обозна­чения типов колебаний вводится третий ивдекс а , характеризую­щий число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора.

Оптические квантовые генераторы на твердом теле

В оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды ис­пользуются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими части­цами, переходы меяду энергетическими состояниями которых опре­деляют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na 3+ , Cr 3+ , Но 3+ , Pr 3+ . Активные частицы состав­ляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентра­ции и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливаю­щей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.

Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом, анало­гичным используемому в парамаг­нитных усилителях. Она осуще­ствляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучения вы­сокой интенсивности.

Как показывают исследова­ния, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых- в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описыва­ются двумя основными идеализи­рованными энергетическими схе­мами: трех- и четырехуровневой (рис.71).

Рассмотрим вначале метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энер­гетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1->2, и 1->3) принадлежат оптическому диапа­зону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабо­чей пары уровней. Он в действительности занимает широкую поло­су допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.

Сл

В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по-разному:

лазер (оптический диапазон);

мазер (микроволновой диапазон);

разер (рентгеновский диапазон);

газер (гамма-диапазон).

Сл

Реально работа данных устройств базируются на использовании постулатов Бора:

Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Наиболее распространены сегодня именно лазеры, то есть оптические квантовые генераторы. Кроме детских игрушек они получили распространение в медицине, физике, химии, компьютерной технике и прочих отраслях. Лазеры выступили в качестве «готового решения» множества проблем.

Рассмотрим детально принцип работы лазера

Сл4-14

Лазер - оптический квантовый генератор, создающий мощный узконаправленный когерентный монохроматический луч света. (слайды 1, 2)

( 1. Спонтанное и вынужденное излучение.

Если электрон находится на нижнем уровне, то атом поглотит падающий фотон, и электрон перейдет с уровня Е 1 на уровень Е 2 . Это состояние неустойчивое, электрон самопроизвольно перейдет на уровень Е 1 с испусканием фотона. Спонтанное излучение происходит самопроизвольно, следовательно, атом будет испускать свет несогласованно, хаотично, поэтому световые волны несогласованны друг с другом ни по фазе, ни по поляризации, ни по направлению. Это естественный свет.

Но возможно и индуцированное (вынужденное) излучение. Если электрон находится на верхнем уровне Е 2 (атом в возбужденном состоянии), то при падении фотона может произойти вынужденный переход электрона на нижний уровень испусканием второго фотона.

Сл

Излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона) называют вынужденным, или индуцированным .

Свойства вынужденного излучения:

одинаковая частота и фаза фотонов первичного и вторичного;

одинаковое направление распространения;

одинаковая поляризация.

Следовательно, при вынужденном излучении образуются два одинаковых фотона-близнеца.

Сл

2. Использование активных сред.

Состояние вещества среды, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной заселенностью энергетических уровней . Это обычное состояние среды.

Сл

Среду, в которой больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют активной средой с инверсной заселенностью энергетических уровней . (слайд 9)

В среде с инверсной заселенностью энергетических уровней обеспечивается усиление световой волны. Это активная среда.

Усиление света можно сравнить с нарастанием лавины.

Сл

Для получения активной среды используют трехуровневую систему.

На третьем уровне система живет очень мало, после чего самопроизвольно переходит в состояние Е 2 без испускания фотона. Переход из состояния 2 в состояние 1 сопровождается излучением фотона, что и используется в лазерах.

Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой . Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Например, после вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 , спустя малый промежуток времени в состояние 2 , в котором живет сравнительно долго. Так создается перенаселенность на уровне 2 .

Сл

3. Положительно обратная связь.

Для того чтобы из режима усиления света перейти к режиму генерации в лазере используют обратную связь.

Обратная связь осуществляется с помощью оптического резонатора, который обычно представляет собой пару параллельных зеркал. (слайд 11)

В результате одного из спонтанных переходов с верхнего уровня на нижний возникает фотон. При движении в сторону одного из зеркал фотон вызывает целую лавину фотонов. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя испускать фотоны все новые атомы. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока существует инверсная заселенность уровня

Инверсная заселенность энергетических уровней - неравновесное состояние среды, при котором число частиц (атомов, молекул), находящихся на верхних энергетических уровнях, т. Е. В возбужденном состоянии, больше, чем число частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях. .

Активный элемент

накачка

накачка

Оптический резонатор

Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительной энергии. Световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно усиливается. Дно из зеркал делается полупрозрачным, и из него лазерная волна выходит наружу в окружающую среду.

Сл

4. Рубиновый лазер .

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень . Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr . Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Сл

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки . Лампа кратковременно вспыхивает, происходит накачка.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют и другие типы лазеров: газовые, полупроводниковые... Они могут работать в непрерывном режиме.

Сл

5. Свойства лазерного излучения :

самый мощный источник света;

Р Солнца = 10 4 Вт/см 2 , Р лазера = 10 14 Вт/см 2 .

исключительная монохроматичность(монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты) ;

дает очень малую степень расхождения угла;

когерентность (т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов) .

Сл3

Для работы лазера

необходима система накачки. То есть мы придадим атому либо атомной системе какую-либо энергию, тогда, согласно 2 постулату Бора атом перейдет на более высокий уровень с большим количеством энергии. Далее задача состоит в том, чтобы вернуть атом на прежний уровень, при этом, он излучает фотоны в качестве энергии.

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой.

Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение)

Сл15

Физической основой работы лазера служит явление . Суть явления состоит в том, что возбуждённый способен излучить под действием другого фотона без его поглощения, если последнего равняется разности энергий

Мазер излучает микроволны , разер – рентгеновские , а газер – гамма-излучение.

Сл16

Мазер - квантовый генератор, излучающий

когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).

Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Сл

Разер (рентгеновский лазер) - источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, основанный на эффекте вынужденного излучения. Является коротковолновым аналогом лазера.

Сл

Применение когерентного рентгеновского излучения включают в себя исследования в области плотной плазмы, рентгеновской микроскопии, медицинской визуализации фазы с разрешением, исследование поверхности материала, и оружия. Мягкий рентгеновский лазер может выполнять функции лазера двигательной установки.

Сл

Работы в области газера ведутся, так как не создана эффективная система накачки.

Лазеры же используются в целом списке отраслей :

6. Применение лазеров : (слайд 16)

в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);

обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);

в хирургии вместо скальпеля (например, в офтальмологии);

для получения объемных изображений (голография);

связь (особенно в космосе);

запись и хранение информации;

в химических реакциях;

для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;

ядерное оружие.

Сл

Таким образом, квантовые генераторы прочно вошли в быт человечества, позволив решить множество актуальных на тот момент проблем.

