KVANTINIŲ GENERATORIŲ IR STIPRINTUVŲ reikšmė Collier's Dictionary

KVANTINIAI GENERATORIAI IR STIPRINTUVAI

generatoriai ir stiprintuvai elektromagnetines bangas, paremtas priverstinės (sukeliamosios) spinduliuotės reiškiniu. Mikrobangų kvantinio generatoriaus, vadinamo maseriu, veikimo principas (sutrumpinimas Anglų kalbos žodžiai Mikrobangų stiprinimą skatinant spinduliuotę, ty „mikrobangų stiprinimas dėl stimuliuojamos spinduliuotės“), 1954 m. pasiūlė Charlesas Townesas. (Tas pats principas grindžiamas optiniais kvantiniais stiprintuvais ir lazeriniais generatoriais.) Kadangi spinduliavimo dažnis kvantinio generatoriaus išėjime yra nustatomas pagal griežtai fiksuotus, atskirus tokiame generatoriuje naudojamos aktyviosios terpės atomų arba molekulių energijos lygius, jis turi tiksliai apibrėžta ir pastovi vertė.

Spontaniška ir stimuliuojama emisija. Energija elektromagnetinė spinduliuotė išsiskiria arba absorbuojamas atskirų „dalijų“, vadinamų kvantais arba fotonais, pavidalu, o vieno kvanto energija yra lygi h?, kur h yra Planko konstanta, ir? - spinduliavimo dažnis. Kai atomas sugeria energijos kvantą, jis pereina į aukštesnį energijos lygį, t.y. vienas iš jo elektronų iššoka į toliau nuo branduolio esančią orbitą. Įprasta sakyti, kad atomas šiuo atveju pereina į sužadinimo būseną.

Atomas, atsidūręs sužadinimo būsenoje, gali išleisti savo sukauptą energiją įvairiais būdais. Vienas galimas būdas- spontaniškai išspinduliuoja kvantą tokiu pat dažniu, po kurio jis grįžta į pradinę būseną. Tai spontaniškos spinduliuotės (emisijos) procesas, schematiškai pavaizduotas Fig. 1, b. Įjungta aukšti dažniai, t.y. Esant trumpiems bangos ilgiams, atitinkantiems matomą šviesą, spontaniška emisija įvyksta labai greitai. Sužadintas atomas, sugėręs fotoną matoma šviesa, paprastai netenka įgytos energijos dėl spontaniškos emisijos greičiau nei per vieną milijonąją sekundės dalį. Spontaniškos emisijos procesas žemesniais dažniais vėluoja. Be to, atomas gali pereiti į kokią nors tarpinę būseną, prarasdamas tik dalį savo energijos jo skleidžiamo mažesnės energijos fotono pavidalu.

Yra dar vienas procesas, dėl kurio sužadintas atomas išleidžia šią sukauptą energiją. Jeigu tam tikro dažnio spinduliuotė krenta ant atomo (kaip 1 pav., c), tai priverčia atomą išspinduliuoti fotoną ir pereiti į žemesnį lygį. Taigi vienas fotonas atvyksta ir du išeina. Stimuliuojama emisija visada vyksta tuo pačiu dažniu ir ta pačia faze kaip ir įeinanti banga, todėl, praeidama pro sužadintą atomą, banga padidina savo intensyvumą.

Taigi, atitinkamo dažnio banga, einanti per terpę, kurioje yra sužadintų atomų perteklius, sustiprėja dėl stimuliuojamos šių atomų emisijos energijos. Tačiau jei terpėje yra nesužadintų atomų, jie gali sugerti bangos energiją. Akivaizdu, kad stiprinimas dėl stimuliuojamos emisijos yra priešingas absorbcijai, o vieno iš procesų vyravimas prieš kitą priklauso nuo to, kurie atomai yra daugiau bangos kelyje – sužadinti ar nesužadinti.

Tai, kad kartu su spontaniška emisija turi būti ir priverstinė emisija, 1916 m. postulavo Albertas Einšteinas, pripažindamas, kad vyksta visi trys procesai – absorbcija, stimuliuojama ir spontaniška emisija. Remdamasis statistiniais sumetimais, jis išvedė formulę, apibūdinančią medžiagos skleidžiamos spinduliuotės dažnių spektrą. Stimuliuotą emisiją naudoti elektromagnetinių bangų generatoriams pasiūlė Charlesas Townesas iš JAV ir, nepriklausomai nuo jo, rusų fizikai N.G.Basovas ir A.M. Visi trys buvo apdovanoti už šį darbą Nobelio premija fizikoje (1964).

Kvantinis stiprintuvas. Kaip aptarta aukščiau, spinduliuotę galima sustiprinti tiesiog praleidžiant ją per tinkamą aktyvią terpę. Tačiau prieaugis dažnai būna nežymus – apie 1 proc. Norint padidinti stiprinimą, reikia ilgiau palaikyti spinduliuotę sąlytyje su aktyvia terpe. Norėdami tai padaryti, aktyviąją terpę galite uždengti kameroje su atspindinčiomis sienelėmis. Tada skersinė banga atsispindės nuo sienos iki sienos, kiekvienu praėjimu šiek tiek didėdama. Kai ji pakankamai sustiprėjusi, dalis spinduliuotės gali būti išleista iš kameros kaip išėjimas.

Mikrobangų (super aukšto dažnio) diapazone, t.y. kai bangos ilgis yra nuo 0,1 iki 100 cm, fotoaparato matmenys paprastai yra palyginami su bangos ilgiu. Kamera, kuri sureguliuojama iki pageidaujamo dažnio, keičiant jos matmenis (jos ilgis turi būti lygus bangos ilgiui), vadinama ertmės rezonatoriumi.

Jei spinduliuotės bangos ilgis yra maždaug 1 mm ar mažesnis, tokį rezonatorių net sunku pagaminti. Tačiau galima padaryti infraraudonųjų spindulių arba trumpųjų bangų matomos šviesos ertminį rezonatorių, kad jo ilgis būtų daug didesnis už bangos ilgį, pavyzdžiui, dviejų lygiagrečių veidrodinių plokščių pavidalu (2 pav.). Tokiame įrenginyje banga, skersinė plokštelėms, pakaitomis atsispindinti nuo veidrodžių, išliks aktyvioje terpėje ir augs dėl stimuliuojamos emisijos. Bet kuria kita kryptimi sklindanti banga greitai palieka rezonatorių beveik be stiprinimo.

Šis kryptingas dviejų lygiagrečių plokščių sistemos veikimas ypač svarbus labai trumpo bangos ilgio elektromagnetinės spinduliuotės kvantiniams generatoriams. Šiuo atveju aktyviosios terpės stiprinimas turi būti pakankamai didelis, kad bangai pereinant iš vienos plokštės į kitą ji daugiau nei kompensuotų neišvengiamus nuostolius, kuriuos patiria atsispindėjusi nuo veidrodžio. Nuolatinis bangos augimas lemia rezonansinių elektromagnetinių virpesių atsiradimą tarpe tarp veidrodžių. Bet kuria kita kryptimi sklindančios bangos nėra pakankamai sustiprintos, kad kompensuotų nuostolius. Ir nors viduje uždara kamera tokio dydžio galima įdiegti ir palaikyti milijonus skirtingų tipų svyravimai ir greitai kintantys jų deriniai, dviejų lygiagrečių plokščių sistema iš jų parenka tik skersines bangas (likusios yra slopinamos). Kadangi tokia sistema ypač tinka specifinio trumpo bangos ilgio virpesiams izoliuoti, ji plačiai naudojama infraraudonųjų ir regimosios šviesos diapazono kvantiniuose generatoriuose – lazeriuose.

Kad dalis šviesos išeitų iš lazerio ertmės, viena iš plokštelių turi būti permatoma, t.y. perduodanti dalį ant jo krintančios šviesos ir atspindinti šviesą su kitais bangos ilgiais. Šviesa, praeinanti per permatomą plokštę, sudaro siaurai nukreiptą spindulį. Tokį lazerinį įrenginį pasiūlė Townesas ir A. Šavlovas.

Taip pat galima išvesti spinduliuotę per mažą skylę vienoje iš atspindinčių sienelių. Ši grandinė dažnai naudojama centimetro bangos ilgio (mikrobangų) kvantiniuose osciliatoriuose. Lazeriuose jis nesuteikia tokio didelio išėjimo pluošto kryptingumo.

Aktyvi aplinka. Rezonansinei absorbcijai ir stiprinimui dėl stimuliuojamos emisijos būtina, kad banga praeitų per medžiagą, kurios atomai ar atomų sistemos būtų „suderintos“ į norimą dažnį. Kitaip tariant, medžiagos atomų energijos lygių E2 - E1 skirtumas turi būti lygus elektromagnetinės bangos dažniui, padaugintam iš Plancko konstantos:

Be to, kad stimuliuojama emisija vyrautų prieš absorbciją, viršutiniame energijos lygyje turi būti daugiau atomų nei apatiniame. Paprastai tai neįvyksta. Be to, bet kokia atomų sistema, pakankamai ilgą laiką paliktas savieigai, esant žemai temperatūrai, jis susibalansuoja su aplinka, t.y. pasiekia žemiausios energijos būseną. Esant aukštesnei temperatūrai, kai kurie sistemos atomai yra sužadinami šiluminiu judėjimu. Esant be galo aukštai temperatūrai, visos kvantinės būsenos būtų vienodai užpildytos. Tačiau kadangi temperatūra visada yra baigtinė, vyraujanti atomų dalis yra žemiausioje būsenoje, o kuo aukštesnės būsenos, tuo jos mažiau užpildytos. Jei absoliučioje temperatūroje T yra n0 žemiausioje būsenoje esančių atomų, tai sužadintos būsenos atomų, kurių energija dydžiu E viršija žemiausios būsenos energiją, skaičius pateikiamas Boltzmanno skirstiniu:

kur k yra Boltzmanno konstanta.

Kadangi pusiausvyros sąlygomis žemesnėse būsenose visada yra daugiau atomų nei aukštesnėse, tokiomis sąlygomis visada vyrauja absorbcija, o ne amplifikacija dėl stimuliuojamos emisijos. Tam tikros sužadintos būsenos atomų perteklius gali būti sukurtas ir palaikomas tik dirbtinai perkeliant juos į šią būseną ir greičiau nei jie grįžta į šiluminę pusiausvyrą. Sistema, kurioje yra sužadintų atomų perteklius, linkusi į šiluminę pusiausvyrą ir turi būti palaikoma nepusiausvyros būsenoje, sukuriant joje tokius atomus.

