DC

Varësisht se çfarë gjatësi vale lëshon gjenerator kuantik, mund të quhet ndryshe:

lazer (varg optik);

maser (gama e mikrovalëve);

razer (varg i rrezeve X);

gaser (gama gama).

DC

Në realitet, funksionimi i këtyre pajisjeve bazohet në përdorimin e postulateve të Bohr:

Një atom dhe sistemet atomike mund të qëndrojnë për një kohë të gjatë vetëm në gjendje të veçanta stacionare ose kuantike, secila prej të cilave ka një energji specifike. Në një gjendje të palëvizshme, një atom nuk lëshon valë elektromagnetike.

Emetimi i dritës ndodh kur një elektron kalon nga një gjendje stacionare me energji më të lartë në gjendje të qëndrueshme me më pak energji. Energjia e fotonit të emetuar është e barabartë me diferencën e energjisë midis gjendjeve të palëvizshme.

Më të zakonshmet sot janë lazerët, domethënë gjeneratorët kuantikë optikë. Përveç lodrave për fëmijë, ato janë përhapur në mjekësi, fizikë, kimi, teknologji kompjuterike dhe industri të tjera. Lazerët vepruan si " zgjidhje e gatshme" shume probleme.

Le të hedhim një vështrim më të afërt në parimin e funksionimit të lazerit.

DC4-14

Laser - një gjenerator kuantik optik që krijon një rreze të fuqishme, monokromatike koherente të drejtuara ngushtë. (rrëshqitje 1, 2)

( 1. Emetim spontan dhe i stimuluar.

Nëse elektroni është në nivelin më të ulët, atëherë atomi do të thithë fotonin e rënë dhe elektroni do të lëvizë nga niveli E 1 deri në nivelin E 2 . Kjo gjendje është e paqëndrueshme, elektronnë mënyrë spontane do të kalojë në nivelin E 1 me emetim fotonesh. Emetimi spontan ndodh në mënyrë spontane, prandaj, atomi do të lëshojë dritë në mënyrë jokonsistente, në mënyrë kaotike, prandaj valët e dritës nuk janë në përputhje me njëra-tjetrën as në fazë, as në polarizim, as në drejtim. Kjo është drita natyrale.

Por emetimi i detyruar (i detyruar) është gjithashtu i mundur. Nëse elektroni është në nivelin e sipërm E 2 (një atom në gjendje të ngacmuar), atëherë kur një foton bie, mund të ndodhë një kalim i detyruar i një elektroni në një nivel më të ulët duke emetuar një foton të dytë.

DC

Rrezatimi gjatë kalimit të një elektroni në një atom nga një nivel i sipërm i energjisë në një më të ulët me emetimin e një fotoni nën ndikimin e një niveli të jashtëm fushë elektromagnetike(fotoni i incidentit) quhettë detyruar ose të nxitur .

Karakteristikat e emetimit të stimuluar:

frekuenca dhe faza identike e fotoneve primare dhe sekondare;

drejtimi i njëjtë i përhapjes;

polarizimi i njëjtë.

Rrjedhimisht, emetimi i stimuluar prodhon dy fotone binjakë identikë.

DC

2. Përdorimi i mediave aktive.

Gjendja e materies në një mjedis në të cilin më pak se gjysma e atomeve janë në gjendje të ngacmuar quhetshtet me popullsi normale të niveleve të energjisë . Kjo është një gjendje normale e mjedisit.

DC

Një mjedis në të cilin më shumë se gjysma e atomeve janë në gjendje të ngacmuar quhetmjedis aktiv me popullsi të anasjelltë të niveleve të energjisë . (rrëshqitje 9)

Në një mjedis me një popullsi të anasjelltë të niveleve të energjisë, vala e dritës përforcohet. Ky është një mjedis aktiv.

Intensifikimi i dritës mund të krahasohet me rritjen e një orteku.

DC

Për të marrë mediumin aktiv, përdoret një sistem me tre nivele.

Në nivelin e tretë, sistemi jeton shumë shkurt, pas së cilës spontanisht kalon në gjendjen E 2 pa emetim të një fotoni. Kalimi nga shteti2 në një gjendje 1 shoqëruar me emetimin e një fotoni, i cili përdoret në lazer.

Procesi i kalimit të një mediumi në një gjendje të kundërt quhetpompuar . Më shpesh, rrezatimi i dritës (pompimi optik) përdoret për këtë. shkarkimi elektrik, elektricitet, reaksionet kimike. Për shembull, pasi ndizet një llambë e fuqishme, sistemi kalon në një gjendje3 , pas një periudhe të shkurtër qëndrimi në shtet2 , në të cilin jeton për një kohë relativisht të gjatë. Kjo krijon mbipopullim në nivel2 .

DC

3. Reagime pozitive.

Për të kaluar nga modaliteti i përforcimit të dritës në modalitetin lasing në lazer, përdorni reagime.

Reagimi kryhet duke përdorur një rezonator optik, i cili zakonisht është një palë pasqyra paralele. (rrëshqitje 11)

Si rezultat i një prej kalimeve spontane nga niveli i sipërm në atë të poshtëm shfaqet një foton. Kur lëvizni drejt njërës prej pasqyrave, një foton shkakton një ortek fotonesh. Pas reflektimit nga pasqyra, një ortek fotonesh lëviz brenda drejtim i kundërt, duke bërë që të gjithë atomet e rinj të emetojnë fotone njëkohësisht. Procesi do të vazhdojë për aq kohë sa të ekzistojëpopullsi e kundërt niveli

Popullata e kundërt nivelet e energjisë - një gjendje jo ekuilibër e mjedisit, në të cilën numri i grimcave (atomeve, molekulave) të vendosura në nivelet e sipërme të energjisë, d.m.th., në një gjendje të ngacmuar, është më i madh se numri i grimcave të vendosura në nivelet më të ulëta të energjisë. .

Element aktiv

pompimi

pompimi

Rezonator optik

Rrjedhat e dritës që lëvizin në drejtime anësore largohen shpejt nga elementi aktiv pa pasur kohë për të fituar energji të konsiderueshme. Vala e dritës që përhapet përgjatë boshtit të rezonatorit përforcohet shumë herë. Pjesa e poshtme e pasqyrave është bërë e tejdukshme, dhe prej saj valë lazer del në mjedis.

DC

4. Lazer rubin .

Pjesa kryesore e një lazeri rubin ështëshufër rubini. Rubini përbëhet nga atomeAl Dhe Ome një përzierje atomeshKr. Janë atomet e kromit që i japin ngjyrën rubinit dhe kanë një gjendje metastabile.

DC

Një tub i një llambë shkarkimi gazi, i quajtur llambë pompe . Llamba pulson shkurtimisht dhe ndodh pompimi.

Lazeri rubin funksionon në modalitetin pulsues. Ka lloje të tjera lazerësh: gaz, gjysmëpërçues... Mund të funksionojnë në mënyrë të vazhdueshme.

DC

5. Vetitë e rrezatimit lazer :

burimi më i fuqishëm i dritës;

P e Diellit = 10 4 W/cm 2 , P e lazerit = 10 14 W/cm 2 .

monokromatike e jashtëzakonshme (valët monokromatike – valë të pakufizuara hapësinore të një frekuence specifike dhe rreptësisht konstante) ;

jep një shkallë shumë të vogël të divergjencës këndore;

koherencë ( ato. dukuri e koordinuar në kohë dhe hapësirë ​​e disa proceseve osciluese ose valore) .