Значение КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ в Словаре Кольера

КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

генераторы и усилители электромагнитных волн, основанные на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Принцип действия квантового генератора СВЧ-диапазона, названного мазером (аббревиатура от английских слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающих "микроволновое усиление за счет вынужденного излучения"), был предложен в 1954 Ч.Таунсом. (Этот же принцип лежит в основе оптических квантовых усилителей и лазеров-генераторов.) Поскольку частота излучения на выходе квантового генератора определяется строго фиксированными, дискретными энергетическими уровнями атомов или молекул активной среды, используемой в таком генераторе, она имеет точно определенное и постоянное значение.

Спонтанное и вынужденное излучение. Энергия электромагнитного излучения выделяется или поглощается в виде отдельных "порций", называемых квантами или фотонами, причем энергия одного кванта равна h?, где h - постоянная Планка, а? - частота излучения. Когда атом поглощает квант энергии, он переходит на более высокий энергетический уровень, т.е. один из его электронов перескакивает на орбиту, более удаленную от ядра. Принято говорить, что атом при этом переходит в возбужденное состояние.

Оказавшийся в возбужденном состоянии атом может отдать запасенную энергию разными путями. Один возможный путь - спонтанно испустить квант с той же самой частотой, после чего он возвращается в исходное состояние. Это - процесс спонтанного излучения (испускания), схематически изображенный на рис. 1,б. На высоких частотах, т.е. при малых длинах волн, соответствующих видимому свету, спонтанное излучение происходит очень быстро. Возбужденный атом, поглотив фотон видимого света, обычно теряет приобретенную энергию в результате спонтанного излучения менее чем через одну миллионную секунды. Процесс спонтанного излучения на меньших частотах задерживается. Кроме того, атом может перейти в некое промежуточное состояние, потеряв лишь часть своей энергии в виде испущенного им фотона меньшей энергии.

Есть еще один процесс, приводящий к тому, что возбужденный атом испускает эту запасенную энергию. Если на атом падает излучение определенной частоты (как на рис. 1,в), то оно вынуждает атом испустить фотон и перейти на более низкий уровень. Таким образом, приходит один фотон, а уходят два. Вынужденное излучение всегда происходит на той же частоте и с той же фазой, что и у приходящей волны, а потому, проходя мимо возбужденного атома, волна наращивает свою интенсивность.

Итак, волна соответствующей частоты, проходя через среду, в которой имеется избыток возбужденных атомов, усиливается за счет энергии вынужденного излучения этих атомов. Однако, если в среде имеются невозбужденные атомы, они могут поглощать энергию волны. Очевидно, что усиление за счет вынужденного излучения противоположно поглощению, и перевес одного из процессов над другим зависит от того, каких атомов больше на пути волны - возбужденных или невозбужденных.

То, что наряду со спонтанным излучением должно быть и вынужденное, постулировал Альберт Эйнштейн в 1916, приняв, что происходят все три процесса - поглощение, вынужденное и спонтанное излучение. На основании статистических соображений он вывел формулу, описывающую частотный спектр излучения, испускаемого веществом. Использовать вынужденное излучение для создания генераторов электромагнитных волн предложили Ч.Таунс в США и независимо от него русские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров. Все трое за эту работу были удостоены Нобелевской премии по физике (1964).

Квантовый усилитель. Как говорилось выше, можно усиливать излучение, просто пропуская его через подходящую активную среду. Однако при этом коэффициент усиления зачастую бывает незначителен - порядка 1%. Чтобы увеличить усиление, нужно дольше удерживать излучение в контакте с активной средой. Для этого можно заключить активную среду в камеру с отражающими стенками. Тогда поперечная волна будет отражаться от стенки к стенке, немного усиливаясь при каждом проходе. Когда же она достаточно усилится, часть излучения можно выпустить из камеры в качестве выходного.

В диапазоне СВЧ (сверхвысокочастотном), т.е. когда длина волны находится в диапазоне от 0,1 до 100 см, размеры камеры обычно сравнимы с длиной волны. Камера, настраиваемая на нужную частоту путем изменения размеров (ее длина должна быть равна длине волны), называется объемным резонатором.

Если же длина волны излучения составляет примерно 1 мм или меньше, то такой резонатор даже трудно изготовить. Однако можно сделать объемный резонатор для инфракрасного или коротковолнового видимого света так, чтобы его длина была намного больше длины волны, - например, в виде двух параллельных зеркальных пластин (рис. 2). В таком устройстве поперечная пластинам волна, поочередно отражаясь от зеркал, будет оставаться в активной среде и нарастать за счет вынужденного излучения. Волна же, распространяющаяся в любом другом направлении, быстро уходит из резонатора почти без усиления.

Такое направленное действие системы двух параллельных пластин особенно важно для квантовых генераторов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны. В этом случае усиление в активной среде должно быть достаточно большим, чтобы при прохождении волны от одной пластины к другой оно с лихвой возмещало неизбежные потери, претерпеваемые ею при отражении от зеркала. Непрерывное нарастание волны приводит к тому, что в промежутке между зеркалами устанавливаются резонансные электромагнитные колебания. Волны, распространяющиеся в любых других направлениях, не усиливаются настолько, чтобы компенсировались потери. И хотя в закрытой камере такого размера могли бы устанавливаться и поддерживаться миллионы разных видов колебаний и их быстро меняющихся сочетаний, система двух параллельных пластин выбирает из них только поперечные волны (остальные затухают). Поскольку такая система особенно подходит для выделения колебаний с определенной малой длиной волны, она широко применяется в квантовых генераторах инфракрасного и видимого светового диапазона - лазерах.

Чтобы часть света могла выходить из резонатора лазера, одна из пластин должна быть полупрозрачной, т.е. пропускающей часть падающего на нее света и отражающей свет с другими длинами волн. Свет, проходящий через полупрозрачную пластину, образует узко направленный луч. Такое устройство лазера предложено Таунсом и А.Шавловым.

Можно также выводить излучение через малое отверстие в одной из отражающих стенок. Эта схема часто применяется в квантовых генераторах сантиметрового (СВЧ) диапазона длин волн. В лазерах же она не дает столь высокой направленности выходного луча.

Активная среда. Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка:

Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана:

где k - постоянная Больцмана.

Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.