Trijų lygių kvantinis generatorius. Atomų pertekliaus sužadinimo būsenoje metodą (trijų lygių sistemos metodas) pasiūlė N. G. Basovas ir A. M. Prokhorovas kietos medžiagos– N. Blombergenas. Pirmąjį trijų lygių kvantinį stiprintuvą sukūrė D. Scoville, J. Feer ir G. Seidel. Trijų lygių sistema schematiškai parodyta fig. 3. Iš pradžių visi atomai yra žemiausiame E1 lygyje, o lygiai E2 ir E3 yra tušti. Energijos atstumas tarp lygių E2 ir E3 nėra lygus atstumui tarp lygių E1 ir E2. Siurblio lempa arba generatorius (priklausomai nuo to, apie kokį diapazoną kalbate) mes kalbame apie- optinis arba radijo dažnis) sukuria spinduliuotę, kurios dažnis atitinka perėjimą iš apatinio lygio į viršutinį. Sugerdami šią spinduliuotę, atomai susijaudina ir juda iš žemesnio lygio į viršutinį. Kadangi iš pradžių tarpiniame E2 lygyje atomų nėra, tai E3 lygyje jų yra daugiau. Kai E3 lygyje susikaupia gana daug atomų, generacija prasideda dažniu, atitinkančiu perėjimą iš viršutinio lygio į tarpinį. Kad kvantinė generacija vyktų nuolat, E2 lygis turi greitai ištuštėti, t.y. atomai turi būti pašalinti iš jo greičiau nei jie susidaro dėl stimuliuojamos emisijos iš E3 lygio. E2 lygis gali sumažėti dėl įvairių procesų, tokių kaip susidūrimai su kitais atomais ir energijos perdavimas į kristalinę gardelę (jei aktyvioji terpė yra kieta). Visais atvejais energija paverčiama šiluma, todėl būtinas įrenginio aušinimas.

Siurbiant iš E1 lygio į E3 galima perkelti ne daugiau kaip pusę atomų, nes tada stimuliuojamos emisijos poveikis verčia juos grįžti į žemesnį lygį. Bet jei dėl susidūrimų ar kitų procesų atomai iš E3 lygio greitai pereina į E2 lygį, gali būti tęsiamas jų pumpavimas į viršutinį lygį ir vėlesnis perėjimas į tarpinį lygį. Tokiu būdu daugiau nei pusė atomų (ir net visi) gali būti pumpuojami į E3 lygį. Tada vidutiniame lygyje paaiškėja daugiau atomų, nei ties apatine, o generavimas prasideda perėjimą atitinkančiu dažniu Naudojamos abi trijų lygių kvantinio generatoriaus ir stiprintuvo grandinės, o viena ar kita parenkama priklausomai nuo turimos medžiagos savybių su rezonansais ties. norimus dažnius. Paprastai tariant, pageidautina, kad aktyvioji terpė, tenkindama visus kitus reikalavimus, turėtų aukštus rezonansus. Jei kvantinis generatorius turėtų būti naudojamas kaip dažnio standartas, tada rezonansai taip pat turi būti aštrūs. Tokie rezonansai būdingi laisvųjų atomų ir molekulių spektrams dujose. Kietųjų medžiagų rezonansai paprastai yra gana platūs, nors retųjų žemių elementų ir pereinamųjų metalų, tokių kaip chromas, jonai turi tinkamus spektrus. Pavyzdžiui, rubinas (aliuminio oksidas), kuriame tam tikras procentas aliuminio jonų pakeičiamas chromo jonais, gali būti aktyvi terpė trijų lygių kvantiniam generatoriui mikrobangų diapazone. Maimanas parodė, kad rubinas taip pat tinkamas lazeriams gaminti. Abiem atvejais naudojami chromo jonų energijos lygiai.

Lazeris. Lazeriai yra optiniai kvantiniai generatoriai, skleidžiantys spinduliuotę matomoje ir infraraudonojoje spektro srityse (kur bangos ilgis yra mažesnis nei 1 mm). Intensyvumu tokie generatoriai yra daug pranašesni už visus kitus panašios spinduliuotės šaltinių tipus. Be to, jų išėjimo spinduliuotė patenka į labai siaurą dažnių juostą ir yra beveik nesiskiriančio pluošto formos. Be to, lazerio spindulius galima sufokusuoti į labai mažą tašką, kuriame šviesos galios tankis ir intensyvumas elektrinis laukas kolosalus, palyginti su tuo, ką gali suteikti kiti šviesos šaltiniai. Išėjimo spinduliuotė yra beveik visiškai monochromatinė ir, dar svarbiau, koherentinė, t.y. visiškai suderinta su faze ir be chaotiško įprastos šviesos sutrikimo. Taip pat žiūrėkite LASER.

Molekulinis kvantinis generatorius. Pirmajame kvantiniame generatoriuje, kurį sukūrė Gordonas, Zeigeris ir Townesas, buvo naudojama evakuota kamera, kurioje buvo amoniako molekulių pluoštas. Mažesnės energijos būsenos pluošto molekulės buvo pašalintos iš pluošto nukreipiant jas nevienodame elektriniame lauke. Didžiausios energijos būsenos molekulės buvo sufokusuotos ertmės rezonatoriuje, kur įvyko stimuliuojama emisija (4 pav.).

Kvantinis generatorius su molekuliniu pluoštu sukuria spinduliuotę su ryškiai parinktu išėjimo dažniu. Taip yra iš dalies dėl to, kad pluošte yra palyginti mažai molekulių ir jos negali viena kitos paveikti. Dėl mažo molekulių skaičiaus išėjimo galia taip pat yra maža.

Dujų išlydžio lazeris. Aktyvioji dujų išlydžio lazerio terpė yra tauriųjų dujų, tokių kaip helis ir neonas, mišinys. Helio atomas turi sužadintą būseną ir ilgą tarnavimo laiką, o iki šios „metastabilios“ būsenos sužadinti atomai negali atsisakyti savo sužadinimo energijos dėl spontaniškos emisijos. Tačiau jie gali jį perkelti atominių susidūrimų metu į nesužadintus neoninius atomus. Po tokio susidūrimo helio atomas atsiduria pagrindinėje būsenoje, o neono atomas – sužadintoje būsenoje. Generacija atsiranda dėl priverstinių perėjimų iš šio energijos lygio į tuščią žemesnį neoninių atomų lygį.

Taikymas. Kvantiniai elektroniniai prietaisai, kurių aktyviosios terpės yra atominės ir molekulinės sistemos, naudojami kaip stiprintuvai ir generatoriai. Žemesniuose dažniuose tokias funkcijas atlieka vakuuminiai vamzdžiai ir tranzistoriai. Nenuostabu, kad kvantinių elektroninių prietaisų šeima jau gali konkuruoti su senesnių elektroninių prietaisų skaičiumi ir įvairove. Kvantiniai elektroniniai prietaisai rado daugybę pritaikymų, kuriems kiti elektroniniai įrenginiai yra netinkami arba visai netinka. Tai mažo triukšmo mikrobangų stiprintuvų, pirminio dažnio ir laiko standartų, taip pat infraraudonosios ir matomos spinduliuotės generatorių ir stiprintuvų funkcijos.

Mažo triukšmo mikrobangų stiprintuvai. Stiprintuvo paskirtis – sustiprinti silpnus signalus jų neiškraipant ir nesukeliant triukšmo (chaotiško komponento). Elektroniniai stiprintuvai visada prideda prie signalo savo triukšmo. Dirbant su itin silpnais radijo signalais svarbu, kad kuo daugiau prisidėtų stiprintuvas mažiau triukšmo. Tai radijo signalai, gaunami iš dangaus objektų, ir radaro signalai, atsispindintys nuo objektų, esančių toli dideli atstumai. Šiais dviem atvejais signalas stebimas prieš dangų, o tai sukelia tik nedidelį triukšmą. Tai leidžia aptikti labai silpną signalą, jei jis nėra užmaskuotas paties imtuvo triukšmo. Įprasti stiprintuvai neatitinka tokios užduoties reikalavimų, o į pagalbą ateina kvantiniai stiprintuvai, kurie beveik nesukelia triukšmo. Pakeitę vakuuminį vamzdinį stiprintuvą imtuvo įėjime kvantiniu stiprintuvu, imtuvo jautrumą mikrobangų diapazone galite padidinti šimtą kartų. Mikrobangų imtuvai su kvantiniais stiprintuvais yra tokie jautrūs, kad gali įrašyti šiluminė spinduliuotė kitas planetas ir nustatyti jų paviršiaus temperatūrą.

Dažnio standartai ir atominiai laikrodžiai. Atomai ir atomų sistemos, kaip jau minėta, gali sugerti ir skleisti spinduliuotę tik tam tikrais specifiniais dažniais ar bangos ilgiais. Šie rezonansai dažnai būna smailių formos, todėl jų dažnį galima išmatuoti labai tiksliai. Atitinkami dažniai būdingi tam tikriems atomams ir molekulėms ir, skirtingai nei žmogaus sukurti standartai, laikui bėgant nekinta. Todėl tokie rezonansai gali būti naudojami kaip dažnio, bangos ilgio ir laiko standartai. Išorinio elektroninio osciliatoriaus dažnį galima patikrinti, ar jis kalibruojamas net atsižvelgiant į sugerties rezonansus. Kvantiniai generatoriai tiesiogiai sukuria atskaitos dažnio spinduliuotę. Kai kvantinis generatorius yra tinkamai sukonfigūruotas, jo išėjimo dažnis yra pastovus. Jis gali būti naudojamas pažangai stebėti tikslus laikrodis arba sudėtingesnis prietaisas, skirtas labai tiksliai matuoti laiko intervalus. Vieno tiksliausių kvantinių generatorių aktyvioji terpė yra atominis vandenilis(sistema panaši į pirmojo kvantinio generatoriaus – maserio – įrenginį su molekuliniu amoniako pluoštu). Jo dažnio tikslumas yra 10–10%, o tai atitinka „laikrodžio dažnio“ paklaidą, lygią vienai sekundei per 30 000 metų.