DC3

Për funksionimin me lazer

kërkohet një sistem pompimi. Kjo do të thotë, ne do t'i japim një atomi ose një sistemi atomik pak energji, atëherë, sipas postulatit të 2-të të Bohr-it, atomi do të lëvizë në më shumë nivel të lartë me shumë energji. Detyra tjetër është kthimi i atomit në nivelin e tij të mëparshëm, ndërsa ai lëshon fotone si energji.

Me fuqi të mjaftueshme të llambës, shumica e joneve të kromit transferohen në një gjendje të ngacmuar.

Procesi i dhënies së energjisë në trupin e punës të një lazeri për të shndërruar atomet në një gjendje të ngacmuar quhet pompim.

Fotoni i emetuar në këtë rast mund të shkaktojë emetimin e stimuluar të fotoneve shtesë, të cilat nga ana tjetër do të shkaktojnë emetim të stimuluar)

DC15

Baza fizike Funksionimi i lazerit shërben si fenomen. Thelbi i fenomenit është se një foton i ngacmuar është i aftë të emetojë nën ndikimin e një fotoni tjetër pa thithjen e tij, nëse ky i fundit është i barabartë me diferencën e energjisë

Maseri lëshon mikrovalë, madhësia - rreze x , dhe gazi - rrezatimi gama.

DC16

Maser - gjenerator kuantik që lëshon

valët koherente elektromagnetike në rangun e centimetrit (mikrovalët).

Maserët përdoren në teknologji (në veçanti, në komunikimet hapësinore), në kërkime fizike dhe gjithashtu si gjeneratorë kuantikë të frekuencës standarde.

DC

Përkundrazi (Lazer me rreze X) - një burim i rrezatimit elektromagnetik koherent në intervalin e rrezeve X, bazuar në efektin e emetimit të stimuluar. Është një analog me valë të shkurtër të një lazeri.

DC

Aplikimet e rrezatimit koherent me rreze X përfshijnë kërkimin në plazmën e dendur, mikroskopin me rreze X, imazhet mjekësore me rezolucion fazor, eksplorimin e sipërfaqes së materialit dhe armët. Lazeri i butë me rreze X mund të shërbejë si lazer shtytës.

DC

Puna në fushën e gazit po vazhdon, pasi nuk është krijuar një sistem efektiv pompimi.

Lazerët përdoren në një listë të tërë industrish :

6. Aplikimi i laserëve : (rrëshqitje 16)

në radioastronomi për të përcaktuar me saktësi maksimale distancat me trupat e sistemit diellor (lokatori i dritës);

përpunimi i metaleve (prerja, saldimi, shkrirja, shpimi);

në kirurgji në vend të një bisturi (për shembull, në oftalmologji);

për marrjen e imazheve tredimensionale (holografia);

komunikimet (veçanërisht në hapësirë);

regjistrimi dhe ruajtja e informacionit;

në reaksionet kimike;

për të zbatuar reaksionet termonukleare në një reaktor bërthamor;

Arme berthamore.

DC

Kështu, gjeneratorët kuantikë kanë hyrë fort në jetën e përditshme të njerëzimit, duke bërë të mundur zgjidhjen e shumë problemeve që ishin urgjente në atë kohë.

Përdorimi i gjeneratorëve kuantikë energjia e brendshme mikrosistemet - atomet, molekulat, jonet.

Gjeneratorët kuantikë quhen gjithashtu lazer. Fjala lazer përbëhet nga shkronja fillestare Emri anglisht gjeneratorë kuantikë - një përforcues i dritës duke krijuar emetim të stimuluar.

Parimi i funksionimit të një gjeneratori kuantik është si më poshtë. Kur merret parasysh struktura energjetike e materies, u tregua se ndryshimi në energjinë e mikrogrimcave (atomeve, molekulave, joneve, elektroneve) nuk ndodh vazhdimisht, por në mënyrë diskrete - në pjesë të quajtura kuantë (nga latinishtja kuantim - sasi).

Mikrosistemet në të cilat grimcat elementare ndërveprojnë me njëri-tjetrin quhen sisteme kuantike.

Tranzicioni sistemi kuantik nga një gjendje energjike në tjetrën shoqërohet me emetimin ose thithjen e një sasie energjie elektromagnetike hv: E 2 - Ei=hv, Ku E 1 Dhe E 2 - gjendjet e energjisë: h - Konstanta e Plankut; v - frekuenca.

Dihet se gjendja më e qëndrueshme e çdo sistemi, duke përfshirë një atom dhe një molekulë, është gjendja me energjinë më të ulët. Prandaj, çdo sistem tenton të zërë dhe të mbajë një gjendje me energjinë më të ulët. Rrjedhimisht, në gjendje normale, elektroni lëviz në orbitën më të afërt me bërthamën. Kjo gjendje e atomit quhet e tokës ose e palëvizshme.

Nën ndikimin faktorët e jashtëm- ngrohja, ndriçimi, fusha elektromagnetike - gjendja energjetike e atomit mund të ndryshojë.

Nëse një atom, për shembull, i hidrogjenit ndërvepron me një fushë elektromagnetike, atëherë ai thith energji E 2 -E 1 = hv dhe elektroni i tij lëviz në një nivel më të lartë energjie. Kjo gjendje e atomit quhet e ngacmuar. Një atom mund të qëndrojë në të për një kohë shumë të shkurtër, të quajtur jetëgjatësia e atomit të ngacmuar. Pas kësaj, elektroni kthehet në nivelin më të ulët, d.m.th., në gjendjen e qëndrueshme të tokës, duke hequr dorë nga energjia e tepërt në formën e një kuantike të energjisë së emetuar - një foton.

Emetimi i energjisë elektromagnetike gjatë kalimit të një sistemi kuantik nga një gjendje e ngacmuar në një gjendje themelore pa ndikim të jashtëm quhet spontan ose spontan. Në emetimin spontan, fotonet emetohen në kohë të rastësishme, në një drejtim arbitrar, me një polarizim arbitrar. Prandaj quhet jokoherente.

Sidoqoftë, nën ndikimin e një fushe elektromagnetike të jashtme, elektroni mund të kthehet në nivelin më të ulët të energjisë edhe para se të skadojë jetëgjatësia e atomit në gjendjen e ngacmuar. Nëse, për shembull, dy fotone veprojnë në një atom të ngacmuar, atëherë në kushte të caktuara elektroni i atomit kthehet në nivelin më të ulët, duke emetuar një kuant në formën e një fotoni. Në këtë rast, të tre fotonet kanë një fazë, drejtim dhe polarizimin e rrezatimit të përbashkët. Si rezultat, energjia e rrezatimit elektromagnetik rritet.

Emetimi i energjisë elektromagnetike nga një sistem kuantik kur niveli i tij i energjisë zvogëlohet nën ndikimin e një fushe elektromagnetike të jashtme quhet i detyruar, i induktuar ose i stimuluar.

Rrezatimi i induktuar përkon në frekuencë, fazë dhe drejtim me rrezatimin e jashtëm. Prandaj një rrezatim i tillë quhet koherent (koherencë - nga latinishtja cogerentia - kohezion, lidhje).