Трехуровневый квантовый генератор. Метод создания и поддержания избытка атомов в возбужденном состоянии для газов (метод трехуровневой системы) предложен Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, а для твердых материалов - Н.Бломбергеном. Первый трехуровневый квантовый усилитель создали Д.Сковил, Дж.Феер и Г.Зайдель. Трехуровневая система схематически представлена на рис. 3. Первоначально все атомы находятся на самом низком уровне E1, а уровни E2 и E3 не заполнены. Энергетическое расстояние между уровнями E2 и E3 не равно расстоянию между уровнями E1 и E2. Лампа или генератор "накачки" (в зависимости от того, о каком диапазоне идет речь - оптическом или радиочастотном) дает излучение с частотой, соответствующей переходу с нижнего уровня на верхний. Поглощая это излучение, атомы возбуждаются и переходят с нижнего уровня на верхний. Поскольку первоначально на промежуточном уровне E2 нет атомов, на уровне E3 их оказывается больше. Когда на уровне E3 накопится достаточно много атомов, начинается генерация на частоте, соответствующей переходу с верхнего уровня на промежуточный. Для того чтобы квантовая генерация происходила непрерывно, уровень E2 должен быстро опустошаться, т.е. атомы должны удаляться с него быстрее, чем они создаются за счет вынужденного излучения с уровня E3. Уровень E2 может опустошаться разными процессами, такими, как столкновения с другими атомами и передача энергии кристаллической решетке (если активная среда твердая). Во всех случаях энергия преобразуется в тепло, так что необходимо охлаждение прибора.

Накачкой можно перевести с уровня E1 на E3 не более половины атомов, так как далее эффект вынужденного излучения заставляет их возвращаться на нижний уровень. Но если вследствие столкновений или других процессов атомы с уровня E3 быстро переходят на уровень E2, то накачка их на верхний уровень с последующим переходом на промежуточный может продолжаться. Таким путем можно перекачать на уровень E3 больше половины атомов (и даже все). Тогда на промежуточном уровне оказывается больше атомов, чем на нижнем, и начинается генерация на частоте, соответствующей переходу Применение находят обе схемы трехуровневого квантового генератора и усилителя, причем та или другая выбирается в зависимости от свойств имеющегося материала с резонансами на нужных частотах. Вообще говоря, желательно, чтобы активная среда, удовлетворяя всем прочим требованиям, имела высокие резонансы. Если квантовый генератор предполагается использовать в качестве эталона частоты, то резонансы должны быть к тому же острыми. Такие резонансы характерны для спектров свободных атомов и молекул в газах. Резонансы же твердых материалов обычно довольно широкие, хотя ионы редкоземельных элементов и переходных металлов, таких как хром, в кристаллах имеют подходящие спектры.У некоторых материалов такого рода отмечаются высокие и острые резонансы как в СВЧ-, так и в оптическом диапазоне. Например, рубин (оксид алюминия), в котором какая-то доля процента ионов алюминия заменена ионами хрома, может служить активной средой для трехуровневого квантового генератора СВЧ-диапазона. Мейман показал, что рубин пригоден также для изготовления лазера. В обоих случаях используются энергетические уровни ионов хрома.

Лазер. Лазерами называются оптические квантовые генераторы, которые дают излучение, относящееся к видимой и инфракрасной областям спектра (где длины волн меньше 1 мм). По интенсивности такие генераторы намного превосходят все другие виды источников подобного излучения. Кроме того, их выходное излучение приходится на очень узкую полосу частот и имеет форму почти нерасходящегося пучка. К тому же лазерные лучи можно фокусировать в очень малое пятно, в котором плотность световой мощности и напряженность электрического поля колоссальны по сравнению с тем, что могут дать другие источники света. Выходное излучение почти полностью монохроматично и, что еще важнее, когерентно, т.е. полностью согласовано по фазе и лишено хаотической разупорядоченности обычного света. См. также ЛАЗЕР.

Молекулярный квантовый генератор. В первом квантовом генераторе, разработанном Гордоном, Цайгером и Таунсом, использовалась откачанная камера с пучком молекул аммиака. Молекулы пучка, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, выводились из пучка путем их отклонения в неоднородном электрическом поле. Молекулы же, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, фокусировались в объемном резонаторе, где и происходило вынужденное излучение (рис. 4).

Квантовый генератор с молекулярным пучком дает излучение с резко выделенной выходной частотой. Отчасти это обусловлено тем, что в пучке сравнительно мало молекул и они не могут влиять друг на друга. По причине малости числа молекул мала и выходная мощность.

Газоразрядный лазер. Активной средой газоразрядного лазера является смесь благородных газов, таких, как гелий и неон. У атома гелия имеется возбужденное состояние с большим временем жизни, и атомы, возбужденные до этого "метастабильного" состояния, не могут отдать свою энергию возбуждения путем спонтанного излучения. Однако они могут передавать ее в атомных столкновениях невозбужденным атомам неона. После такого столкновения атом гелия оказывается в своем основном состоянии, а атом неона - в возбужденном. Генерация происходит за счет вынужденных переходов с этого энергетического уровня на пустой более низкий уровень атомов неона.

Применение. Квантово-электронные приборы с атомарными и молекулярными системами в качестве активных сред используются в качестве усилителей и генераторов. На более низких частотах такие функции выполняют электронные лампы и транзисторы. Неудивительно, что семейство квантово-электронных приборов уже сейчас может поспорить в отношении многочисленности и разнообразия с более старыми электронными. Квантово-электронные приборы нашли ряд применений, для которых другие электронные приборы подходят плохо или вообще не годятся. Это функции СВЧ-усилителей с низким уровнем шумов, первичных эталонов частоты и времени, а также генераторов и усилителей излучения инфракрасной и видимой области спектра.

Малошумящие СВЧ-усилители. Назначение усилителя состоит в том, чтобы усиливать слабые сигналы, не искажая их при этом и не внося шума (хаотической составляющей). Электронные усилители всегда добавляют к сигналу собственный шум. При работе с крайне слабыми радиосигналами важно, чтобы усилитель вносил как можно меньше шума. Таковы радиосигналы, получаемые от небесных объектов, и радиолокационные сигналы, отраженные от предметов, удаленных на большие расстояния. В этих двух случаях сигнал наблюдается на фоне неба, которое вносит лишь незначительный шум. Это позволяет обнаружить очень слабый сигнал, если он не маскируется шумами самого приемника. Обычные усилители не отвечают требованиям такой задачи, и на помощь приходят квантовые усилители, почти не вносящие шума. Заменив на входе приемника усилитель на электронных лампах квантовым, можно повысить в сто раз чувствительность приемника в СВЧ-диапазоне. СВЧ-приемники с квантовыми усилителями столь чувствительны, что позволяют регистрировать тепловое излучение других планет и определять температуру их поверхности.