Collier. Collier žodynas. 2012

Žodynuose, enciklopedijose ir žinynuose taip pat žiūrėkite žodžio interpretacijas, sinonimus, reikšmes ir tai, kas yra KVANTINIAI GENERATORIAI IR STIPRINTUVAI rusų kalba:

• KVANTIS
  KVANTINIAI SKAIČIAI, sveikieji skaičiai arba trupmeniniai skaičiai, apibrėžiant galimas diskrečiųjų vertybių fizinis dydžiai, apibūdinantys kvantines sistemas (atomo branduolį, atomą, molekulę ir...
• KVANTIS Didžiajame rusų enciklopediniame žodyne:
  QUANTUM CLOCK (atominis laikrodis), laiko matavimo prietaisas, kuriame yra kvarcinis osciliatorius, valdomas kvantinio dažnio standartu. „Švytuoklės“ vaidmuo kosmose ...
• KVANTIS Didžiajame rusų enciklopediniame žodyne:
  KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI, prietaisai tiksliai matuoti virpesių dažnį, baziniai. apie kvantinių perėjimų dažnio matavimą (mikrobangų ir optiniuose spektruose) ...
• KVANTIS Didžiajame rusų enciklopediniame žodyne:
  KVANTINIAI PERĖJIMAI, staigūs kvantinės sistemos (atomo, molekulės, atomo branduolys, krištolas) iš vieno galima būsena V…
• KVANTINĖ ELEKTRONIKA
  elektronika, fizikos sritis, tirianti elektromagnetinių virpesių stiprinimo ir generavimo metodus, pagrįstus stimuliuojamos emisijos poveikiu, taip pat ...
• ELEKTROS MAŠINŲ GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI: DC GENERATORIAI Collier's Dictionary:
  Į straipsnį ELEKTROS MAŠINŲ GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI Teorija. Fig. 1a parodytas vielos posūkis abcd, besisukantis pagal laikrodžio rodyklę aplink ašį ...
• ELEKTROS GENERATORIAI: SINCHRONINĖS KINČIAMOSIOS SROVĖS GENERATORIAI Collier's Dictionary:
  Į straipsnį ELEKTROS MAŠINŲ GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI Kaip jau minėta, nuolatiniame magnetiniame lauke besisukančioje vielos ritėje indukuojamas kintamasis EML. ...
• KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI
  
• SSRS. TECHNINIAI MOKSLAI Bolšojuje Sovietinė enciklopedija, TSB:
  mokslas Aviacijos mokslas ir technika B ikirevoliucinė Rusija Buvo pastatyta nemažai originalios konstrukcijos orlaivių. Ya M. sukūrė savo lėktuvus (1909-1914) ...
• SSRS. LITERATŪRA IR MENAS Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  ir menas Literatūra Tarptautinė Sovietinė literatūra atstovauja kokybinei naujas etapas literatūros raida. Kaip apibrėžta meninė visuma, kurią vienija viena socialinė ideologinė...
• RADIJO MATAVIMAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  elektrinių, magnetinių ir elektromagnetinių dydžių matavimai ir jų ryšiai, apibūdinantys radijo prietaisų darbą dažnių diapazone nuo infragarso iki itin aukšto. ...
• DC MAŠINA Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  srovės mašina, elektros mašina, kurioje mechaninė energija paverčiama elektros energija DC(generatorius) arba atvirkštinė konversija(variklis). ...
• KVANTINIAI PERĖJIMAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  kvantinis, žr. Kvantiniai perėjimai...
• PARAMETRINIAI ŠVIESOS GENERATORIAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  šviesos generatoriai, koherentinės optinės spinduliuotės šaltiniai, kurių pagrindinis elementas yra netiesinis kristalas, kuriame galinga fiksuoto dažnio šviesos banga yra parametriškai ...
• MOLEKULINIS GENERATORIUS Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  generatorius, prietaisas, kuriame dėl priverstinių kvantinių molekulių perėjimų iš pradinės energijos būsenos į būseną sukuriami koherentiniai elektromagnetiniai virpesiai ...
• KVANTINIAI SKAIČIAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  skaičiai, sveikieji skaičiai (0, 1, 2,...) arba pusiniai (1/2, 3/2, 5/2,...) skaičiai, apibrėžiantys galimas atskiras reikšmes fiziniai dydžiai, kurie apibūdina kvantinį...
• KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  dažnio standartai, įrenginiai, naudojantys kvantinius...
• KVANTINIAI PERĖJIMAI Didžiojoje sovietinėje enciklopedijoje, TSB:
  perėjimai, staigūs kvantinės sistemos (atomo, molekulės, atomo branduolio, kietosios medžiagos) perėjimai iš vienos būsenos į kitą. Svarbiausi yra K...
• KVANTINIS LAIKRODIS
  
• KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI Šiuolaikiniame enciklopediniame žodyne:
  
• KVANTINIAI PERĖJIMAI Šiuolaikiniame enciklopediniame žodyne:
  staigūs kvantinės sistemos (atomo, molekulės, atomo branduolio, kristalo) perėjimai iš vienos galimos būsenos į kitą. Kvantiniai perėjimai gali būti spinduliuojantys...
• KVANTINIS LAIKRODIS
  (atominis laikrodis), laiko matavimo prietaisas, kuriame yra kvarcinis generatorius, valdomas pagal dažnio standartą. „Švytuoklės“ vaidmenį kvantiniame laikrodyje atlieka atomai. Dažnis...
• KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI enciklopediniame žodyne:
  prietaisai, skirti tiksliai išmatuoti atomų, jonų ar molekulių iš vieno ...
• ELEKTROS GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI: DC ELECTRIC MOTORS Collier's Dictionary:
  Į straipsnį ELEKTROS MAŠINŲ GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI Nuolatinės srovės generatoriai veikia patenkinamai kaip varikliai ir, esant tokiems pat vardiniams parametrams, ne...
• ELEKTROS MAŠINŲ GENERATORIAI IR ELEKTROS VARIKLIAI Collier's Dictionary:
  rotacinio tipo mašinos, kurios transformuoja arba mechaninė energijaį elektrinius (generatorius) arba elektrinius į mechaninius (variklius). Generatorių veikimas pagrįstas principu...
• KVANTINIŲ DAŽNIŲ STANDARTAI Šiuolaikinėje aiškinamasis žodynas, TSB:
  prietaisai, skirti tiksliai matuoti vibracijos dažnį, pagrįstą atomų, jonų ar ...
• ARMAGEDONAS Žaidimų, programų, įrangos, filmų, velykinių kiaušinių paslapčių kataloge:
  1. Filmavimo metu režisierius Michaelas Bay gavo leidimą filmuoti keliose NASA nuosavybės vietose. Stebėkite kylančių erdvėlaivių sceną...
• SAISBUS mokslinės fantastikos literatūros enciklopedijoje „Galactica“:
  Moraliniai stiprintuvai, vikrių 16-osios ir vėlesnių kartų vyrų moraliniai gynėjai; užkirsti kelią nusikalstamų ir disidentų elementų bandymams mersifikuoti (kretinizuoti) šustras“,...
• FERROMAGNETINIS RESONANSAS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  selektyvus feromagneto elektromagnetinio lauko energijos sugertis, kai dažniai (dažniausiai radijo diapazone) sutampa su natūraliu precesijos dažniu magnetinis momentas feromagnetinis (žr. Larmore...
• STIPRINTUVAS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  technologijoje - įrenginys, kuriame signalo (smūgio) energetiniai parametrai padidinami naudojant pagalbinio šaltinio energiją. Pagal...
• TERMOELEKTRINIS MATAVIMO ĮTAIS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  naudojamas matuoti srovę (rečiau įtampą ir galią); yra magnetoelektrinis matavimo prietaisas, matuojantis šiluminio keitiklio elektrovaros jėgą, šildymo ...
• SUMACIJOS BLOKAS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  analoginis skaičiavimo įrenginys, kurio išvestis sukuria reikšmę, proporcingą įvesties reikšmių sumai. Elektroniniai sumavimo blokai yra dažniausiai naudojami kaip AVM dalis...
• RADIJAS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  kartu su antena (išorine arba įmontuota) naudojama radijo signalams priimti. Pavyzdžiai: transliacijos imtuvas, televizija, radiolokacinis radijas. Pagrindiniai elementai: pasirenkamas dažnis…
• NELININIS FUNKCIJŲ BLOKAS Didžiajame enciklopediniame žodyne:
  (kompiuterinėse technologijose) AVM mazgas, kurio išėjimo signalas yra susietas su įvesties signalu tam tikru netiesiniu ryšiu. Prietaisai su linijine funkcine priklausomybe yra...

Kvantiniai generatoriai naudoja vidinę mikrosistemų – atomų, molekulių, jonų – energiją elektromagnetiniams virpesiams sukurti.

Kvantiniai generatoriai dar vadinami lazeriais. Žodis lazeris sudarytas iš pradinių raidžių Angliškas pavadinimas kvantiniai generatoriai – šviesos stiprintuvas, sukuriantis stimuliuojamą emisiją.

Kvantinio generatoriaus veikimo principas yra toks. Nagrinėjant materijos energetinę struktūrą, buvo parodyta, kad mikrodalelių (atomų, molekulių, jonų, elektronų) energijos pokytis vyksta ne nuolat, o diskretiškai – dalimis, vadinamomis kvantais (iš lotynų kalbos kvantas – kiekis).

Mikrosistemos, kuriose elementariosios dalelės sąveikauja tarpusavyje, vadinamos kvantinėmis sistemomis.

Kvantinės sistemos perėjimą iš vienos energijos būsenos į kitą lydi elektromagnetinės energijos kvanto emisija arba absorbcija hv: E 2 – Ei=hv, Kur E 1 Ir E 2 - energetinės būsenos: h - Planko konstanta; v - dažnis.

Yra žinoma, kad stabiliausia bet kurios sistemos būsena, įskaitant atomą ir molekulę, yra ta būsena, kurios energija yra mažiausia. Todėl kiekviena sistema yra linkusi užimti ir palaikyti būseną su mažiausia energija. Vadinasi, normalioje būsenoje elektronas juda orbita, esančia arčiausiai branduolio. Tokia atomo būsena vadinama antžemine arba stacionaria.

Veikiant išoriniams veiksniams – šildymui, apšvietimui, elektromagnetiniam laukui – gali keistis atomo energetinė būsena.

Jei, pavyzdžiui, vandenilio atomas sąveikauja su elektromagnetiniu lauku, jis sugeria energiją E 2 -E 1 = hv o jo elektronas juda į aukštesnį energijos lygį. Tokia atomo būsena vadinama sužadinta. Atomas gali išlikti jame labai trumpą laiką, vadinamą sužadinto atomo gyvavimo trukme. Po to elektronas grįžta į žemesnį lygį, t.y. į pagrindinę stabilią būseną, atiduodamas energijos perteklių išspinduliuoto energijos kvanto – fotono – pavidalu.

Elektromagnetinės energijos emisija kvantinei sistemai pereinant iš sužadintos į pagrindinę būseną be išorinės įtakos vadinama spontaniška arba spontaniška. Spontaniškos emisijos metu fotonai išspinduliuojami atsitiktiniai momentai laikas, savavališka kryptimi, su savavališka poliarizacija. Štai kodėl jis vadinamas nenuosekliu.

Tačiau veikiant išoriniam elektromagnetiniam laukui, elektronas gali būti grąžintas į žemesnį energijos lygį net nepasibaigus sužadintos būsenos atomo gyvavimo laikui. Jei, pavyzdžiui, du fotonai veikia sužadintą atomą, tai tam tikromis sąlygomis atomo elektronas grįžta į žemesnį lygį, išspinduliuodamas kvantą fotono pavidalu. Šiuo atveju visi trys fotonai turi bendrą fazę, kryptį ir spinduliuotės poliarizaciją. Dėl to padidėja elektromagnetinės spinduliuotės energija.