Meqenëse energjia e fushës së jashtme nuk shpenzohet për të stimuluar kalimin e sistemit në një nivel më të ulët të energjisë, fusha elektromagnetike rritet dhe energjia e saj rritet me vlerën e energjisë së kuantit të emetuar. Ky fenomen përdoret për të përforcuar dhe gjeneruar lëkundje duke përdorur pajisje kuantike.

Aktualisht, lazerët bëhen nga materiale gjysmëpërçuese.

Një lazer gjysmëpërçues është një pajisje gjysmëpërçuese në të cilën energjia elektrike konvertohet drejtpërdrejt në energji rrezatimi në intervalin optik.

Që një lazer të funksionojë, domethënë që lazeri të krijojë lëkundje elektromagnetike, është e nevojshme që në substancën e tij të ketë më shumë grimca të ngacmuara sesa ato të pangacmuara.

Por në ne gjendje te mire Një gjysmëpërçues në nivele më të larta të energjisë në çdo temperaturë ka më pak elektrone sesa në nivele më të ulëta. Prandaj, në gjendjen e tij normale, një gjysmëpërçues thith energji elektromagnetike.

Prania e elektroneve në një nivel të caktuar quhet popullsia e nivelit.

Gjendja e një gjysmëpërçuesi në të cilin ka më shumë elektrone në një nivel më të lartë energjie sesa në një nivel më të ulët quhet gjendje me popullsi e kundërt. Një popullatë e përmbysur mund të krijohet në mënyra të ndryshme: duke përdorur injektimin e transportuesve të ngarkesës kur ndizni drejtpërdrejt kryqëzimin p-n, duke rrezatuar gjysmëpërçuesin me dritë, etj.

Burimi i energjisë, duke krijuar një përmbysje të popullsisë, kryen punë duke transferuar energji në substancë dhe më pas në fushën elektromagnetike. Në një gjysmëpërçues me një popullsi të përmbysur, mund të merret emetim i stimuluar, pasi përmban një numër të madh elektronesh të ngacmuar që mund të heqin dorë nga energjia e tyre.

Nëse një gjysmëpërçues me një popullsi të përmbysur rrezatohet me lëkundje elektromagnetike në një frekuencë frekuencë të barabartë kalimi midis niveleve të energjisë, atëherë elektronet nga niveli i sipërm detyrohen të lëvizin në atë të poshtëm, duke emetuar fotone. Në këtë rast, ndodh emetimi koherent i stimuluar. Është e përforcuar. Duke krijuar një qark reagimi pozitiv në një pajisje të tillë, ne marrim një lazer - një vetë-oshilator të lëkundjeve elektromagnetike në diapazonin optik.

Për prodhimin e lazerëve, më së shpeshti përdoret arsenidi i galiumit, nga i cili bëhet një kub me anët disa të dhjetat e milimetrit.

Kapitulli 4. STABILIZIMI I FREKUENCAVE TË TRANSMETUESVE

Pajisjet për marrjen dhe konvertimin e sinjaleve
Puna e kursit mbi temën
« Gjeneratorët kuantikë »

E përfunduar:
Peredelsky Oleg
Grupi I471
Kontrolluar:
Tarasov A.I.

Shën Petersburg
2010

1. Hyrje
Ky punim diskuton parimet e funksionimit të gjeneratorëve kuantikë, qarqet e gjeneratorëve, veçoritë e projektimit të tyre, çështjet e qëndrueshmërisë së frekuencës së gjeneratorëve dhe parimet e modulimit në gjeneratorët kuantikë.
1.1 Informacion i përgjithshëm
Parimi i funksionimit të gjeneratorëve kuantikë bazohet në ndërveprimin e një fushe me frekuencë të lartë me atomet ose molekulat e materies. Ato lejojnë gjenerimin e lëkundjeve me frekuencë dukshëm më të lartë dhe stabilitet të lartë.
Duke përdorur gjeneratorët kuantikë, është e mundur të krijohen standarde të frekuencës që tejkalojnë të gjitha standardet ekzistuese në saktësi. Stabiliteti afatgjatë i frekuencës, d.m.th. Stabiliteti për një periudhë të gjatë vlerësohet në 10 -9 - 10 -10, dhe stabiliteti afatshkurtër (minuta) mund të arrijë 10 -11.

Aktualisht në Në ditët e sotme, oshilatorët kuantikë përdoren gjerësisht si standarde të frekuencës në sistemet e shërbimit të kohës. Përforcues kuantikë të përdorur në pajisje marrëse të ndryshme sistemet e radios, mund të rrisë ndjeshëm ndjeshmërinë e pajisjes dhe të zvogëlojë nivelin e zhurmës së brendshme.
Një nga veçoritë e gjeneratorëve kuantikë që përcakton përmirësimin e shpejtë të tyre është aftësia e tyre për të operuar me efikasitet në nivele shumë të larta. frekuencave të larta, duke përfshirë diapazonin optik, pra pothuajse deri në frekuenca të rendit 10 9 MHz
Gjeneratorët me rreze optike bëjnë të mundur marrjen e drejtimit të lartë të rrezatimit dhe densitetit të lartë të energjisë në rrezen e dritës (rreth 10 12 -10 13 W/M 2 ) dhe një gamë të madhe frekuence, duke lejuar transmetimin e një sasie të madhe informacioni.
Përdorimi i gjeneratorëve të rrezes optike në sistemet e komunikimit, vendndodhjes dhe navigimit hap perspektiva të reja për rritjen e ndjeshme të gamës dhe besueshmërisë së komunikimeve, zgjidhjen e sistemeve të radarit në rreze dhe kënd, si dhe perspektiva për krijimin e sistemeve të navigimit me precizion të lartë.
Gjeneratorët e diapazonit optik përdoren në kërkimin shkencor
kërkimi dhe industria. Përqendrimi jashtëzakonisht i lartë i energjisë në një rreze të ngushtë bën të mundur, për shembull, djegien e vrimave me diametër shumë të vogël në lidhjet dhe mineralet super të forta, duke përfshirë mineralin më të fortë, diamantin.
Gjeneratorët kuantikë zakonisht dallohen:

natyra substancë aktive(të ngurtë ose të gaztë), dukuri kuantike në të cilat përcaktojnë funksionimin e pajisjeve.
nga diapazoni i frekuencës së funksionimit (varg centimetri dhe milimetër, diapazoni optik - pjesët infra të kuqe dhe të dukshme të spektrit)
me metodën e ngacmimit të substancës aktive ose ndarjen e molekulave sipas niveleve të energjisë.