Эталоны частоты и атомные часы. Атомы и системы атомов, как уже говорилось, могут поглощать и испускать излучение только с некоторыми определенными частотами или длинами волн. Эти резонансы нередко имеют форму пиков, что позволяет измерять их частоту с высокой точностью. Соответствующие частоты являются характеристическими для тех или иных атомов и молекул и в отличие от построенных человеком эталонов не изменяются со временем. Поэтому такие резонансы могут служить эталонами частоты, длины волны и времени. Частоту внешнего электронного генератора можно проверять для калибровки даже по резонансам поглощения. Квантовые же генераторы непосредственно дают излучение эталонной частоты. При правильной настройке квантового генератора частота на его выходе постоянна. Ее можно использовать для контроля за ходом точных часов или более сложного устройства, предназначенного для измерения с высокой точностью временных интервалов. Активной средой одного из самых точных квантовых генераторов служит атомарный водород (система аналогична устройству первого квантового генератора - мазера - с молекулярным пучком аммиака). Точность его частоты составляет 10?10 %, что соответствует погрешности "хода часов", равной одной секунде за 30 000 лет.

Кольер. Словарь Кольера. 2012

Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:

• КВАНТОВЫЕ
  КВ́АНТОВЫЕ ЧИСЛА, целые или дробные числа, определяющие возможные дискретные значения физ. величин, характеризующих квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу и …
• КВАНТОВЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  КВ́АНТОВЫЕ ЧАСЫ (атомные часы), устройство для измерения времени, содержащее кварцевый генератор, управляемый квантовым стандартом частоты. Роль "маятника" в К.ч. …
• КВАНТОВЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  КВ́АНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, устройства для точного измерения частоты колебаний, осн. на измерении частоты квантовых переходов (в СВЧ- и оптич. спектрах) …
• КВАНТОВЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  КВ́АНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, кристалла) из одного возможного состояния в …
• КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
  электроника, область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства …
• ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ: ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА в Словаре Кольера:
  К статье ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Теория. На рис. 1,а показан виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси …
• ЭЛЕКТРО-ГЕНЕРАТОРЫ: СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА в Словаре Кольера:
  К статье ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Как уже упоминалось, в витке провода, вращающемся в постоянном магнитном поле, наводится переменная ЭДС. …
• КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ
  
• СССР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  науки Авиационная наука и техника В дореволюционной России был построен ряд самолётов оригинальной конструкции. Свои самолёты создали (1909-1914) Я. М. …
• СССР. ЛИТЕРАТУРА И ИСКУССТВО в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  и искусство Литература Многонациональная советская литература представляет собой качественно новый этап развития литературы. Как определённое художественное целое, объединённое единой социально-идеологической …
• РАДИОИЗМЕРЕНИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  измерения электрических, магнитных и электромагнитных величин и их отношений, характеризующих работу радиотехнических устройств в диапазоне частот от инфразвуковых до сверхвысоких. …
• ПОСТОЯННОГО ТОКА МАШИНА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  тока машина, электрическая машина, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока (генератор) или обратное преобразование (двигатель). …
• ПЕРЕХОДЫ КВАНТОВЫЕ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  квантовые, см. Квантовые переходы …
• ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕТА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  генераторы света, источники когерентного оптического излучения, основным элементом которых является нелинейный кристалл, в котором мощная световая волна фиксированной частоты параметрически …
• МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  генератор, устройство, в котором когерентные электромагнитные колебания генерируются за счёт вынужденных квантовых переходов молекул из исходного энергетического состояния в состояние …
• КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  числа, целые (0, 1, 2,...) или полуцелые (1/2, 3/2, 5/2,...) числа, определяющие возможные дискретные значения физических величин, которые характеризуют квантовые …
• КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  стандарты частоты, устройства, в которых для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой используются квантовые …
• КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  переходы, скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, твёрдого тела) из одного состояния в другое. Наиболее важными являются К. …
• КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ
  
• КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ в Современном энциклопедическом словаре:
  
• КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ в Современном энциклопедическом словаре:
  скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, кристалла) из одного возможного состояния в другое. Квантовые переходы могут быть излучательными …
• КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ
  (атомные часы), устройства для измерения времени, содержащие кварцевый генератор, управляемый стандартом частоты. Роль "маятника" в квантовых часах играют атомы. Частота …
• КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ в Энциклопедическом словарике:
  устройства для точного измерения частоты излучения при квантовых переходах (в СВЧ- и оптических спектрах) атомов, ионов или молекул из одного …
• ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА в Словаре Кольера:
  К статье ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Генераторы постоянного тока удовлетворительно работают как двигатели и при тех же номинальных параметрах не …
• ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ в Словаре Кольера:
  машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе …
• КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ в Современном толковом словаре, БСЭ:
  устройства для точного измерения частоты колебаний, основанное на измерении частоты квантовых переходов (в сверхвысокочастотных и оптических спектрах) атомов, ионов или …
• АРМАГЕДДОН в Справочнике Секретов игр, программ, оборудования, кино, пасхальных яйцах:
  1.Во время съёмок режиссёр Майкл Бэй добился разрешения снимать в нескольких местах на территории NASA. Посмотрите сцену взлёта космических кораблей …
• УМОРЫ в Галактической энциклопедии из научно-фантастической литературы:
  Усилители морали, нравственные предохранители шустров 16-го и последующих поколений; предотвращают попытки мерзификации (кретинизации) шустров, предпринимаемые преступными и диссидентскими элементами", …
• ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС в Большом энциклопедическом словаре:
  избирательное поглощение ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах (обычно радиодиапазона), совпадающих с собственной частотой прецессии магнитного момента ферромагнетика (см. Лармора …
• УСИЛИТЕЛЬ в Большом энциклопедическом словаре:
  в технике - устройство, в котором осуществляется увеличение энергетических параметров сигнала (воздействия) за счет использования энергии вспомогательного источника. В соответствии …
• ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ в Большом энциклопедическом словаре:
  служит для измерения силы тока (реже - напряжения и мощности); представляет собой магнитоэлектрический измерительный прибор, измеряющий электродвижущую силу термопреобразователя, нагревательный …
• СУММИРОВАНИЯ БЛОК в Большом энциклопедическом словаре:
  аналоговое вычислительное устройство, на выходе которого образуется величина, пропорциональная сумме входных величин. В составе АВМ наиболее распространены электронные суммирования блоки …
• РАДИОПРИЕМНИК в Большом энциклопедическом словаре:
  в сочетании с антенной (наружной или встроенной) служит для приема радиосигналов. Примеры: радиовещательный приемник, телевизор, радиолокационный радиоприемник. Основные элементы: частотно-селективные …
• НЕЛИНЕЙНОЙ ФУНКЦИИ БЛОК в Большом энциклопедическом словаре:
  (в вычислительной технике) узел АВМ, выходной сигнал которого связан с входным заданной нелинейной зависимостью. Устройства с линейной функциональной зависимостью составляют …

Устройства приема и преобразования сигналов
Курсовая работа на тему
« Квантовые генераторы»

Выполнил:
Передельский Олег
Группа И471
Проверил:
Тарасов А.И.