Kvantinės sistemos elektromagnetinės energijos emisija, kai jos energijos lygis mažėja veikiant išoriniam elektromagnetiniam laukui, vadinamas priverstiniu, indukuotu arba stimuliuojamu.

Indukuotos spinduliuotės dažnis, fazė ir kryptis sutampa su išorine spinduliuote. Dėl to tokia spinduliuotė vadinama koherentine (koherencija – iš lot. cogerentia – sanglauda, ​​ryšys).

Kadangi išorinio lauko energija nenaudojama sistemos perėjimui į žemesnį energijos lygį stimuliuoti, elektromagnetinis laukas sustiprėja ir jo energija didėja skleidžiamo kvanto energijos dydžiu. Šis reiškinys naudojamas svyravimams sustiprinti ir generuoti naudojant kvantinius įrenginius.

Šiuo metu lazeriai gaminami iš puslaidininkinių medžiagų.

Puslaidininkinis lazeris yra puslaidininkinis įtaisas, kuriame elektros energija tiesiogiai paverčiama spinduliavimo energija optiniame diapazone.

Kad lazeris veiktų, tai yra, kad lazeris sukurtų elektromagnetinius virpesius, būtina, kad jo medžiagoje būtų daugiau sužadintų dalelių nei nesužadintų.

Tačiau normalioje puslaidininkio būsenoje esant aukštesniam energijos lygiui bet kokioje temperatūroje elektronų skaičius yra mažesnis nei esant aukštesnei žemi lygiai. Todėl įprastoje būsenoje puslaidininkis sugeria elektromagnetinę energiją.

Elektronų buvimas tam tikrame lygyje vadinamas lygio populiacija.

Puslaidininkio būsena, kurioje yra daugiau elektronų aukštesniame energijos lygyje nei žemesniame lygyje, vadinama būsena su atvirkštinė populiacija. Apverstą populiaciją galima sukurti įvairiais būdais: naudojant krūvininkų įpurškimą tiesiogiai įjungiant p-n sandūrą, apšvitinant puslaidininkį šviesa ir kt.

Energijos šaltinis, sukurdamas populiacijos inversiją, atlieka darbą perkeldamas energiją į medžiagą, o po to į elektromagnetinį lauką. Puslaidininkyje su apversta populiacija galima gauti stimuliuojamą emisiją, nes jame yra daug sužadintų elektronų, kurie gali atiduoti savo energiją.

Jei apverstos populiacijos puslaidininkis apšvitinamas elektromagnetiniais virpesiais, kurių dažnis lygus pereinamajam dažniui tarp energijos lygių, tai elektronai iš viršutinio lygio priversti judėti į žemesnį lygį, išspinduliuojant fotonus. Tokiu atveju atsiranda stimuliuojama koherentinė emisija. Jis yra sustiprintas. Tokiame įrenginyje sukūrę teigiamo grįžtamojo ryšio grandinę, gauname lazerį – optinio diapazono elektromagnetinių virpesių savaiminį osciliatorių.

Lazerių gamybai dažniausiai naudojamas galio arsenidas, iš kurio padaromas kubas su kelių dešimtųjų milimetro ilgio kraštais.

4 skyrius. Siųstuvo DAŽNIO STABILIAVIMAS

Prietaisai signalams priimti ir konvertuoti
Kursinis darbas šia tema
« Kvantiniai generatoriai »

Užbaigta:
Olegas Peredelskis
I471 grupė
Patikrinta:
Tarasovas A.I.

Sankt Peterburgas
2010

1. Įvadas
Straipsnyje aptariami kvantinių generatorių veikimo principai, generatorių grandinės, jų konstrukcinės ypatybės, generatorių dažnio stabilumo klausimai ir moduliavimo kvantiniuose generatoriuose principai.
1.1 Bendra informacija
Kvantinių generatorių veikimo principas pagrįstas aukšto dažnio lauko sąveika su medžiagos atomais ar molekulėmis. Jie leidžia generuoti žymiai didesnio dažnio ir didelio stabilumo virpesius.
Naudojant kvantinius generatorius galima sukurti dažnio standartus, kurie tikslumu viršija visus esamus standartus. Ilgalaikis dažnio stabilumas, t.y. Stabilumas per ilgą laikotarpį vertinamas 10 -9 – 10 -10, o trumpalaikis stabilumas (minučių) gali siekti 10 -11.

Šiuo metu yraŠiais laikais kvantiniai generatoriai plačiai naudojami kaip dažnio standartai laiko paslaugų sistemose. Įvairių radijo sistemų priėmimo įrenginiuose naudojami kvantiniai stiprintuvai gali žymiai padidinti įrangos jautrumą ir sumažinti vidinio triukšmo lygį.
Viena iš kvantinių generatorių savybių, lemiančių greitą jų tobulėjimą, yra jų gebėjimas efektyviai veikti labai aukštais dažniais, įskaitant optinį diapazoną, t. y. beveik iki 10 9 dažnių. MHz
Optinio diapazono generatoriai leidžia gauti didelį spinduliuotės kryptingumą ir didelį energijos tankį šviesos pluošte (apie 10 12 -10 13 W/M 2 ) ir didžiulis dažnių diapazonas, leidžiantis perduoti didelį kiekį informacijos.
Optinio nuotolio generatorių panaudojimas ryšių, vietos nustatymo ir navigacijos sistemose atveria naujas perspektyvas žymiai padidinti ryšio diapazoną ir patikimumą, radarų sistemų skiriamąją gebą diapazone ir kampu, taip pat perspektyvas kurti didelio tikslumo navigacines sistemas.
Moksliniuose tyrimuose naudojami optinio diapazono generatoriai
moksliniams tyrimams ir pramonei. Itin didelė energijos koncentracija siaurame pluošte leidžia, pavyzdžiui, išdeginti labai mažo skersmens skylutes itin kietuose lydiniuose ir mineraluose, įskaitant kiečiausią mineralą – deimantą.
Paprastai išskiriami kvantiniai generatoriai:

iš prigimties veiklioji medžiaga(kietos arba dujinės), kvantiniai reiškiniai, kuriuose nulemia prietaisų veikimą.
pagal veikimo dažnių diapazoną (centimetrų ir milimetrų diapazonas, optinis diapazonas - infraraudonieji ir matomos spektro dalys)
veikliosios medžiagos sužadinimo arba molekulių atskyrimo pagal energijos lygius metodu.

1.2 Kūrybos istorija
Maserio kūrimo istorija turėtų prasidėti 1917 m., kai Albertas Einšteinas pirmą kartą pristatė stimuliuojamos emisijos koncepciją. Tai buvo pirmasis žingsnis lazerio link. Kitas žingsnis žengtas sovietų fizikas V.A. Fabrikantas, kuris 1939 m. nurodė galimybę panaudoti stimuliuotą spinduliuotę, kad sustiprintų elektromagnetinę spinduliuotę, kai ji praeina per materiją. Idėja, kurią išsakė V.A. Fabrikantas padarė prielaidą, kad naudojamos mikrosistemos su atvirkštine lygių populiacija. Vėliau, pasibaigus Didžiajam Tėvynės karui, V.A. Fabrikantas grįžo prie šios minties ir, remdamasis savo tyrimais, 1951 m. (kartu su M. M. Vudynskiu ir F. A. Butajeva) pateikė paraišką radiacijos stiprinimo metodo, naudojant stimuliuotą emisiją, išradimui. Šiai paraiškai buvo išduotas sertifikatas, kuriame antraštėje „Išradimo objektas“ parašyta: „Elektromagnetinės spinduliuotės (ultravioletinės, matomosios, infraraudonosios ir radijo bangų ilgio) stiprinimo būdas, pasižymintis tuo, kad sustiprinta spinduliuotė yra praeina per terpę, kurioje pagalbinės spinduliuotės pagalba ar kitu būdu sukuria perteklinę atomų, kitų dalelių ar jų sistemų koncentraciją viršutiniuose energijos lygiuose, atitinkančiuose sužadintas būsenas, palyginti su pusiausvyros.
Iš pradžių šis spinduliuotės stiprinimo būdas buvo įgyvendintas radijo diapazone, tiksliau – diapazone itin aukšti dažniai(mikrobangų diapazonas). 1952 m. gegužę sąjunginėje radijo spektroskopijos konferencijoje sovietų fizikai (dabar akademikai) N.G. Basovas ir A.M. Prokhorovas pateikė pranešimą apie esminę galimybę sukurti spinduliuotės stiprintuvą mikrobangų diapazone. Jie pavadino jį „molekuliniu generatoriumi“ (turėjo būti naudojamas amoniako molekulių pluoštas). Beveik tuo pačiu metu JAV fizikas Charlesas Townesas Kolumbijos universitete pasiūlė panaudoti stimuliuotą emisiją milimetrinėms bangoms stiprinti ir generuoti. 1954 metais molekulinis osciliatorius, netrukus pavadintas maseriu, tapo realybe. Jis buvo sukurtas ir sukurtas savarankiškai ir vienu metu dviejose pasaulio vietose - in Fizinis institutas pavadintas P.N. SSRS Lebedevo mokslų akademijoje (grupei vadovavo N. G. Basovas ir A. M. Prochorovas) ir JAV Kolumbijos universitete (grupei vadovavo C. Townesas). Vėliau terminas „lazeris“ kilo iš termino „maser“, pakeitus raidę „M“ ( pradinėžodžiai Mikrobangų krosnelė - mikrobangų krosnelė) su raide „L“ (pradinė žodžio Light raidė - šviesa). Tiek maserio, tiek lazerio veikimas grindžiamas tuo pačiu principu – principu, kurį 1951 metais suformulavo V.A. Gamintojas. Maserio pasirodymas reiškė, kad gimė nauja mokslo ir technologijų kryptis. Iš pradžių ji buvo vadinama kvantine radiofizika, o vėliau – kvantine elektronika.

2. Kvantinių generatorių veikimo principai.

Kvantiniuose generatoriuose tam tikromis sąlygomis stebimas tiesioginis atomų ar molekulių vidinės energijos pavertimas elektromagnetinės spinduliuotės energija. Ši energijos transformacija įvyksta dėl kvantinių perėjimų – energijos perėjimų, kuriuos lydi energijos kvantų (dalelių) išsiskyrimas.
Nesant išorinio poveikio, energija keičiasi tarp medžiagos molekulių (ar atomų). Kai kurios molekulės skleidžia elektromagnetinius virpesius, pereidamos nuo aukštesnio energijos lygio į žemesnį, o kitos jas sugeria, atlikdamos atvirkštinį perėjimą. Apskritai stacionariomis sąlygomis sistema, susidedanti iš didžiulio skaičiaus molekulių, yra dinaminėje pusiausvyroje, t.y. Dėl nuolatinių energijos mainų išsiskiriančios energijos kiekis yra lygus sugertam kiekiui.
Energijos lygių populiacija, t.y. esančių atomų ar molekulių skaičius įvairių lygių, nustatoma pagal medžiagos temperatūrą. N 1 ir N 2 lygių populiacija, kurių energija W 1 ir W 2, nustatoma pagal Boltzmanno skirstinį:

(1)

Kur k– Boltzmanno konstanta;
T – absoliuti temperatūra medžiagų.