1.2 Historia e krijimit
Historia e krijimit të maserit duhet të fillojë në vitin 1917, kur Albert Einstein prezantoi për herë të parë konceptin e emetimit të stimuluar. Ky ishte hapi i parë drejt lazerit. Hapi tjetër është ndërmarrë fizikan sovjetik V.A. Fabrikant, i cili në vitin 1939 vuri në dukje mundësinë e përdorimit të emetimit të stimuluar për të përforcuar rrezatimin elektromagnetik ndërsa ai kalon nëpër materie. Ideja e shprehur nga V.A. Fabrikant, supozoi përdorimin e mikrosistemeve me popullatë të kundërt të niveleve. Më vonë, pas përfundimit të Luftës së Madhe Patriotike, V.A. Fabrikant iu kthye kësaj ideje dhe, bazuar në kërkimin e tij, paraqiti në 1951 (së bashku me M.M. Vudynsky dhe F.A. Butaeva) një aplikim për shpikjen e një metode për përforcimin e rrezatimit duke përdorur emetimin e stimuluar. Për këtë aplikacion është lëshuar një certifikatë, në të cilën nën titullin "Subjekti i shpikjes" shkruhet: "Një metodë e amplifikimit të rrezatimit elektromagnetik (gjatësi valore ultraviolet, të dukshme, infra të kuqe dhe radio), e karakterizuar në atë që rrezatimi i përforcuar është kalohet përmes një mjedisi në të cilin, me ndihmën e rrezatimit ndihmës ose në një mënyrë tjetër ata krijojnë një përqendrim të tepërt të atomeve, grimcave të tjera ose sistemeve të tyre në nivelet e sipërme të energjisë që korrespondojnë me gjendjet e ngacmuara në krahasim me atë të ekuilibrit.
Fillimisht, kjo metodë e përforcimit të rrezatimit u zbatua në rrezen e radios, ose më saktë në diapazonin frekuenca ultra të larta(gama e mikrovalëve). Në maj 1952, në Konferencën e Gjithë Bashkimit për Spektroskopinë e Radios, fizikanët sovjetikë (tani akademikë) N.G. Basov dhe A.M. Prokhorov bëri një raport mbi mundësinë themelore të krijimit të një amplifikuesi të rrezatimit në rangun e mikrovalëve. Ata e quajtën atë një "gjenerator molekular" (duhej të përdorte një rreze molekulash amoniaku). Pothuajse në të njëjtën kohë, propozimi për përdorimin e emetimit të stimuluar për të përforcuar dhe gjeneruar valë milimetrash u paraqit në Universitetin e Kolumbias në SHBA nga fizikani amerikan Charles Townes. Në vitin 1954, një oshilator molekular, i quajtur shpejt maser, u bë realitet. Ai u zhvillua dhe u krijua në mënyrë të pavarur dhe njëkohësisht në dy vende të globit - në Instituti Fizik me emrin P.N. Akademia e Shkencave Lebedev e BRSS (grupi i drejtuar nga N.G. Basov dhe A.M. Prokhorov) dhe në Universitetin Columbia në SHBA (grupi i drejtuar nga C. Townes). Më pas, termi "lazer" erdhi nga termi "mazer" si rezultat i zëvendësimit të shkronjës "M" ( fillestare fjalët Microwave - mikrovalë) me shkronjën "L" (gërma fillestare e fjalës Light - dritë). Funksionimi i një maseri dhe një lazeri bazohet në të njëjtin parim - parimi i formuluar në 1951 nga V.A. Prodhuesi. Shfaqja e maserit nënkuptonte që lindi një drejtim i ri në shkencë dhe teknologji. Në fillim u quajt radiofizikë kuantike, dhe më vonë u bë e njohur si elektronikë kuantike.

2. Parimet e funksionimit të gjeneratorëve kuantikë.

Në gjeneratorët kuantikë, në kushte të caktuara, vërehet një shndërrim i drejtpërdrejtë i energjisë së brendshme të atomeve ose molekulave në energjinë e rrezatimit elektromagnetik. Ky transformim i energjisë ndodh si rezultat i tranzicioneve kuantike - tranzicioneve energjetike të shoqëruara me çlirimin e kuanteve (pjeseve) të energjisë.
Me mungesë ndikimi i jashtëm Energjia shkëmbehet ndërmjet molekulave (ose atomeve) të një lënde. Disa molekula lëshojnë dridhje elektromagnetike, duke lëvizur nga një nivel më i lartë energjie në një më të ulët, ndërsa të tjerat i thithin ato, duke bërë kalimin e kundërt. Në përgjithësi, në kushte stacionare, një sistem i përbërë nga një numër i madh molekulash është në ekuilibër dinamik, d.m.th. Si rezultat i një shkëmbimi të vazhdueshëm të energjisë, sasia e energjisë së emetuar është e barabartë me sasinë e absorbuar.
Popullsia e niveleve të energjisë, d.m.th. numri i atomeve ose molekulave të vendosura në nivele të ndryshme përcaktohet nga temperatura e substancës. Popullsia e niveleve N 1 dhe N 2 me energji W 1 dhe W 2 përcaktohet nga shpërndarja Boltzmann:

(1)

Ku k– konstante Boltzmann;
T- temperatura absolute e substancës.

Në një gjendje ekuilibri termik, sistemet kuantike kanë më pak molekula në nivele më të larta të energjisë, dhe për këtë arsye ato nuk emetojnë, por thithin energji vetëm kur ekspozohen ndaj rrezatimit të jashtëm. Në të njëjtën kohë, molekulat (ose atomet) lëvizin më lart nivelet e energjisë.
Në oshilatorët dhe amplifikatorët molekularë që përdorin kalime midis niveleve të energjisë, është padyshim e nevojshme të krijohen kushte artificiale në të cilat popullsia e një niveli më të lartë energjie do të jetë më i lartë. Në këtë rast, nën ndikimin e një fushe të jashtme me frekuencë të lartë të një frekuence të caktuar, afër frekuencës së tranzicionit kuantik, mund të vërehet rrezatim intensiv i shoqëruar me kalimin nga një nivel i lartë në një nivel të ulët të energjisë. Ky rrezatim shkaktoi fushë e jashtme, quhet i induktuar.
Një fushë e jashtme me frekuencë të lartë e frekuencës themelore që korrespondon me frekuencën e tranzicionit kuantik (kjo frekuencë quhet frekuencë rezonante) jo vetëm që shkakton rrezatim intensiv të stimuluar, por gjithashtu fazizon rrezatimin e molekulave individuale, e cila siguron shtimin e dridhjeve dhe manifestimin e efektit të amplifikimit.
Gjendja e një tranzicioni kuantik kur popullsia e nivelit të sipërm tejkalon popullsinë e nivelit më të ulët të tranzicionit quhet e përmbysur.
Ka disa mënyra për të marrë një popullsi të lartë të niveleve të larta të energjisë (inversioni i popullsisë).
Në substancat e gazta, të tilla si amoniaku, është e mundur të ndahen (rendisin) molekulat në gjendje të ndryshme energjetike duke përdorur një fushë elektrike të jashtme konstante.
Në trupat e ngurtë, një ndarje e tillë është e vështirë, prandaj përdoren metoda të ndryshme të ngacmimit të molekulave, d.m.th. metodat e rishpërndarjes së molekulave nëpër nivelet e energjisë me anë të rrezatimit me një fushë të jashtme me frekuencë të lartë.