Санкт – Петербург
2010

1. Введение
В данной работе рассматриваются принципы работы квантовых генераторов, схемы генераторов, их конструктивные особенности, вопросы стабильности частоты генераторов и принципы модуляции в квантовых генераторах.
1.1 Общие сведения
Принцип действия квантовых генераторов основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. Они позволяют генерировать колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности.
На базе квантовых генераторов удается создать эталоны частоты, по точности превышающие все существующие эталоны. Долговременная стабильность частоты, т.е. стабильность за длительный период оценивается значениями 10 -9 – 10 -10 , а кратковременная стабильность(минутная) может достигать 10 -11 .

В настоящее в ремя квантовые генераторы широко используются в качестве стандартов частоты в системах службы времени. Квантовые усилители, применяемые в приемных устройствах различных радиотехнических систем, позволяют существенно повысить чувствительность аппаратуры и снизить уровень внутренних шумов.
Одной из особенностей квантовых генераторов, определяющей их быстрое совершенствование, является их способность эффективно работать на весьма высоких частотах, включая оптический диапазон, т. е. практически до частот порядка 10 9 Мгц.
Генераторы оптического диапазона позволяют получить высокую направленность излучения, высокую плотность энергии в световом пучке (порядка 10 12 -10 13 вт/м 2 ) и огромный частотный диапазон, допускающий передачу большого объема информации.
Применение генераторов оптического диапазона в системах связи, локации и навигации, открывает новые перспективы существенного повышения дальности и надежности связи, разрешающей способности радиолокационных систем по дальности и углу, а также перспективы создания навигационных систем высокой точности.
Генераторы оптического диапазона находят применение при научных исследованиях
исследованиях и в промышленности. Чрезвычайно высокая концентрация энергии в узком пучке позволяет, например, прожигать отверстия очень малого диаметра в сверхтвердых сплавах и минералах, включая самый твердый минерал- алмаз.
Квантовые генераторы обычно различают:

по характеру активного вещества (твердого или газообразного), квантовые явления в котором определяют работу приборов.
по диапазону рабочих частот (сантиметровый и миллиметровый диапазон, оптический диапазон – инфракрасный и видимый участки спектра)
по методу возбуждения активного вещества или разделению молекул по энергетическим уровням.

1.2 История создания
Историю создания мазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.
Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики (ныне академики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором” (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” и произошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light – свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип – принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

2. Принципы работы квантовых генераторов.

В квантовых генераторах при определенных условиях наблюдается непосредственное преобразование внутренней энергии атомов или молекул в энергию электромагнитного излучения. Это преобразование энергии происходит в результате квантовых переходов – энергетических переходов, сопровождающихся выделением квантов(порций) энергии.
При отсутствии внешнего воздействия между молекулами(или атомами) вещества происходит обмен энергией. Часть молекул излучает электромагнитные колебания, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий, часть – поглощает, совершая обратный переход. В целом в стационарных условиях система, состоящая из огромного числа молекул, находится в динамическом равновесии, т.е. в результате непрерывного обмена энергией количество излученной энергии равно количеству поглощенной.
Населенность энергетических уровней, т.е. количество атомов или молекул, находящихся на различных уровнях, определяется температурой вещества. Населенность уровней N 1 и N 2 с энергией W 1 и W 2 определяется распределением Больцмана:

(1)

где k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура вещества.

В состоянии теплового равновесия квантовые системы имеют меньшее количество молекул на более высоких энергетических уровнях, и поэтому они не излучают, а лишь поглощают энергию при внешнем облучении. Молекулы (или атомы) при этом переходят на более высокие энергетические уровни.
В молекулярных генераторах и усилителях, использующих переходы между энергетическими уровнями, очевидно, необходимо создать искусственные условия, при которых населенность более высокого энергетического уровня будет выше. В этом случае под влиянием внешнего высокочастотного поля определенной частоты, близкой к частоте квантового перехода, может наблюдаться интенсивное излучение, связанное с переходом с высокого на низкий энергетический уровень. Такое излучение, вызванное внешним полем, называется индуцированным.
Внешнее высокочастотное поле основной частоты, соответствующей частоте квантового перехода (эту частоту называют резонансной), не только вызывает интенсивное индуцированное излучение, но и осуществляет фазирование излучения отдельных молекул, что обеспечивает сложение колебаний и проявление эффекта усиления.
Состояние квантового перехода, когда населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего уровня перехода называется инвертированным.
Существует несколько способов для получения высокой населенности верхних энергетических уровней(инверсии населенностей).
В газообразных веществах, например в аммиаке, можно осуществить разделение (сортировку) молекул по различным энергетическим состояниям с помощью внешнего постоянного электрического поля.
В твердых телах такое разделение затруднительно, поэтому используются различные методы возбуждения молекул, т.е. методы перераспределения молекул по энергетическим уровням путем облучения внешним высокочастотным полем.

Изменение населенности уровней (инверсию населенности уровней) можно произвести путем импульсного облучения высокочастотным полем резонансной частоты достаточной интенсивности. При правильном подборе длительности импульса (длительность импульса должна быть много меньше времени релаксации, т. е. времени восстановления динамического равновесия) после облучения некоторое время можно осуществлять усиление внешнего высокочастотного сигнала.
Наиболее удобным методом возбуждения, широко используемым в настоящее время в генераторах, является метод облучения внешним высокочастотным полем, существенно отличающимся по частоте от генерируемых колебаний, под действием которого и происходит необходимое перераспределение молекул по энергетическим уровням.
Работа большинства квантовых генераторов основана на использовании трех или четырех энергетических уровней (хотя принципиально можно использовать другое число уровней). Предположим, что генерирование происходит за счет индуцированного перехода с уровня 3 на уровень 2 (см. рис. 1).
Для того чтобы активное вещество усиливало на частоте перехода 3 -> 2, необходимо сделать населенность уровня 3 выше населенности уровня 2. Эту задачу выполняет вспомогательное высокочастотное поле частотой ? всп которое «перебрасывает» часть молекул с уровня 1 на уровень 3. Инверсия населенностей возможна при определенных параметрах квантовой системы и достаточной мощности вспомогательного излучения.
Генератор, создающий вспомогательное высокочастотное поле для увеличения населенности более высокого энергетического уровня называют генератором подкачки или подсветки. Последний термин связан с генераторами колебаний видимого и инфракрасного спектров, в которых для подкачки используются световые источники.
Таким образом, для осуществления эффективной работы квантового генератора необходимо подобрать активное вещество, имеющее определенную систему энергетических уровней, между которыми мог бы происходить энергетический переход, а также выбрать наиболее целесообразный способ возбуждения или разделения молекул по энергетическим уровням.