Esant šiluminės pusiausvyros būsenai, kvantinės sistemos turi mažiau molekulių esant aukštesniam energijos lygiui, todėl jos neskleidžia, o tik sugeria energiją, kai yra veikiamos išorinės spinduliuotės. Šiuo atveju molekulės (arba atomai) pereina į aukštesnius energijos lygius.
Molekuliniuose osciliatoriuose ir stiprintuvuose, kuriuose naudojami perėjimai tarp energijos lygių, akivaizdu, kad būtina sukurti dirbtines sąlygas, kurioms esant aukštesnio energijos lygio populiacija būtų didesnė. Tokiu atveju, veikiant tam tikro dažnio išoriniam aukšto dažnio laukui, artimam kvantinio perėjimo dažniui, galima stebėti intensyvią spinduliuotę, susijusią su perėjimu iš aukšto į žemą energijos lygį. Tokia išorinio lauko sukelta spinduliuotė vadinama indukuota spinduliuote.
Pamatinio dažnio, atitinkančio kvantinį perėjimo dažnį (šis dažnis vadinamas rezonansiniu dažniu), išorinis aukšto dažnio laukas ne tik sukelia intensyvią stimuliuojamą spinduliuotę, bet ir fazuoja atskirų molekulių spinduliavimą, kuris suteikia papildomos vibracijos ir stiprinimo efekto pasireiškimo.
Kvantinio perėjimo būsena, kai aukštesniojo lygmens populiacija viršija žemesniojo pereinamojo lygio populiaciją, vadinama atvirkštine.
Yra keletas būdų, kaip gauti aukštesniųjų energijos lygių populiaciją (populiacijos inversija).
Dujinėse medžiagose, tokiose kaip amoniakas, naudojant išorinį pastovų elektrinį lauką, galima atskirti (rūšiuoti) molekules į skirtingas energijos būsenas.
Kietose medžiagose toks atskyrimas yra sunkus, todėl naudojami įvairūs molekulių sužadinimo būdai, t.y. Molekulių perskirstymo energijos lygiais metodai apšvitinant išoriniu aukšto dažnio lauku.

Lygių populiacijos pokytis (lygių populiacijos inversija) gali būti sukeltas impulsinis švitinimas pakankamo intensyvumo rezonansinio dažnio aukšto dažnio lauku. Teisingai parinkus impulso trukmę (impulso trukmė turi būti daug trumpesnė už atsipalaidavimo laiką, t. y. dinaminės pusiausvyros atkūrimo laiką), po apšvitinimo galima kurį laiką sustiprinti išorinį aukšto dažnio signalą.
Patogiausias sužadinimo būdas, šiuo metu plačiai naudojamas generatoriuose, yra švitinimo būdas išoriniu aukšto dažnio lauku, kurio dažnis labai skiriasi nuo generuojamų virpesių, kurių įtakoje vyksta būtinas molekulių perskirstymas energijos lygiais.
Daugumos kvantinių generatorių veikimas pagrįstas trijų ar keturių energijos lygių naudojimu (nors iš esmės galima naudoti skirtingą lygių skaičių). Tarkime, kad generavimas atsiranda dėl sukelto perėjimo iš lygio 3 vienam lygiui 2 (žr. 1 pav.).
Kad veiklioji medžiaga sustiprėtų pereinamuoju dažniu 3 -> 2, reikia padidinti gyventojų skaičių 3 viršija gyventojų skaičių 2. Šią užduotį atlieka pagalbinis aukšto dažnio laukas su dažniu ? vsp kuri „išmeta“ kai kurias molekules iš lygio 1 vienam lygiui 3. Populiacijos inversija galima esant tam tikriems kvantinės sistemos parametrams ir pakankamai pagalbinei spinduliavimo galiai.
Generatorius, sukuriantis pagalbinį aukšto dažnio lauką, kad padidintų aukštesnio energijos lygio populiaciją, vadinamas siurbliu arba foninio apšvietimo generatoriumi. Paskutinis terminas siejamas su svyravimų generatoriais matomų ir infraraudonųjų spindulių spektrai, kuriuose siurbimui naudojami šviesos šaltiniai.
Taigi, norint efektyviai veikti kvantinį generatorių, reikia parinkti veikliąją medžiagą, turinčią tam tikrą energijos lygių sistemą, tarp kurių galėtų vykti energijos perėjimas, taip pat pasirinkti tinkamiausią sužadinimo ar atskyrimo būdą. molekules į energijos lygius.

1 pav. Energijos perėjimų diagrama
kvantiniuose generatoriuose

3. Kvantinių generatorių grandinės
Kvantiniai generatoriai ir stiprintuvai išsiskiria pagal juose naudojamos veikliosios medžiagos rūšį. Šiuo metu daugiausia sukurti dviejų tipų kvantiniai prietaisai, kuriuose naudojamos dujinės ir kietosios veikliosios medžiagos
galintis intensyviai sukelti spinduliuotę.

3.1 Molekuliniai generatoriai su molekulių atskyrimu pagal energijos lygius.

Pirmiausia panagrinėkime kvantinį generatorių su dujine veikliąja medžiaga, kuriame, naudojant elektrinį laukuose, atliekamas didelio ir žemo energijos lygių molekulių atskyrimas (rūšiavimas). Šio tipo kvantinis generatorius paprastai vadinamas molekulinio pluošto osciliatoriumi.

2 pav. Molekulinio generatoriaus, naudojant amoniako pluoštą, schema
1 – amoniako šaltinis; 2- tinklelis; 3 – diafragma; 4 – rezonatorius; 5 – rūšiavimo įrenginys

Praktiškai įgyvendinamuose molekuliniuose generatoriuose naudojamos amoniako dujos (cheminė formulė NH 3), kuriose labai ryški molekulinė spinduliuotė, susijusi su perėjimu tarp skirtingų energijos lygių. Itin aukštų dažnių diapazone intensyviausia spinduliuotė stebima dažnį atitinkančio energijos perėjimo metu f n= 23 870 MHz ( ? n=1,26 cm). Supaprastinta generatoriaus, veikiančio su amoniaku, schema dujinė būsena parodyta 2 paveiksle.
Kai kuriais atvejais įdedami pagrindiniai įrenginio elementai, 2 paveiksle pažymėti punktyrine linija speciali sistema, aušinamas skystu azotu, kuris užtikrina žemą veikliosios medžiagos temperatūrą ir visus elementus, reikalingus žemam triukšmo lygiui ir generatoriaus aukšto dažnio stabilumui gauti.
Amoniako molekulės iš rezervuaro išeina esant labai žemam slėgiui, matuojant gyvsidabrio milimetrais.
Norint gauti beveik lygiagrečiai išilgine kryptimi judančių molekulių pluoštą, amoniakas praleidžiamas per diafragmą su didelis skaičius siauri ašine kryptimi nukreipti kanalai. Šių kanalų skersmuo yra pasirinktas gana mažas, palyginti su vidutinio ilgio laisvas molekulių kelias. Siekiant sumažinti molekulių judėjimo greitį ir dėl to sumažinti susidūrimų ir savaiminio, t.y., nesukeltos spinduliuotės, sukeliančios svyravimo triukšmą, tikimybę, diafragma aušinama skystu heliu arba azotu.
Siekiant sumažinti molekulių susidūrimo tikimybę, galima eiti ne mažėjančios temperatūros, o slėgio mažėjimo keliu, tačiau tai sumažintų rezonatoriuje esančių molekulių, kurios tuo pat metu sąveikauja su aukšto dažnio lauku. pastarasis, o sužadintų molekulių atiduodama galia rezonatoriaus aukšto dažnio laukui sumažėtų.
Norint naudoti dujas kaip veikliąją medžiagą molekuliniame generatoriuje, reikia padidinti molekulių, esančių aukštesniame energijos lygyje, skaičių, palyginti su jų skaičiumi, kurį lemia dinaminė pusiausvyra tam tikroje temperatūroje.
Tokio tipo generatoriuje tai pasiekiama iš molekulinio pluošto išskiriant žemo energijos lygio molekules, naudojant vadinamąjį kvadrupolio kondensatorių.
Keturpolis kondensatorius suformuotas iš keturių metalinių išilginių specialaus profilio strypų (3a pav.), poromis per vieną sujungtų su aukštos įtampos lygintuvu, kurių potencialas toks pat, bet kintamo ženklo. Susidaręs tokio kondensatoriaus elektrinis laukas išilginėje generatoriaus ašyje dėl sistemos simetrijos yra lygus nuliui ir pasiekia didžiausią vertę tarp gretimų strypų (3b pav.).

3 pav. Keturpolio kondensatoriaus grandinė

Molekulių rūšiavimo procesas vyksta taip. Nustatyta, kad elektriniame lauke esančios molekulės keičia savo vidinę energiją didėjant elektrinio lauko stiprumo energijai viršutiniai lygiai didėja, o žemesni mažėja (4 pav.).

4 pav. Energijos lygių priklausomybė nuo elektrinio lauko stiprumo:

viršutinis energijos lygis
žemesnis energijos lygis

Šis reiškinys vadinamas Starko efektu. Dėl Starko efekto amoniako molekulės, judėdamos kvadrupolio kondensatoriaus lauke, bandydamos sumažinti savo energiją, t.y. įgyti stabilesnę būseną, atsiskiria: viršutinės energijos molekulės.lygiai linkę palikti stipraus elektrinio lauko sritį, t.y. juda link kondensatoriaus ašies, kur laukas lygus nuliui, o žemesnio lygio molekulės, atvirkščiai, pereina į stipraus lauko sritį, y., jie tolsta nuo kondensatoriaus ašies, artėja prie pastarojo plokščių. Dėl to molekulinis spindulys yra ne tik išlaisvintas iš žemesnio energijos lygio molekulių, bet ir gana gerai sufokusuotas.
Praėjęs pro rūšiavimo įrenginį, molekulinis pluoštas patenka į rezonatorių, suderintą pagal generatoriuje naudojamą energijos perėjimo dažnį. f n= 23 870 MHz .
Ertmės rezonatoriaus aukšto dažnio laukas sukelia stimuliuojamą molekulių emisiją, susijusią su perėjimu iš viršutinio energijos lygio į žemesnį. Jeigu molekulių skleidžiama energija lygi rezonatoriuje sunaudotai ir išorinei apkrovai perduotai energijai, tai sistemoje nusistovi stacionarus virpesių procesas ir nagrinėjamas įrenginys gali būti naudojamas kaip dažnio stabilumo virpesių generatorius.