Një ndryshim në popullsinë e niveleve (inversioni i popullatës së niveleve) mund të prodhohet nga rrezatimi pulsues me një fushë me frekuencë të lartë të një frekuence rezonante me intensitet të mjaftueshëm. Me zgjedhjen e saktë të kohëzgjatjes së pulsit (kohëzgjatja e pulsit duhet të jetë shumë më e vogël se koha e relaksimit, d.m.th., koha për të rivendosur ekuilibrin dinamik), pas rrezatimit është e mundur të amplifikohet sinjali i jashtëm me frekuencë të lartë për ca kohë.
Metoda më e përshtatshme e ngacmimit, aktualisht e përdorur gjerësisht në gjeneratorë, është metoda e rrezatimit me një fushë të jashtme me frekuencë të lartë, e cila ndryshon ndjeshëm në frekuencë nga dridhjet e gjeneruara, nën ndikimin e të cilave ndodh rishpërndarja e nevojshme e molekulave në nivelet e energjisë.
Funksionimi i shumicës së gjeneratorëve kuantikë bazohet në përdorimin e tre ose katër niveleve të energjisë (edhe pse në parim mund të përdoret një numër i ndryshëm nivelesh). Le të supozojmë se gjenerimi ndodh për shkak të një tranzicioni të induktuar nga niveli 3 për nivel 2 (shih Fig. 1).
Në mënyrë që substanca aktive të rritet në frekuencën e tranzicionit 3 -> 2, duhet të bëhet niveli i popullsisë 3 mbi nivelin e popullsisë 2. Kjo detyrë kryhet nga një fushë ndihmëse me frekuencë të lartë me një frekuencë ? vsp e cila “hedh” disa nga molekulat nga niveli 1 për nivel 3. Përmbysja e popullsisë është e mundur me parametra të caktuar të sistemit kuantik dhe fuqi të mjaftueshme të rrezatimit ndihmës.
Një gjenerator që krijon një fushë ndihmëse me frekuencë të lartë për të rritur popullsinë e një niveli më të lartë energjie quhet gjenerator i pompës ose dritës së prapme. Termi i fundit shoqërohet me gjeneratorë të lëkundjeve të dukshme dhe infra të kuqe spektrat në të cilat burimet e dritës përdoren për pompim.
Kështu, për të kryer funksionimin efektiv të një gjeneratori kuantik, është e nevojshme të zgjidhet një substancë aktive që ka një sistem të caktuar nivelesh energjie midis të cilave mund të ndodhë një tranzicion energjie, si dhe të zgjidhet metoda më e përshtatshme e ngacmimit ose ndarjes së molekulat në nivelet e energjisë.

Figura 1. Diagrami i tranzicionit të energjisë
në gjeneratorët kuantikë

3. Qarqet e gjeneratorëve kuantikë
Gjeneratorët dhe amplifikatorët kuantikë dallohen nga lloji i substancës aktive të përdorur në to. Aktualisht, janë zhvilluar kryesisht dy lloje të pajisjeve kuantike, të cilat përdorin substanca aktive të gazta dhe të ngurta
të aftë për rrezatim intensiv të induktuar.

3.1 Gjeneratorët molekularë me ndarje të molekulave sipas niveleve të energjisë.

Le të shqyrtojmë së pari një gjenerator kuantik me një substancë aktive të gaztë, në të cilin, duke përdorur një elektrik fusha, kryhet ndarja (zgjedhja) e molekulave të vendosura në nivele të larta dhe të ulëta të energjisë. Ky lloj oshilatori kuantik zakonisht quhet oshilator i rrezeve molekulare.

Figura 2. Diagrami i një gjeneratori molekular duke përdorur një rreze amoniaku
1 – burim i amoniakut; 2- rrjetë; 3 – diafragma; 4 – rezonator; 5 – pajisje klasifikimi

Në gjeneratorët molekularë të zbatuar praktikisht, përdoret gaz amoniak (formula kimike NH 3), në të cilin rrezatimi molekular i lidhur me kalimin midis niveleve të ndryshme të energjisë është shumë i theksuar. Në intervalin e frekuencës ultra të lartë, rrezatimi më intensiv vërehet gjatë tranzicionit të energjisë që korrespondon me frekuencën f n= 23,870 MHz ( ? n=1,26 cm). Një diagram i thjeshtuar i një gjeneratori që vepron me amoniak në gjendje të gaztë është paraqitur në Figurën 2.
Elementët kryesorë të pajisjes, të përshkruara në vija me pika në figurën 2, në disa raste vendosen në një sistem të posaçëm të ftohur me azot të lëngshëm, i cili siguron temperaturën e ulët të substancës aktive dhe të gjithë elementëve të nevojshëm për të marrë një nivel zhurme të ulët dhe të lartë. qëndrueshmëria e frekuencës së gjeneratorit.
Molekulat e amoniakut largohen nga rezervuari me presion shumë të ulët, të matur në njësi milimetra merkur.
Për të marrë një rreze molekulash që lëvizin pothuajse paralelisht në drejtimin gjatësor, amoniaku kalohet përmes një diafragme me një numër të madh kanalesh të ngushta të drejtuara në aksi. Diametri i këtyre kanaleve është zgjedhur të jetë mjaft i vogël në krahasim me gjatësi mesatare rruga e lirë e molekulave. Për të zvogëluar shpejtësinë e lëvizjes së molekulave dhe, për rrjedhojë, për të zvogëluar gjasat e përplasjeve dhe rrezatimit spontan, d.m.th., të painduktuar, që çojnë në zhurmë luhatëse, diafragma ftohet me helium të lëngshëm ose azot.
Për të zvogëluar probabilitetin e përplasjeve të molekulave, nuk mund të shkohet përgjatë rrugës së uljes së temperaturës, por përgjatë rrugës së uljes së presionit, megjithatë, kjo do të zvogëlonte numrin e molekulave në rezonator që njëkohësisht ndërveprojnë me fushën e frekuencës së lartë të kjo e fundit dhe fuqia e lëshuar nga molekulat e ngacmuara në fushën me frekuencë të lartë të rezonatorit do të zvogëlohej.
Për të përdorur gazin si një substancë aktive në një gjenerator molekular, është e nevojshme të rritet numri i molekulave të vendosura në një nivel më të lartë energjie kundrejt numrit të tyre të përcaktuar nga ekuilibri dinamik në një temperaturë të caktuar.
Në një gjenerator të këtij lloji, kjo arrihet duke ndarë molekulat e nivelit të ulët të energjisë nga tufa molekulare duke përdorur një të ashtuquajtur kondensator katërpolësh.
Një kondensator katërpolësh formohet nga katër shufra metalike gjatësore të një profili të veçantë (Figura 3a), të lidhur në çifte përmes një me një ndreqës të tensionit të lartë, të cilët kanë të njëjtin potencial, por në shenjë të alternuar. Fusha elektrike që rezulton e një kondensatori të tillë në boshtin gjatësor të gjeneratorit, për shkak të simetrisë së sistemit, është e barabartë me zero dhe arrin vlerën e saj maksimale në hapësirën midis shufrave ngjitur (Figura 3b).

Figura 3. Qarku i kondensatorit katërpolësh

Procesi i klasifikimit të molekulave vazhdon si më poshtë. Është vërtetuar se molekulat e vendosura në një fushë elektrike ndryshojnë energjinë e tyre të brendshme me rritjen e fuqisë së fushës elektrike, energjia e niveleve të sipërme rritet dhe nivelet më të ulëta ulen (Figura 4).