Рисунок 1. Схема энергетических переходов
в квантовых генераторах

3. Схемы квантовых генераторов
Квантовые генераторы и усилители различают по типу используемого в них активного вещества. В настоящее время получили развитие главным образом два вида квантовых приборов, в которых применяются газообразные и твердые активные вещества
способные к интенсивному индуцированному излучению.

3.1 Молекулярные генераторы с разделением молекул по энергетическим уровням.

Предварительно рассмотрим квантовый генератор с газообразным активным веществом, в котором с помощью электрического поля производится разделение (сортировка) молекул, находящихся на высоком и низком энергетических уровнях. Этот тип квантового генератора обычно называют молекулярным генератором на пучке молекул.

Рисунок 2. Схема молекулярного генератора на пучке аммиака
1 – источник аммиака; 2- сетка; 3 – диафрагма; 4 – резонатор; 5 – сортирующее устройство

В практически реализованных молекулярных генераторах используется газ аммиак (химическая формула NH 3), в котором весьма ярко выражено молекулярное излучение связанное с переходом между различными энергетическими уровнями. В диапазоне сверхвысоких частот наиболее интенсивное излучение наблюдается при энергетическом переходе, соответствующем частоте f n = 23 870 МГц (? n =1.26 см). Упрощенная схема генератора, работающего на аммиаке в газообразном состоянии изображена на рисунке 2.
Основные элементы устройства, очерченные на рисунке 2 пунктиром, в ряде случаев размещаются в специальной системе, охлаждаемой жидким азотом, что обеспечивает низкую температуру активного вещества и всех элементов, необходимую для получения низкого уровня шумов и высокой стабильности частоты генератора.
Молекулы аммиака выходят из резервуара при весьма низком давлении, измеряемом единицами миллиметров ртутного столба.
Для получения пучка молекул, движущихся практически параллельно в продольном направлении, аммиак пропускается через диафрагму с большим числом узких аксиально направленных каналов. Диаметр этих каналов выбирается достаточно малым по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул. Для уменьшения скорости движения молекул и, следовательно, снижения вероятности столкновения и самопроизвольного, т. е. неиндуцированного, излучения, приводящего к флюктуационным шумам, диафрагма охлаждается жидким гелием или азотом.
Для уменьшения вероятности столкновения молекул можно было бы идти не по пути снижения температуры, а по пути уменьшения давления, однако при этом уменьшалось бы число молекул в резонаторе, одновременно взаимодействующих с высокочастотным полем последнего, и уменьшалась бы мощность, отдаваемая возбужденными молекулами высокочастотному полю резонатора.
Для использования газа в качестве активного вещества молекулярного генератора необходимо повысить число молекул, находящихся на более высоком энергетическом уровне, против их количества, определяемого динамическим равновесием при заданной температуре.
В генераторе рассматриваемого типа это достигается путем отсортирования из молекулярного пучка молекул низкого энергетического уровня с помощью так называемого квадрупольного конденсатора.
Квадрупольный конденсатор образуется четырьмя металлическими продольными стержнями специального профиля (рисунок 3а), соединённых попарно через один с высоковольтным выпрямителем которые имеют одинаковый по величине, но чередующийся по знаку потенциал. Результирующее электрическое поле такого конденсатора на продольной оси генератора из-за симметрии системы равно нулю и достигает максимального значения в пространстве между смежными стержнями (рисунок 3б).

Рисунок 3. Схема квадрупольного конденсатора

Процесс сортировки молекул протекает следующим образом. Установлено, что молекулы, находящиеся в электрической поле изменяют свою внутреннюю энергию с возрастанием напряженности электрического поля энергия верхних уровней возрастает а нижних - уменьшается (рисунок 4).

Рисунок 4. Зависимость энергии уровней от напряженности электрического поля:

верхний энергетический уровень
нижний энергетический уровень

Это явление носит название эффекта Штарка. Вследствие эффекта Штарка молекулы аммиака при движении в поле квадрупольного конденсатора, стремясь уменьшить свою энергию, т. е. приобрести более устойчивое состояние, разделяются: молекулы верхнего энергетического уровня стремятся выйти из области сильного электрического поля, т. е. смещаются к оси конденсатора, где поле равно нулю, а молекулы нижнего уровня, наоборот, перемешаются в область сильного поля, т. е. удаляются от оси конденсатора, приближаясь к пластинам последнего. В результате этого молекулярный пучок оказывается не только в значительной степени освобожденным от молекул нижнего энергетического уровня, но и достаточно хорошо сфокусированным.
После прохождения сортирующего устройства молекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту используемого в генераторе энергетического перехода f n = 23 870 Мгц.
Высокочастотное поле объемного резонатора вызывает индуцированное излучение молекул, связанное с переходом с верхнего энергетического уровня на нижний. Если излучаемая молекулами энергия равна энергии, расходуемой в резонаторе и передаваемой во внешнюю нагрузку то в системе устанавливается стационарный колебательный процесс и рассмотренное устройство может быть использовано в качестве генератора стабильных по частоте колебаний.