Generatoriaus virpesių nustatymo procesas vyksta taip.
Molekulės, patenkančios į rezonatorių, kurios daugiausia yra viršutiniame energijos lygyje, spontaniškai (spontaniškai) pereina į žemesnį lygį, išskirdamos elektromagnetinės energijos energijos kvantus ir sužadindamos rezonatorių. Iš pradžių šis rezonatoriaus sužadinimas yra labai silpnas, nes molekulių energijos perėjimas yra atsitiktinis. Rezonatoriaus elektromagnetinis laukas, veikiantis pluošto molekules, sukelia indukuotus perėjimus, kurie savo ruožtu padidina rezonatoriaus lauką. Taigi, palaipsniui didėjant, rezonatoriaus laukas vis labiau paveiks molekulinį pluoštą, o indukuotų perėjimų metu išsiskirianti energija sustiprins rezonatoriaus lauką. Virpesių intensyvumo didinimo procesas tęsis tol, kol įvyks prisotinimas, tada rezonatoriaus laukas bus toks didelis, kad molekulėms pereinant per rezonatorių sukels ne tik indukuotus perėjimus iš viršutinio lygio į apatinį, bet ir iš dalies taip pat atvirkštiniai perėjimai, susiję su elektromagnetinės energijos absorbcija. Tokiu atveju amoniako molekulių išskiriama galia nebedidėja, todėl tolesnis virpesių amplitudės didinimas tampa neįmanomas. Nustatomas stacionarus generavimo režimas.
Todėl tai nėra paprastas rezonatoriaus sužadinimas, o savaiminė virpesių sistema, įskaitant grįžtamąjį ryšį, kuri vykdoma per rezonatoriaus aukšto dažnio lauką. Per rezonatorių skrendančių molekulių spinduliuotė sužadina aukšto dažnio lauką, kuris savo ruožtu lemia stimuliuojamą molekulių emisiją, šios spinduliuotės faziškumą ir koherentiškumą.
Tais atvejais, kai nesilaikoma savaiminio sužadinimo sąlygų (pavyzdžiui, molekulinio srauto, einančio per rezonatorių, tankis yra nepakankamas), šis įrenginys gali būti naudojamas kaip stiprintuvas su labai mažu vidinio triukšmo lygiu. Tokio prietaiso stiprinimą galima reguliuoti keičiant molekulinio srauto tankį.
Molekulinio generatoriaus ertmės rezonatorius turi labai aukštą kokybės koeficientą, matuojamą dešimtimis tūkstančių. Norint gauti tokį aukštos kokybės faktorių, rezonatoriaus sienelės yra kruopščiai apdirbamos ir padengtos sidabru. Labai mažo skersmens molekulių įėjimo ir išėjimo angos vienu metu tarnauja kaip aukšto dažnio filtrai. Tai trumpi bangolaidžiai, kurių kritinis bangos ilgis yra mažesnis už natūralų rezonatoriaus bangos ilgį, todėl per juos praktiškai neišeina aukšto dažnio rezonatoriaus energija.
Norėdami tiksliai sureguliuoti rezonatorių prie pereinamojo dažnio, pastarasis naudoja tam tikrą derinimo elementą. Paprasčiausiu atveju tai yra varžtas, kurio panardinimas į rezonatorių šiek tiek keičia pastarojo dažnį.
Ateityje bus parodyta, kad pasikeitus rezonatoriaus derinimo dažniui, molekulinio osciliatoriaus dažnis šiek tiek „vėluoja“. Tiesa, dažnio uždelsimas yra mažas ir vertinamas 10–11 dydžio reikšmėmis, tačiau jų negalima nepaisyti, nes aukšti reikalavimai reikalavimai molekuliniams generatoriams. Dėl šios priežasties daugelyje molekulinių generatorių skystu azotu (arba skystu oru) aušinama tik diafragma ir rūšiavimo sistema, o rezonatorius dedamas į termostatą, kurio temperatūrą pastovią palaiko automatinis įrenginys su laipsnio trupmenų tikslumas. 5 paveiksle schematiškai pavaizduotas tokio tipo generatoriaus įrenginys.
Molekulinių generatorių, naudojančių amoniaką, galia paprastai neviršija 10 -7 W,
Todėl praktikoje jie daugiausia naudojami kaip labai stabilūs dažnio standartai. Tokio generatoriaus dažnio stabilumas įvertinamas pagal vertę
10 -8 - 10 -10. Per vieną sekundę generatorius užtikrina 10–13 dažnio stabilumą.
Vienas iš reikšmingų nagrinėjamos generatoriaus konstrukcijos trūkumų yra nuolatinio siurbimo ir molekulinio srauto palaikymo poreikis.

5 pav. Molekulinio generatoriaus konstrukcija
su automatiniu rezonatoriaus temperatūros stabilizavimu:
1- amoniako šaltinis; 2 – kapiliarinė sistema; 3- skystas azotas; 4 – rezonatorius; 5 – vandens temperatūros reguliavimo sistema; 6 – keturpolis kondensatorius.

3.2 Kvantiniai generatoriai su išoriniu siurbimu

Nagrinėjamo tipo kvantiniuose generatoriuose veiklioji medžiaga gali būti naudojama kaip kietosios medžiagos, ir dujos, kuriose aiškiai išreikštas išorinio aukšto dažnio lauko sužadintų atomų ar molekulių energetiškai indukuotų perėjimų gebėjimas. Optiniame diapazone jie naudojami veikliajai medžiagai sužadinti (siurbti). įvairių šaltiniųšviesos spinduliuotė.
Optinio diapazono generatoriai turi asortimentą teigiamų savybių, ir rado platų pritaikymą įvairiose radijo ryšio sistemose, navigacijoje ir kt.
Kaip ir centimetrų ir milimetrinių bangų kvantiniuose generatoriuose, lazeriuose dažniausiai naudojamos trijų lygių sistemos, tai yra veikliosios medžiagos, kuriose vyksta perėjimas tarp trijų energijos lygių.
Tačiau reikėtų atkreipti dėmesį į vieną ypatybę, į kurią reikia atsižvelgti renkantis aktyviąją medžiagą optinio diapazono generatoriams ir stiprintuvams.
Iš santykio W 2 – W 1 =h? Iš to išplaukia, kad didėjant veikimo dažniui? osciliatoriuose ir stiprintuvuose būtina naudoti didesnį energijos lygių skirtumą. Optinio diapazono generatoriams, maždaug atitinkantiems dažnių diapazoną 2 10 7 -9 10 8 MHz(bangos ilgis 15-0,33 mk), energijos lygio skirtumas W 2 – W 1 turėtų būti 2–4 eilėmis didesnis nei centimetrų diapazono generatorių.
Tiek kietosios, tiek dujos naudojamos kaip aktyvios medžiagos optinio diapazono generatoriuose.
Dirbtinis rubinas plačiai naudojamas kaip kieta veiklioji medžiaga - korundo kristalai (A1 2 O 3) su chromo jonų (Cr) mišiniu. Be rubino, neodimiu (Nd) aktyvuoti stiklai, kalcio volframo kristalai (CaWO 4) su neodimio jonų mišiniu, kalcio fluorido kristalai (CaF 2) su disprozio (Dy) arba urano jonų priedu ir kitomis medžiagomis taip pat plačiai naudojami.
Dujų lazeriuose paprastai naudojami dviejų ar daugiau dujų mišiniai.

3.2.1 Generatoriai su kieta veikliąja medžiaga

Labiausiai paplitęs optinio diapazono generatorių tipas yra generatoriai, kuriuose kaip veiklioji medžiaga naudojamas rubinas su chromo priemaiša (0,05%). 6 paveiksle parodyta supaprastinta chromo jonų energijos lygių išsidėstymo rubine diagrama. Sugerties juostos, kuriose reikia siurbti (sužadinti), atitinka žalią ir mėlyną spektro dalis (bangos ilgis 5600 ir 4100A). Paprastai siurbimas atliekamas naudojant dujų išlydžio ksenono lempą, kurios emisijos spektras yra artimas saulės spindulių spektrui. Chromo jonai, sugeriantys žalios ir mėlynos šviesos fotonus, pereina iš I lygio į III lygiai ir IV. Dalis sužadintų jonų iš šių lygių grįžta į pradinę būseną (į I lygį), o dauguma jų neišskirdami energijos pereina į metastabilų lygį P, padidindami pastarojo populiaciją. Chromo jonai, perėję į II lygį, ilgą laiką išlieka tokioje sužadintoje būsenoje. Todėl antrame lygyje
galima kaupti daugiau aktyviųjų dalelių nei I lygyje. Kai II lygio populiacija viršija I lygio populiaciją, medžiaga geba sustiprinti elektromagnetinius virpesius II-I perėjimo dažniu. Jei medžiaga įdedama į rezonatorių, raudonojoje matomo spektro dalyje tampa įmanoma sukurti koherentines, monochromatines vibracijas. (? = 6943 A ). Rezonatoriaus vaidmenį optiniame diapazone atlieka atspindintys paviršiai, lygiagrečiai vienas kitam.

6 pav. Chromo jonų energijos lygiai rubine

sugerties juostos esant optiniam siurbimui
nespinduliuojantys perėjimai
metastabilus lygis

7 pav. Oscilogramos, paaiškinančios rubino lazerio veikimą:
a) siurbimo šaltinio galia
b) II lygio populiacija
c) generatoriaus išėjimo galia

Be rubino, optinio diapazono generatoriuose naudojamos ir kitos medžiagos, pavyzdžiui, kalcio volframo kristalas ir neodimiu aktyvuotas stiklas.
Supaprastinta neodimio jonų energijos lygių struktūra kalcio volframo kristale parodyta 8 paveiksle.
Šviesos iš siurbimo lempos įtakoje I lygio jonai perkeliami į sužadintas būsenas, nurodytas III diagramoje. Tada jie pereina į P lygį be spinduliuotės II lygis yra metastabilus, o jame kaupiasi sužadinti jonai. Koherentinė spinduliuotė infraraudonųjų spindulių diapazone su bangos ilgiu ?= 1,06 mk atsiranda jonams pereinant iš II lygio į IV lygį. Jonai pereina iš IV lygio į pagrindinę būseną be spinduliuotės. Tai, kad atsiranda spinduliuotė
kai jonai pereina į IV lygį, esantį virš žemės lygio, tai žymiai
palengvina generatoriaus sužadinimą. IV lygio populiacija yra žymiai mažesnė nei P lygis [tai išplaukia iš 1 formulės], taigi, norint pasiekti sužadinimo slenkstį į II lygį, turi būti perkelta mažiau jonų, todėl reikia sunaudoti mažiau siurbimo energijos.