Figura 4. Varësia e niveleve të energjisë nga forca e fushës elektrike:

niveli i sipërm i energjisë
nivel më të ulët të energjisë

Ky fenomen quhet efekti Stark. Për shkak të efektit Stark, molekulat e amoniakut, kur lëvizin në fushën e një kondensatori katërpolësh, duke u përpjekur të zvogëlojnë energjinë e tyre, d.m.th., të fitojnë një gjendje më të qëndrueshme, ndahen: molekulat e energjisë së sipërme.nivelet priren të largohen nga rajoni i një fushe të fortë elektrike, d.m.th., ato lëvizin drejt boshtit të kondensatorit, ku fusha është zero, dhe molekulat e nivelit të ulët, përkundrazi, lëvizin në rajonin e një fushe të fortë, d.m.th., ata largohen nga boshti i kondensatorit, duke iu afruar pllakave të këtij të fundit. Si rezultat i kësaj, rrezja molekulare jo vetëm që çlirohet në masë të madhe nga molekulat e nivelit më të ulët të energjisë, por edhe fokusohet mjaft mirë.
Pas kalimit nëpër pajisjen e klasifikimit, rrezja molekulare hyn në një rezonator të akorduar me frekuencën e tranzicionit të energjisë që përdoret në gjenerator. f n= 23,870 MHz .
Fusha me frekuencë të lartë të një rezonatori të zgavrës shkakton emetim të stimuluar të molekulave të lidhura me një kalim nga një nivel i lartë energjie në një nivel më të ulët. Nëse energjia e emetuar nga molekulat është e barabartë me energjinë e shpenzuar në rezonator dhe transferohet në ngarkesën e jashtme, atëherë në sistem vendoset një gjendje e palëvizshme. procesi oscilues dhe pajisja e konsideruar mund të përdoret si një gjenerator lëkundjesh i qëndrueshëm në frekuencë.

Procesi i vendosjes së lëkundjeve në gjenerator vazhdon si më poshtë.
Molekulat që hyjnë në rezonator, të cilat janë kryesisht në nivelin e sipërm të energjisë, në mënyrë spontane (spontane) bëjnë një kalim në nivelin më të ulët, duke emetuar kuanta energjetike të energjisë elektromagnetike dhe duke ngacmuar rezonatorin. Fillimisht, ky ngacmim i rezonatorit është shumë i dobët, pasi kalimi i energjisë i molekulave është i rastësishëm. Fusha elektromagnetike e rezonatorit, duke vepruar në molekulat e rrezes, shkakton tranzicione të induktuara, të cilat nga ana e tyre rrisin fushën e rezonatorit. Pra, duke u rritur gradualisht, fusha e rezonatorit do të jetë e gjitha brenda në një masë më të madhe ndikojë në rrezen molekulare dhe energjia e çliruar gjatë tranzicioneve të induktuara do të rrisë fushën e rezonatorit. Procesi i rritjes së intensitetit të lëkundjeve do të vazhdojë derisa të ndodhë ngopja, në atë moment fusha e rezonatorit do të jetë aq e madhe sa që gjatë kalimit të molekulave nëpër rezonator do të shkaktojë jo vetëm kalime të induktuara nga niveli i sipërm në atë të poshtëm, por pjesërisht edhe kalimet e kundërta të lidhura me thithjen e energjisë elektromagnetike. Në këtë rast, fuqia e lëshuar nga molekulat e amoniakut nuk rritet më dhe, për rrjedhojë, një rritje e mëtejshme e amplitudës së vibrimeve bëhet e pamundur. Është vendosur një mënyrë gjenerimi stacionare.
Prandaj, ky nuk është një ngacmim i thjeshtë i rezonatorit, por një sistem vetë-oscilues, duke përfshirë reagimin, i cili kryhet përmes fushës me frekuencë të lartë të rezonatorit. Rrezatimi i molekulave që fluturojnë përmes rezonatorit ngacmon një fushë me frekuencë të lartë, e cila nga ana tjetër përcakton emetimin e stimuluar të molekulave, fazën dhe koherencën e këtij rrezatimi.
Në rastet kur kushtet e vetë-ngacmimit nuk plotësohen (për shembull, dendësia e fluksit molekular që kalon nëpër rezonator është e pamjaftueshme), kjo pajisje mund të përdoret si përforcues me një nivel shumë të ulët të zhurmës së brendshme. Fitimi i një pajisjeje të tillë mund të rregullohet duke ndryshuar densitetin e fluksit molekular.
Rezonatori i zgavrës së një gjeneratori molekular ka një faktor cilësor shumë të lartë, i matur në dhjetëra mijëra. Për të marrë një faktor kaq të lartë cilësor, muret e rezonatorit përpunohen me kujdes dhe argjendohen. Vrimat për hyrjen dhe daljen e molekulave, të cilat kanë një diametër shumë të vogël, shërbejnë njëkohësisht si filtra me frekuencë të lartë. Ata janë përcjellës valësh të shkurtër, gjatësia valore kritike e të cilave është më e vogël se gjatësia e valës natyrore të rezonatorit, dhe për këtë arsye energjia me frekuencë të lartë të rezonatorit praktikisht nuk ikën përmes tyre.
Për të rregulluar mirë rezonatorin në frekuencën e tranzicionit, ky i fundit përdor një lloj elementi akordues. Në rastin më të thjeshtë, është një vidë, zhytja e së cilës në rezonator ndryshon paksa frekuencën e këtij të fundit.
Në të ardhmen, do të tregohet se frekuenca e oshilatorit molekular "vonohet" disi kur ndryshon frekuenca e akordimit të rezonatorit. Vërtetë, vonesa e frekuencës është e vogël dhe vlerësohet në vlera të rendit 10 -11, por ato nuk mund të neglizhohen për shkak të kërkesave të larta të vendosura për gjeneratorët molekularë. Për këtë arsye, në një numër gjeneratorësh molekularë, vetëm diafragma dhe sistemi i klasifikimit ftohen me azot të lëngshëm (ose ajër të lëngshëm), dhe rezonatori vendoset në një termostat, temperatura në të cilën mbahet konstante nga një pajisje automatike me një saktësi e thyesave të një shkalle. Figura 5 tregon në mënyrë skematike një pajisje të këtij lloji të gjeneratorit.
Fuqia e gjeneratorëve molekularë që përdorin amoniak zakonisht nuk kalon 10 -7 W,
Prandaj, në praktikë ato përdoren kryesisht si standarde të frekuencës shumë të qëndrueshme. Stabiliteti i frekuencës së një gjeneratori të tillë vlerësohet nga vlera
10 -8 – 10 -10. Brenda një sekonde, gjeneratori siguron stabilitet të frekuencës së rendit 10 -13.
Një nga disavantazhet e rëndësishme të modelit të konsideruar të gjeneratorit është nevoja për pompim të vazhdueshëm dhe mirëmbajtje të rrjedhës molekulare.

Figura 5. Projektimi i një gjeneratori molekular
me stabilizim automatik të temperaturës së rezonatorit:
1- burim i amoniakut; 2 – sistemi kapilar; 3- azoti i lëngshëm; 4 – rezonator; 5 – sistemi i kontrollit të temperaturës së ujit; 6 – kondensator katërpolësh.