Процесс установления колебаний в генераторе протекает следующим образом.
Поступающие в резонатор молекулы, находящиеся преимущественно на верхнем энергетическом уровне, самопроизвольно (спонтанно} совершают переход на нижний уровень, излучая при этом кванты энергии электромагнитной энергии и возбуждая резонатор. Вначале это возбуждение резонатора весьма слабо, так как энергетический переход молекул носит случайный характер. Электромагнитное поле резонатора, воздействуя на молекулы пучка, вызывает индуцированные переходы, которые в свою очередь увеличивают поле резонатора. Так, постепенно возрастая, поле резонатора будет все в большей степени воздействовать на молекулярный пучок, а энергия, выделяемая при индуцированных переходах, будет усиливать поле резонатора. Процесс увеличения интенсивности колебаний будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение, при котором поле резонатора будет настолько велико, что в период прохождения молекул через резонатор оно будет вызывать не только индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний, но частично и обратные переходы, связанные с поглощением электромагнитной энергии. При этом мощность, выделяемая молекулами аммиака, уже не увеличивается и, следовательно, дальнейшее нарастание амплитуды колебаний становится невозможным. Устанавливается стационарный режим генерации.
Следовательно это не простое возбуждение резонатора, а автоколебательная система, включающая в себя обратную связь, которая осуществляется через высокочастотное поле резонатора. Излучение пролетающих через резонатор молекул возбуждает высокочастотное поле, которое в свою очередь обусловливает индуцированное излучение молекул, фазирование и когерентность этого излучения.
В тех случаях, когда условия самовозбуждения не выполняются (например, недостаточна плотность молекулярного потока, пронизывающего резонатор), данное устройство может быть использовано в качестве усилителя с весьма малым уровнем внутренних шумов. Коэффициент усиления такого прибора можно регулировать, изменяя плотность молекулярного потока.
Объемный резонатор молекулярного генератора имеет весьма высокую добротность, измеряемую десятками тысяч. Для получения столь высокой добротности стенки резонатора подвергаются тщательной обработке и серебрятся. Отверстия для входа и выхода молекул, имеющие очень малый диаметр, одновременно выполняют роль высокочастотных фильтров. Они являются короткими волноводами, критическая длина волны которых меньше собственной длины волны резонатора, и поэтому высокочастотная энергия резонатора практически через них не выходит.
Для точной настройки резонатора на частоту перехода в последнем используется какой-либо подстраивающий элемент. В простейшем случае - это винт, погружение которого в резонатор несколько изменяет частоту последнего.
В дальнейшем будет показано, что частота молекулярного генератора несколько «затягивается» при изменении частоты настройки резонатора. Правда затягивание частоты невелико и оценивается величинами порядка 10 -11 , однако ими нельзя пренебрегать, вследствие высоких требований, предъявляемых к молекулярным генераторам. По этой причине в ряде молекулярных генераторов жидким азотом (или жидким воздухом) охлаждается только диафрагма и сортирующая система, а резонатор помещается в термостат, температура в котором с помощью автоматического устройства поддерживается постоянной с точностью до долей градуса. На рисунке 5 схематически показано устройство подобного типа генератора.
Мощность молекулярных генераторов на аммиаке обычно не превышает 10 -7 Вт ,
поэтому практически они используются главным образом в качестве высокостабильных эталонов частоты. Стабильность частоты такого генератора оценивается величиной
10 -8 – 10 -10 . В течение одной секунды генератор обеспечивает стабильность частоты порядка 10 -13 .
Одним из существенных недостатков рассмотренной конструкции генератора является необходимость непрерывной откачки и поддержания молекулярного потока.

Рисунок 5. Устройство молекулярного генератора
с автоматической стабилизацией температуры резонатора:
1- источник аммиака; 2 – система капилляров; 3- жидкий азот; 4 –резонатор; 5 – система водяной терморегулировки; 6 – квадрупольный конденсатор.

3.2 Квантовые генераторы с внешней подкачкой

В рассматриваемом типе квантовых генераторов в качестве активного вещества могут использоваться как твердые тела, так и газы, в которых ярко выражена способность к индуцированным энергетически переходам атомов или молекул, возбужденных внешним высокочастотным полем. В оптическом диапазоне для возбуждения(подкачки) активного вещества применяются различные источники светового излучения.
Генераторы оптического диапазона обладают рядом положительных качеств, и нашли широкое применение в различных радиотехнических системах связи, навигации и т. п.
Как и в квантовых генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов, в лазерах обычно используются трехуровневые системы, т. е. активные вещества, в которых осуществляется переход между тремя энергетическими уровнями.
Однако следует отметить одну особенность, которую необходимо учитывать при выборе активного вещества для генераторов и усилителей оптического диапазона.
Из соотношения W 2 –W 1 =h? следует, что по мере повышения рабочей частоты? в генераторах и усилителях необходимо использовать более высокую разность энергетических уровней. Для генераторов оптического диапазона, ориентировочно соответствующего частотному диапазону 2 10 7 -9 10 8 Мгц (длина волны 15-0,33 мк), разность энергии уровней W 2 –W 1 должна быть на 2-4 порядка выше, чем для генераторов сантиметрового диапазона.
В качестве активного вещества в генераторах оптического диапазона используются как твердые тела, так и газы.
В качестве твердого активного вещества широко используется искусственный рубин - кристаллы корунда (А1 2 О 3) с примесью ионов хрома (Сr). Помимо рубина широкое применение находят также стекла, активированные неодимом (Nd), кристаллы вольфрамата кальция (СаWO 4) с примесью ионов неодима, кристаллы фтористого кальция (СаF 2) с примесью ионов диспрозия (Dy) или урана и другие материалы.
В газовых лазерах обычно используются смеси двух или нескольких газов.

3.2.1 Генераторы с твердым активным веществом

Наиболее широко распространенным типом генератора оптического диапазона являются генераторы, в которых в качестве активного вещества используется рубин с примесью хрома (0,05%). На рисунке 6 приведена упрощенная схема расположения энергетических уровней ионов хрома в рубине. Полосы поглощения, на которых необходимо осуществлять подкачку (возбуждение), соответствуют зеленой и синей части спектра (длина волны 5600 и 4100A). Обычно подкачка осуществляется с помощью газоразрядной ксеноновой лампы, спектр излучения которой близок к солнечному. Ионы хрома, поглощая фотоны зеленого и синего света, с уровня I переходят на уровни III и IV. Часть возбужденных ионов с этих уровней возвращается в основное состояние (на уровень I), а большая часть переходит без излучения энергии на метастабильный уровень П увеличивая населенность последнего. Ионы хрома, перешедшие на II уровень, длительное время остаются в этом возбужденном состоянии. Поэтому на втором уровне
можно накопить большее количество активных частиц, чем на уровне I. Когда населенность уровня II превысит населенность уровня I, вещество способно усиливать электромагнитные колебания на частоте перехода II-I. Если вещество помещено в резонатор, становится возможным генерирование когерентных, монохроматических колебаний в красной части видимого спектра (? = 6943 A ). Роль резонатора в оптическом диапазоне выполняют параллельные друг другу отражающие поверхности.

Рисунок 6. Энергетические уровни ионов хрома в рубине

полосы поглощения при оптической накачке
безызлучательные переходы
метастабильный уровень

Рисунок 7. Осциллограммы, поясняющие работу рубинового лазера:
а) мощность источника подкачки
б) населенность уровня II
в) мощность на выходе генератора

Кроме рубина в генераторах оптического диапазона применяются и другие вещества, например кристалл вольфрамата кальция и стекла, активированные неодимом.
Упрощенная структура энергетических уровней ионов неодима в кристалле вольфрамата кальция изображена на рисунке 8.
Под действием света лампы подкачки ионы с уровня I переводятся в возбужденные состояния, обозначенные на диаграмме III. Затем они без излучения переходят на уровень П. Уровень II является метастабильным, и на нем происходит накопление возбужденных ионов. Когерентное излучение в инфракрасном диапазоне с длиной волны ?= 1,06 мк возникает при переходе ионов с уровня II на уровень IV. Переход с уровня IV в основное состояние ионы совершают без излучения. То обстоятельство, что излучение возникает
при переходе ионов на уровень IV, лежащий выше основного, существенно
облегчает возбуждение генератора. Населенность уровня IV значительно меньше, чем уровня П [это следует из формулы 1] и таким образом, для достижения порога возбуждения на II уровень нужно перевести меньшее число ионов, и следовательно затратить меньшую энергию подкачки.