8 pav. Supaprastinta neodimio jonų lygių struktūra kalcio volframe (CaWO) 4 )

Stiklas, legiruotas neodimiu, taip pat turi panašią energijos lygio diagramą. Lazeriai, naudojantys aktyvintą stiklą, spinduliuoja tuo pačiu bangos ilgiu = 1,06 mikronai.
Aktyvios kietosios medžiagos gaminamos ilgų apvalių (rečiau stačiakampių) strypų pavidalu, kurių galai kruopščiai poliruojami ir ant jų padengiamos atspindinčios dangos specialių dielektrinių daugiasluoksnių plėvelių pavidalu. Plokštumos lygiagrečios galinės sienelės sudaro rezonatorių, kuriame nustatomas daugkartinio skleidžiamų virpesių atspindžio režimas (artimas stovinčių bangų režimui), kuris sustiprina sukeliamą spinduliuotę ir užtikrina jos darną. Rezonatorius gali būti suformuotas ir išoriniais veidrodžiais.
Daugiasluoksniai dielektriniai veidrodžiai turi mažą vidinę sugertį ir leidžia gauti aukščiausią rezonatoriaus kokybės koeficientą. Palyginti su metaliniais veidrodžiais, suformuotais plonu sidabro ar kito metalo sluoksniu, daugiasluoksnius dielektrinius veidrodžius gaminti daug sunkiau, tačiau jie yra daug pranašesni savo patvarumu. Metaliniai veidrodžiai sugenda po kelių blyksnių, todėl šiuolaikiniuose lazeriniuose modeliuose nenaudojami.
Pirmuosiuose lazeriniuose modeliuose kaip siurbimo šaltinis buvo naudojamos spiralės formos impulsinės ksenono lempos. Lempos viduje buvo veikliosios medžiagos strypas.
Rimtas šio generatoriaus konstrukcijos trūkumas yra mažas siurbimo šaltinio šviesos energijos panaudojimas. Norėdami pašalinti šį trūkumą, generatoriai naudoja siurbimo šaltinio šviesos energijos fokusavimą naudojant specialius lęšius arba reflektorius. Antrasis metodas yra paprastesnis. Atšvaitas dažniausiai gaminamas elipsės formos cilindro pavidalu.
9 paveiksle parodyta rubino osciliatoriaus grandinė. Fono apšvietimo lempa, veikianti impulsiniu režimu, yra elipsės formos reflektoriaus viduje, kuris fokusuoja lempos šviesą ant rubino strypo. Lempa maitinama aukštos įtampos lygintuvu. Intervalais tarp impulsų aukštos įtampos šaltinio energija kaupiama kondensatoriuje, kurio talpa apie 400 mkf. Įjungus paleidimo uždegimo impulsą, kurio įtampa yra 15 kV, nuimta nuo pakopinio transformatoriaus antrinės apvijos, lemputė užsidega ir dega toliau, kol išnaudojama aukštos įtampos lygintuvo kondensatoriuje sukaupta energija.
Norint padidinti siurbimo galią, aplink rubino strypą galima sumontuoti keletą ksenoninių lempų, kurių šviesa koncentruojama ant rubino strypo naudojant reflektorius.
Tam, kuris parodytas pav. 23.10 generatoriaus siurbimo energijos slenkstis, t.y. energija, nuo kurios prasideda generavimas, yra apie 150 J. Su diagramoje nurodyta talpa SU = 400 mkf tokia energija tiekiama esant maždaug 900 šaltinio įtampai IN.

9 pav. Rubino osciliatorius su elipsiniu reflektoriumi siurbimo lempos šviesai fokusuoti:

atšvaitas
uždegimo spiralė
ksenono lempa
rubinas

Dėl to, kad siurbimo šaltinių spektras yra daug platesnis nei naudingoji kristalo sugerties juosta, siurbiamo šaltinio energija panaudojama labai prastai, todėl būtina gerokai padidinti šaltinio galią, kad būtų pakankamai. siurbimo galia generavimui siauroje absorbcijos juostoje. Natūralu, kad tai stipriai padidina kristalo temperatūrą. Norėdami išvengti perkaitimo, galite naudoti filtrus, kurių dažnių juostos plotis maždaug sutampa su veikliosios medžiagos sugerties juosta, arba naudoti priverstinį kristalo aušinimo sistemą, pavyzdžiui, naudojant skystą azotą.
Neefektyvus siurblio energijos naudojimas yra pagrindinė sąlyginai žemo lazerių efektyvumo priežastis. Rubino pagrindu pagaminti generatoriai impulsiniu režimu leidžia pasiekti 1% efektyvumą, stiklo generatorių - iki 3–5%.
Rubino lazeriai daugiausia veikia impulsiniu režimu. Perėjimą prie nepertraukiamo režimo riboja dėl to atsirandantis rubino kristalo ir siurbimo šaltinių perkaitimas, taip pat veidrodžių perdegimas.
Šiuo metu atliekami puslaidininkines medžiagas naudojančių lazerių tyrimai. Jie kaip aktyvųjį elementą naudoja iš galio arsenido pagamintą puslaidininkinį diodą, kurio sužadinimas (siurbimas) atliekamas ne šviesos energija, o per diodą praleidžiama didelio tankio srove.
Lazerinio aktyvaus elemento konstrukcija yra labai paprasta (žr. 10 pav.) Jį sudaro dvi puslaidininkinės medžiagos pusės p- Ir n-tipas. Apatinė n tipo medžiagos pusė nuo viršutinės p tipo medžiagos yra atskirta plokštuma р-n perėjimas. Kiekvienoje plokštėje yra kontaktas, skirtas prijungti diodą prie siurbimo šaltinio, kuris yra nuolatinės srovės šaltinis. Griežtai lygiagreti ir kruopščiai poliruoti diodo galiniai paviršiai sudaro rezonatorių, suderintą su generuojamų virpesių dažniu, atitinkančiu 8400 A bangos ilgį. Diodo matmenys yra 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Diodas dedamas į kriostatą su skysto azoto arba helio ir juo praleidžiama siurblio srovė, kurios tankis yra р-n perėjimas pasiekia 10 4 -10 6 a/cm 2 vertes Šiuo atveju koherentiniai infraraudonųjų spindulių diapazono virpesiai, kurių bangos ilgis yra ? = 8400A.

10 pav. Puslaidininkinio diodinio lazerio aktyviojo elemento sandara.

poliruoti kraštai
susisiekti
pn sandūros plokštuma
susisiekti

3.2.2 Generatoriai su dujine aktyvia medžiaga

Optiniuose kvantiniuose generatoriuose veiklioji medžiaga dažniausiai yra dviejų dujų mišinys. Labiausiai paplitęs yra dujinis lazeris, kuriame naudojamas helio (He) ir neono (Ne) mišinys.
Helio ir neono energijos lygių vieta parodyta 11 pav. Kvantinių perėjimų seka dujų lazeryje yra tokia. Aukšto dažnio generatoriaus elektromagnetinių virpesių įtakoje dujų mišinys, uždarytas kvarcinio stiklo vamzdelyje, įvyksta elektros iškrova, dėl kurios helio atomai pereina iš pradinės būsenos I į būsenas II (2 3 S) ir III (2 1 S). Kai sužadinti helio atomai susiduria su neoniniais atomais, tarp jų vyksta energijos mainai, dėl kurių sužadinti helio atomai perduoda energiją neoniniams atomams ir neono 2S ir 3S lygių populiacija žymiai padidėja.
ir tt............

Sėkmės, pasiektos kuriant ir tiriant kvantinius stiprintuvus ir generatorius radijo diapazone, buvo pagrindas įgyvendinant pasiūlymą stiprinti ir generuoti šviesą, pagrįstą stimuliuojamąja spinduliuote, ir sukurti kvantinius osciliatorius optiniame diapazone. Optiniai kvantiniai generatoriai (OQG) arba lazeriai yra vieninteliai galingi šaltiniai monochromatinė šviesa. Šviesos stiprinimo principą naudojant atomines sistemas 1940 m. pirmą kartą pasiūlė V.A. Gamintojas. Tačiau galimybę sukurti optinį kvantinį generatorių C. Townesas ir A. Šavlovas, remdamiesi pasiekimais kuriant radijo diapazono kvantinius įrenginius, pagrindė tik 1958 m. Pirmasis optinis kvantinis generatorius buvo sukurtas 1960 m. Tai buvo lazeris, kurio darbinė medžiaga buvo rubino kristalas. Populiacijos inversijos sukūrimas jame buvo atliktas trijų lygių siurbimo metodu, paprastai naudojamu paramagnetiniuose kvantiniuose stiprintuvuose.

Šiuo metu sukurta daug įvairių optinių kvantinių generatorių, kurie skiriasi darbinėmis medžiagomis (naudojami kristalai, stiklai, plastikai, skysčiai, dujos, puslaidininkiai) ir populiacijos inversijos kūrimo metodais (optinis siurbimas, išleidimas dujose, cheminės reakcijos ir kt.) .

sukuriama populiacijų inversija ir rezonansinė sistema (62 pav.). Kaip pastarieji, lazeriuose naudojami atvirieji Fabry-Perot interferometro tipo rezonatoriai, sudaryti iš dviejų vienas nuo kito nutolusių veidrodžių sistemos.

Darbinė medžiaga sustiprina optinę spinduliuotę dėl sukeltos aktyviųjų dalelių emisijos. Rezonansinė sistema, sukelianti pakartotinį susidariusios optiškai indukuotos spinduliuotės prasiskverbimą per aktyviąją terpę, lemia efektyvią lauko sąveiką su ja. Jei lazerį laikysime savaime svyruojančia sistema, tai rezonatorius suteikia teigiamą grįžtamąjį ryšį, kai dalis tarp veidrodžių sklindančios spinduliuotės grįžta į aktyviąją terpę. Kad atsirastų svyravimai, iš aktyviosios terpės gaunamo lazerio galia turi būti lygi arba viršyti rezonatoriaus prarastą galią. Tai prilygsta faktui, kad generacinės bangos intensyvumas praeinant per stiprinimo terpę, atspindį nuo veidrodžių -/ ir 2, grįžus į pradinį skerspjūvį turi likti nepakitęs arba viršyti pradinę reikšmę.

Praeinant per aktyviąją terpę bangos intensyvumas 1^ skiriasi priklausomai nuo eksponentinė teisė(nekreipiant dėmesio į sodrumą) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], o atsispindėjęs nuo veidrodžio pasikeičia G vieną kartą ( T - koeficientas veidrodinis atspindys), todėl atsiradimo sąlyga gali būti parašyta kaip

Kur L - darbinės aktyviosios terpės ilgis; r 1 ir r 2 - veidrodžių 1 ir 2 atspindžio koeficientai; a u yra aktyviosios terpės padidėjimas; b 0 - susilpnėjimo konstanta, atsižvelgiant į darbinės medžiagos energijos nuostolius dėl nehomogeniškumo ir defektų sklaidos.