3.2 Gjeneratorë kuantikë me pompim të jashtëm

Në llojin e gjeneratorëve kuantikë në shqyrtim, si lëndët e ngurta ashtu edhe gazrat mund të përdoren si substanca aktive, në të cilat shprehet qartë aftësia për kalime të atomeve ose molekulave të nxitura nga energjia të ngacmuara nga një fushë e jashtme me frekuencë të lartë. Në rangun optik, burime të ndryshme të rrezatimit të dritës përdoren për të ngacmuar (pompuar) substancën aktive.
Gjeneratorët me rreze optike kanë një gamë të cilësitë pozitive, dhe kanë gjetur aplikim të gjerë në sisteme të ndryshme radio komunikimi, navigacion etj.
Ashtu si në gjeneratorët kuantikë me valë centimetra dhe milimetër, lazerët zakonisht përdorin sisteme me tre nivele, domethënë substanca aktive në të cilat ndodh një kalim midis tre niveleve të energjisë.
Sidoqoftë, duhet të theksohet një veçori që duhet të merret parasysh kur zgjidhni një substancë aktive për gjeneratorët dhe amplifikatorët e diapazonit optik.
Nga marrëdhënia W 2 – W 1 =h? Nga kjo rrjedh se me rritjen e frekuencës së funksionimit? në oshilatorët dhe amplifikatorët është e nevojshme të përdoret një diferencë më e lartë në nivelet e energjisë. Për gjeneratorët me rreze optike që përafërsisht korrespondojnë me diapazonin e frekuencës 2 10 7 -9 10 8 MHz(gjatësia valore 15-0,33 mk), ndryshimi i nivelit të energjisë W 2 – W 1 duhet të jetë 2-4 rend magnitudë më i lartë se për gjeneratorët me rreze centimetrash.
Si lëndët e ngurta ashtu edhe gazrat përdoren si substanca aktive në gjeneratorët me rreze optike.
Rubini artificial përdoret gjerësisht si një substancë aktive e ngurtë - kristalet e korundit (A1 2 O 3) me një përzierje të joneve të kromit (Cr). Përveç rubinit, gota të aktivizuara me neodymium (Nd), kristale të tungstatit të kalciumit (CaWO 4) me një përzierje të joneve të neodymiumit, kristale të fluorit të kalciumit (CaF 2) me një përzierje të dysprosiumit (Dy) ose materialeve të tjera dhe uraniumit. përdoren gjithashtu gjerësisht.
Lazerët e gazit zakonisht përdorin përzierje të dy ose më shumë gazeve.

3.2.1 Gjeneratorë me lëndë aktive të ngurtë

Lloji më i përhapur i gjeneratorëve të diapazonit optik janë gjeneratorët në të cilët rubini me një përzierje të kromit (0.05%) përdoret si substancë aktive. Figura 6 tregon një diagram të thjeshtuar të renditjes së niveleve të energjisë të joneve të kromit në rubin. Brezat e absorbimit në të cilat është e nevojshme të pompohet (ngacmohet) korrespondojnë me pjesët jeshile dhe blu të spektrit (gjatësia e valës 5600 dhe 4100A). Në mënyrë tipike, pompimi kryhet duke përdorur një llambë ksenon të shkarkimit të gazit, spektri i emetimit të së cilës është i afërt me atë të diellit. Jonet e kromit, që thithin fotonet e dritës jeshile dhe blu, lëvizin nga niveli I në nivelet III dhe IV. Disa nga jonet e ngacmuara nga këto nivele kthehen në gjendjen bazë (në nivelin I), dhe shumica e tyre kalojnë pa emetuar energji në nivelin P metastabile, duke rritur popullsinë e këtij të fundit. Jonet e kromit që kanë kaluar në nivelin II kohe e gjate mbeten në këtë gjendje të emocionuar. Prandaj, në nivelin e dytë
mund të grumbullohen sasi e madhe grimcat aktive se sa në nivelin I. Kur popullsia e nivelit II tejkalon popullsinë e nivelit I, substanca është në gjendje të amplifikojë lëkundjet elektromagnetike në frekuencën e tranzicionit II-I. Nëse një substancë vendoset në një rezonator, bëhet e mundur të gjenerohen dridhje koherente, monokromatike në pjesën e kuqe të spektrit të dukshëm. (? = 6943 A ). Roli i një rezonatori në diapazonin optik kryhet nga sipërfaqe reflektuese paralele me njëra-tjetrën.

Figura 6. Nivelet e energjisë të joneve të kromit në rubin

brezat e absorbimit nën pompimin optik
tranzicionet jo-rrezatuese
nivel metastabile

Figura 7. Oshilogramet që shpjegojnë funksionimin e një lazeri rubin:
a) fuqia e burimit të pompimit
b) popullsia e nivelit II
c) fuqia dalëse e gjeneratorit

Përveç rubinit, substanca të tjera përdoren në gjeneratorët e diapazonit optik, për shembull, kristali i tungstatit të kalciumit dhe xhami i aktivizuar me neodymium.
Një strukturë e thjeshtuar e niveleve të energjisë së joneve të neodymiumit në një kristal tungstati kalciumi është paraqitur në figurën 8.
Nën ndikimin e dritës nga një llambë pompimi, jonet nga niveli I transferohen në gjendjet e ngacmuara të treguara në diagramin III. Pastaj ata lëvizin në nivelin P pa rrezatim Niveli II është metastabil dhe jonet e ngacmuara grumbullohen në të. Rrezatimi koherent në rrezen infra të kuqe me gjatësi vale ?= 1,06 mk ndodh kur jonet lëvizin nga niveli II në nivelin IV. Jonet bëjnë kalimin nga niveli IV në gjendjen bazë pa rrezatim. Fakti që ndodh rrezatimi
kur jonet lëvizin në nivelin IV, i cili shtrihet mbi nivelin e tokës, është dukshëm
lehtëson ngacmimin e gjeneratorit. Popullsia e nivelit IV është dukshëm më e vogël se niveli P [kjo rrjedh nga formula 1] dhe kështu, për të arritur pragun e ngacmimit në nivelin II, duhet të transferohen më pak jone, dhe për këtë arsye duhet të shpenzohet më pak energji pompimi.

Figura 8. Struktura e thjeshtuar e niveleve të joneve të neodymiumit në tungstatin e kalciumit (CaWO 4 )

Xhami i ndotur me neodymium gjithashtu ka një diagram të ngjashëm të nivelit të energjisë. Lazerët që përdorin xhami të aktivizuar lëshojnë në të njëjtën gjatësi vale = 1.06 mikron.
Lëndët e ngurta aktive bëhen në formën e shufrave të gjata të rrumbullakëta (më rrallë drejtkëndore), skajet e të cilave janë lëmuar me kujdes dhe veshjet reflektuese aplikohen në to në formën e filmave të veçantë dielektrikë me shumë shtresa. Muret fundore plan-paralele formojnë një rezonator në të cilin vendoset një regjim i reflektimit të shumëfishtë të lëkundjeve të emetuara (afër regjimit të valëve në këmbë), i cili rrit rrezatimin e induktuar dhe siguron koherencën e tij. Rezonatori mund të formohet edhe nga pasqyrat e jashtme.
Pasqyrat dielektrike me shumë shtresa kanë përthithje të ulët të brendshme dhe bëjnë të mundur marrjen e faktorit më të lartë të cilësisë së rezonatorit. Krahasuar me pasqyrat metalike të formuara shtrese e holle Pasqyrat dielektrike me shumë shtresa prej argjendi ose metali tjetër janë shumë më të vështira për t'u prodhuar, por janë shumë më të larta në qëndrueshmëri. Pasqyrat metalike dështojnë pas disa ndezjeve, dhe për këtë arsye nuk përdoren në modelet moderne lazer.
Në modelet e para me lazer, llambat ksenon pulsuese në formë spirale u përdorën si burim pompimi. Brenda llambës kishte një shufër të substancës aktive.
Një disavantazh serioz i këtij dizajni të gjeneratorit është shkalla e ulët e përdorimit të energjisë së dritës së burimit të pompimit. Për të eliminuar këtë pengesë, gjeneratorët përdorin fokusimin e energjisë së dritës të burimit të pompimit duke përdorur lente ose reflektorë të veçantë. Metoda e dytë është më e thjeshtë. Reflektori zakonisht bëhet në formën e një cilindri eliptik.
Figura 9 tregon qarkun e një oshilatori rubin. Llamba e dritës së prapme, që funksionon në modalitetin e pulsit, ndodhet brenda një reflektori eliptik që fokuson dritën e llambës në shufrën rubin. Llamba mundësohet nga një ndreqës i tensionit të lartë. Në intervalet midis pulseve, energjia e burimit të tensionit të lartë grumbullohet në një kondensator me një kapacitet prej rreth 400 mkf. Në momentin e aplikimit të një impulsi të ndezjes fillestare me një tension prej 15 kV, hequr nga dredha-dredha dytësore e transformatorit të rritjes, llamba ndizet dhe vazhdon të digjet derisa energjia e grumbulluar në kondensatorin e ndreqësit të tensionit të lartë të konsumohet.
Për të rritur fuqinë e pompimit, rreth shufrës së rubinit mund të instalohen disa llamba ksenon, drita e së cilës përqendrohet në shufrën rubin duke përdorur reflektorë.
Për atë të paraqitur në Fig. Energjia e pompimit të pragut të gjeneratorit 23.10, pra energjia në të cilën fillon gjenerimi, është rreth 150 J. Me kapacitetin e ruajtjes të treguar në diagram ME = 400 mkf një energji e tillë sigurohet në një tension burimi prej rreth 900 NË.