Рисунок 8. Упрощенная структура уровней ионов неодима в вольфрамате кальция (CaWO 4 )

Аналогичную диаграмму энергетических уровней имеет также и стекло, активированное неодимом. Лазеры с использованием активированного стекла излучают на той же длине волны?= 1,06мк.
Активные твердые вещества выполняются в виде длинных круглых (реже - прямоугольных) стержней торцы которых тщательно полируются и на них наносятся отражающие покрытия в виде специальных диэлектрических многослойных пленок. Плоскопараллельные торцовые стенки образуют резонатор, в котором устанавливается режим многократного отражения излучаемых колебаний(близкий к режиму стоячих волн), способствующий усилению индуцированного излучения и обеспечивающий его когерентность. Резонатор может образован также и внешними зеркалами.
Многослойные диэлектрические зеркала обладают малым собственным поглощением и позволяют получить наиболее высокую добротность резонатора. По сравнению с металлическими зеркалами, образованными тонким слоем серебра или другого металла, многослойные диэлектрические зеркала в изготовлении значительно сложнее, но намного превосходят их по стойкости. Металлические зеркала выходят из строя после нескольких вспышек, и поэтому в современных моделях лазеров их не используют.
В первых моделях лазеров в качестве источника подкачки использовались импульсные ксеноновые лампы спиральной формы. Внутри лампы располагался стержень активного вещества.
Серьезным недостатком такой конструкции генератора является низкий коэффициент использования световой энергии источника подкачки. С целью устранения этого недостатка в генераторах используется фокусировка световой энергии источника подкачки с помощью специальных линз или рефлекторов. Второй способ более простой. Рефлектор выполняется обычно в виде эллиптического цилиндра.
На рисунке 9 изображена схема рубинового генератора. Лампа для подсветки, работающая в импульсном режиме, располагается внутри эллиптического рефлектора, осуществляющего фокусировку света лампы на рубиновом стержне. Лампа питается от высоковольтного выпрямителя. В интервалах между импульсами энергия высоковольтного источника накапливается в конденсаторе емкостью около 400 мкф . В момент подачи пускового поджигающего импульса напряжением 15 кВ , снимаемого со вторичной обмотки повышающего трансформатора, лампа загорается и продолжает гореть, пока не израсходуется энергия, накопленная в конденсаторе высоковольтного выпрямителя.
Для увеличения мощности подкачки вокруг рубинового стержня может быть установлено несколько ксеноновых ламп, свет которых с помощью рефлекторов концентрируется на рубиновый стержень.
Для приведенного на рис. 23.10 генератора пороговая энергия подкачки, т. е. энергия, при которой начинается генерация, составляет около 150 Дж . При указанной на схеме емкости накопителя С = 400 мкф такая энергия обеспечивается при напряжении источника порядка 900 В .

Рисунок 9. Рубиновый генератор с эллиптическим рефлектором для фокусировки света лампы подкачки:

рефлектор
спираль поджига
ксеноновая лампа
рубин

Вследствие того, что спектр источников подкачки много шире полезной полосы поглощения кристалла, энергия источника подкачки используется весьма слабо и поэтому приходится значительно повышать мощность источника, чтобы обеспечить достаточную для генерации мощность подкачки в узкой полосе поглощения. Естественно, что это приводит к сильному повышению температуры кристалла. Для предотвращения перегрева можно использовать фильтры, полоса пропускания которых приблизительно совпадает с полосой поглощения активного вещества, или применить систему принудительного охлаждения кристалла, например, с помощью жидкого азота.
Неэффективное использование энергии подкачки является основной причиной относительно низкого к. п. д. лазеров. Генераторы на рубине в импульсном режиме позволяют получить к. п. д. порядка 1%, генераторы на стекле - до 3-5%.
Лазеры на рубине работают преимущественно в импульсном режиме. Переход в непрерывный режим ограничивается возникающим при этом перегревом кристалла рубина и источников подкачки, а также прогоранием зеркал.
В настоящее время ведутся исследования лазеров с использованием полупроводниковых материалов. В качестве активного элемента в них используется полупроводниковый диод из арсенида галлия, возбуждение (накачка) которого осуществляется не световой энергией, а током большой плотности, пропускаемым через диод.
Устройство активного элемента лазера весьма просто (см. рисунок 10) Он состоит из двух половин полупроводникового материала р- и n -типа. Нижняя половина из материала n-типа отделяется от верхней из материала p-типа плоскостью р-n перехода. Каждая из пластин снабжена контактом для подключения диода к источнику подкачки, в качестве которого используется источник постоянного тока. Торцовые грани диода, строго параллельные и тщательно отполированные, образуют резонатор, настроенный на частоту генерируемых колебаний, соответствующих длине волны 8400 A. Размеры диода составляют 0,1 х 0,1 х 1,25 мм . Диод помещается в криостат с жидким азотом или гелием и через него пропускается ток накачки, плотность которого в р-n переходе достигает значений 10 4 -10 6 а/см 2 При этом происходит излучение когерентных колебаний инфракрасного диапазона с длиной волны ? = 8400A.

Рисунок 10. Устройство активного элемента лазера на полупроводниковом диоде.

отполированные грани
контакт
плоскость p-n перехода
контакт

3.2.2 Генераторы с газообразным активным веществом

В квантовых генераторах оптического диапазона активным веществом является обычно смесь двух газов. Наиболее распространенным является газовый лазер на смеси гелия (Не) и неона (Nе).
Расположение энергетических уровней гелия и неона показано на рисунке 11. Последовательность квантовых переходов в газовом лазере следующая. Под действием электромагнитных колебаний высокочастотного генератора в газовой смеси, заключенной в трубку из кварцевого стекла, происходит электрический разряд, приводящий к переходу атомов гелия из основного состояния I в состояние II (2 3 S) и III (2 1 S). При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона между ними происходит энергетический обмен, в результате которого возбужденные атомы гелия передают энергию атомам неона и населенность уровней 2S и 3S неона существенно увеличивается.
и т.д.................