I. Optinių kvantinių generatorių rezonatoriai

Rezonansinės lazerinės sistemos, kaip minėta, yra atviri rezonatoriai. Šiuo metu plačiausiai naudojami atvirieji rezonatoriai su plokščiais ir sferiniais veidrodžiais. Funkcija atviri rezonatoriai – jų geometriniai matmenys daug kartų didesni už bangos ilgį. Kaip ir tūriniai atviri rezonatoriai, jie turi savo virpesių tipų rinkinį, kuriam būdingas tam tikras lauko pasiskirstymas juos ir savus dažnius. Vietiniai tipai atvirojo rezonatoriaus virpesiai yra lauko lygčių sprendiniai, kurie tenkina ribines sąlygas ant veidrodžių.

Yra keletas ertmių rezonatorių skaičiavimo metodų, kurie leidžia rasti savo vibracijų tipus. Griežta ir išsamiausia atvirų rezonatorių teorija pateikta L. A. Vaivesteino darbuose.* Vizualinis metodas virpesių tipų skaičiavimas atviruose rezonatoriuose buvo sukurtas A. Fox ir T. Lee darbuose.

A. Fox ir T. Lee skaičiavimas grindžiamas tokią formulę Kirchhoffas, kuris yra matematinė išraiška Huygenso principas, leidžiantis stebėjimo taške rasti dugną A pagal tam tikrą lauką tam tikrame paviršiuje Sb

čia Eb yra laukas taške B paviršiuje S b; k- bangos numeris; R - atstumas tarp taškų A Ir IN; K - kampas tarp linijos, jungiančios taškus A Ir IN, ir normalus paviršiui Sb

Didėjant praėjimų skaičiui, srauto greitis ant veidrodžių pasiskirsto stacionariai, o tai gali būti pavaizduota taip:

Kur V(x ,у) - pasiskirstymo funkcija, kuri priklauso nuo koordinačių veidrodžių paviršiuje ir nesikeičia nuo atspindžio iki atspindžio;

y yra kompleksinė konstanta, nepriklausoma nuo erdvinių koordinačių.

Formulės (112) pakeitimas išraiška (III). gauname integralinę lygtį

Jis turi sprendimą tik tam tikroms reikšmėms [Gama] = [gama min.] savąsias reikšmes, Vmn funkcijos , tenkindami integralinę lygtį, apibūdinkite įvairių tipų rezonatoriaus virpesių lauko struktūrą, kuri vadinama skersinis vibracijos ir yra įvardijami kaip tokio tipo vibracijos TEMmn Simbolis TEM rodo, kad rezonatoriaus viduje esantys vandenys yra artimi skersiniam elektromagnetiniam, t.y. neturintys lauko komponentų išilgai bangos sklidimo krypties. Indeksai m ir n žymi lauko krypties pokyčių skaičių išilgai veidrodžio šonų (stačiakampiams veidrodžiams) arba išilgai kampo ir išilgai spindulio (apvaliems veidrodžiams). 64 paveiksle parodyta atvirų rezonatorių su apvaliais veidrodžiais paprasčiausių skersinių virpesių tipų elektrinio lauko konfigūracija. Atvirųjų rezonatorių vidiniams virpesių tipams būdingas ne tik skersinis lauko pasiskirstymas, bet ir jo pasiskirstymas išilgai rezonatorių ašies, o tai yra stovi banga ir skiriasi pusbangių, tinkančių išilgai rezonatorių, skaičiumi. rezonatoriaus ilgis. Siekiant į tai atsižvelgti, nustatant vibracijos tipus įvedamas trečiasis indeksas A, apibūdinantis pusinių bangų, kurios telpa išilgai rezonatoriaus ašies, skaičių.

Kietojo kūno optiniai kvantiniai generatoriai

Kietojo kūno optiniuose kvantiniuose generatoriuose arba kietojo kūno lazeriuose kaip aktyvioji stiprinimo terpė naudojami kristalai arba amorfiniai dielektrikai. Darbinės dalelės, perėjimai energetinės būsenos kurie lemia susidarymą, kaip taisyklė, yra pereinamųjų grupių atomų jonai periodinė lentelė Mendelejevas, Dažniausiai naudojami Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ jonai. Aktyvios dalelės sudaro dalis arba procentų vienetus viso darbo terpės atomų skaičiaus, todėl atrodo, kad jos sudaro silpnos koncentracijos „tirpą“ ir todėl mažai sąveikauja tarpusavyje. Naudojami energijos lygiai yra darbinių dalelių lygiai, skaidomi ir išplėsti stiprių nevienalyčių vidinių laukų. kietas. Kaip aktyvios stiprinimo terpės pagrindas dažniausiai naudojami korundo (Al2O3) ir itrio-aliuminio granato kristalai. YAG(Y3Al5O12), įvairių markių stiklo ir kt.

Kietojo kūno lazerių darbinėje medžiagoje populiacijos inversija sukuriama panašiu būdu kaip ir paramagnetiniuose stiprintuvuose. Jis atliekamas naudojant optinį siurbimą, t.y. medžiagos poveikis didelio intensyvumo šviesos spinduliuotei.

Kaip rodo tyrimai, dauguma šiuo metu esamų aktyviųjų terpių, naudojamų kietojo kūno lazeriuose, yra patenkinamai apibūdinamos dviem pagrindinėmis idealizuotomis energijomis. schemos: trijų ir keturių lygių (71 pav.).

Pirmiausia panagrinėkime trijų lygių schema aprašytą populiacijos inversijos kūrimo būdą medijose (žr. 71 pav., a). Įprastoje būsenoje apgyvendintas tik apatinis pagrindinis lygis 1 (energijos atstumas tarp lygių yra žymiai didesnis nei kT), nes perėjimai 1->2 ir 1->3) priklauso optiniam diapazonui. Perėjimas tarp 2 ir 1 lygių veikia. Lygis 3 pagalbinis ir naudojamas norint sukurti darbinės lygių poros inversiją. Iš tikrųjų jis užima plačią plotą priimtinos vertės energija, kurią sukelia darbinių dalelių sąveika su intrakristaliniais laukais.

Kvantinis generatorius

Kvantinis generatorius- bendras elektromagnetinės spinduliuotės šaltinių, veikiančių stimuliuojamos atomų ir molekulių emisijos pagrindu, pavadinimas. Priklausomai nuo to, kokio bangos ilgio kvantinis generatorius skleidžia, jį galima vadinti įvairiai: lazeriu, maseriu, skustuvu, gazeriu.

Kūrybos istorija

Kvantinis generatorius yra pagrįstas A. Einšteino pasiūlytu stimuliuojamos emisijos principu: kai sužadinama kvantinė sistema ir tuo pat metu vyksta kvantinį perėjimą atitinkančio dažnio spinduliavimas, tikimybė, kad sistemoje šuolis į a. mažesnis energijos lygis didėja proporcingai jau esančių spinduliuotės fotonų tankiui. Galimybę sukurti kvantinį generatorių šiuo pagrindu nurodė sovietų fizikas V. A. Fabrikantas 40-ųjų pabaigoje.

Literatūra

Landsbergis G.S. Pradinis vadovėlis fizika. Tomas 3. Virpesiai ir bangos. Optika. Atominė ir branduolinė fizika. – 1985 m.

Herman J., Wilhelmi B. „Lazeriai ultratrumpiems šviesos impulsams generuoti“ – 1986 m.

Wikimedia fondas.

• 2010 m.
• Notkeris mikčiotojas

Resintezė

Pažiūrėkite, kas yra „kvantinis generatorius“ kituose žodynuose: KVANTINIS GENERATORIAUS - elektros generatorius mag. bangos, kuriose naudojamas stimuliuojamos emisijos reiškinys (žr. KVANTINĖ ELEKTRONIKA). K. g radijo diapazonas, taip pat kvantinis stiprintuvas, vadinamas. maseris. Pirmoji K. g. buvo sukurta mikrobangų diapazone 1955 m. Jame esanti aktyvioji terpė ...

Pažiūrėkite, kas yra „kvantinis generatorius“ kituose žodynuose: Fizinė enciklopedija – koherentinės elektromagnetinės spinduliuotės šaltinis, kurio veikimas pagrįstas atomų, jonų ir molekulių skatinama fotonų emisija. Kvantiniai generatoriai radijo diapazone vadinami mazeriais, kvantiniais generatoriais optiniame diapazone... ...

Didysis enciklopedinis žodynas kvantinis generatorius - koherentinės spinduliuotės šaltinis, pagrįstas stimuliuojamos spinduliuotės ir grįžtamojo ryšio naudojimu. Pastaba Kvantiniai generatoriai skirstomi pagal veikliosios medžiagos tipą, sužadinimo būdą ir kitas charakteristikas, pavyzdžiui, pluošto, dujų...

Pažiūrėkite, kas yra „kvantinis generatorius“ kituose žodynuose:- monochromatinės koherentinės elektromagnetinės spinduliuotės (optinio arba radijo diapazono) šaltinis, veikiantis sužadintų atomų, molekulių, jonų stimuliuojamos emisijos pagrindu. Dujos, kristalinės... Didžioji politechnikos enciklopedija

Didysis enciklopedinis žodynas- prietaisas koherentinei elektromagnetinei spinduliuotei generuoti. Darna – tai suderintas kelių virpesių ar bangų procesų įvykis laike ir erdvėje, kuris pasireiškia, pavyzdžiui, juos sudėjus. trukdžių atveju... Technologijų enciklopedija

Didysis enciklopedinis žodynas– koherentinės elektromagnetinės spinduliuotės šaltinis, kurio veikimas pagrįstas atomų, jonų ir molekulių skatinama fotonų emisija. Kvantiniai generatoriai radijo diapazone vadinami mazeriais, kvantiniais generatoriais optiniame diapazone ... ... Enciklopedinis žodynas

Didysis enciklopedinis žodynas- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: angl. kvantinis...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Didysis enciklopedinis žodynas- kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. kvantinis generatorius vok. Quantengenerator, m rus. kvantinis generatorius, m pranc. oscillateur quantique, m … Fizikos terminų žodynas

Kvantinis generatorius- elektromagnetinių bangų generatorius, kuriame naudojamas stimuliuojamos emisijos reiškinys (žr. Stimuliuota emisija) (žr. Kvantinė elektronika). K. g. itin aukštų dažnių radijo diapazonas (mikrobangų krosnelė), taip pat šio ... Didžioji sovietinė enciklopedija