Figura 9. Oscilator rubin me reflektor eliptik për fokusimin e dritës së llambës së pompimit:

reflektor
spiralja e ndezjes
llambë ksenon
rubin

Për shkak të faktit se spektri i burimeve të pompimit është shumë më i gjerë se brezi i dobishëm absorbues i kristalit, energjia e burimit të pompimit përdoret shumë dobët dhe për këtë arsye është e nevojshme të rritet ndjeshëm fuqia e burimit në mënyrë që të sigurohet mjaftueshëm fuqia e pompimit për gjenerim në një brez të ngushtë absorbimi. Natyrisht, kjo çon në një rritje të fortë të temperaturës së kristalit. Për të parandaluar mbinxehjen, mund të përdorni filtra, gjerësia e brezit të të cilëve përafërsisht përkon me brezin e absorbimit të substancës aktive, ose të përdorni një sistem ftohjeje të detyruar për kristalin, për shembull, duke përdorur azot të lëngshëm.
Përdorimi joefikas i energjisë së pompës është arsyeja kryesore për efikasitetin relativisht të ulët të lazerëve. Gjeneratorët e bazuar në rubin në modalitetin e pulsit bëjnë të mundur marrjen e një efikasiteti të rendit prej 1%, gjeneratorët e bazuar në qelq - deri në 3-5%.
Lazerët rubin funksionojnë kryesisht në modalitetin pulsues. Kalimi në modalitetin e vazhdueshëm është i kufizuar nga mbinxehja që rezulton e kristalit të rubinit dhe burimeve të pompimit, si dhe djegia e pasqyrave.
Hulumtimet për lazerët që përdorin materiale gjysmëpërçuese janë aktualisht duke u zhvilluar. Ata përdorin një diodë gjysmëpërçuese të bërë nga arsenidi i galiumit si një element aktiv, ngacmimi (pompimi) i së cilës kryhet jo nga energjia e dritës, por nga një rrymë me densitet të lartë që kalon nëpër diodë.
Dizajni i elementit aktiv lazer është shumë i thjeshtë (shih Figurën 10) Ai përbëhet nga dy gjysma të materialit gjysmëpërçues R- Dhe n-lloj. Gjysma e poshtme e materialit të tipit n ndahet nga gjysma e sipërme e materialit të tipit p me një plan р-n tranzicionit. Secila prej pllakave është e pajisur me një kontakt për lidhjen e një diode me një burim pompimi, i cili përdoret si burim rrymë e vazhdueshme. Faqet fundore të diodës, rreptësisht paralele dhe të lëmuara me kujdes, formojnë një rezonator të akorduar me frekuencën e lëkundjeve të krijuara që korrespondojnë me një gjatësi vale prej 8400 A. Dimensionet e diodës janë 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Dioda vendoset në një kriostat me azoti i lëngët ose helium dhe nëpër të kalon një rrymë pompe, dendësia e së cilës është р-n tranzicioni arrin vlerat 10 4 -10 6 a/cm 2 Në këtë rast, lëkundjet koherente të gamës infra të kuqe me një gjatësi vale prej ? = 8400A.

Figura 10. Struktura e elementit aktiv të një lazeri me diodë gjysmëpërçuese.

skajet e lëmuara
kontakt
aeroplani i kryqëzimit pn
kontakt

3.2.2 Gjeneratorë me lëndë aktive të gaztë

Në gjeneratorët kuantikë optikë, substanca aktive është zakonisht një përzierje e dy gazeve. Më i zakonshmi është një lazer me gaz duke përdorur një përzierje helium (He) dhe neoni (Ne).
Vendndodhja e niveleve të energjisë së heliumit dhe neonit është paraqitur në figurën 11. Sekuenca e tranzicioneve kuantike në një lazer gazi është si më poshtë. Nën ndikimin e lëkundjeve elektromagnetike të një gjeneratori me frekuencë të lartë në përzierje gazi, i mbyllur në një tub qelqi kuarci, ndodh një shkarkesë elektrike, duke çuar në kalimin e atomeve të heliumit nga gjendja bazë I në gjendjet II (2 3 S) dhe III (2 1 S). Kur atomet e ngacmuara të heliumit përplasen me atomet e neonit, ndodh një shkëmbim energjie midis tyre, si rezultat i të cilit atomet e ngacmuara të heliumit transferojnë energji në atomet e neonit dhe popullsia e niveleve 2S dhe 3S të neonit rritet ndjeshëm.
etj................

Kuptimi i GJENERATORËVE DHE AMLIFIKATORËVE KUANTUM në fjalorin e Collier's

GJENERATORË DHE AMLIFIKATORË KUANTUM

gjeneratorë dhe përforcues të valëve elektromagnetike bazuar në dukurinë e rrezatimit të detyruar (të induktuar). Parimi i funksionimit të një gjeneratori kuantik me mikrovalë të quajtur maser (një shkurtim për fjalët angleze Amplifikimi i mikrovalëve nga emetimi i stimuluar i rrezatimit, që do të thotë "përforcim i mikrovalës për shkak të rrezatimit të stimuluar"), u propozua në 1954 nga Charles Townes. (I njëjti parim qëndron në themel të optikës amplifikatorë kuantikë dhe gjeneratorë lazer.) Meqenëse frekuenca e rrezatimit në daljen e një gjeneratori kuantik përcaktohet nga nivele rreptësisht fikse, diskrete të energjisë të atomeve ose molekulave të mediumit aktiv të përdorur në një gjenerator të tillë, ajo ka një vlerë të përcaktuar saktësisht dhe konstante.

Emetim spontan dhe i stimuluar. Energjia e rrezatimit elektromagnetik lirohet ose absorbohet në formën e "pjesëve" të veçanta të quajtura kuante ose fotone, dhe energjia e një kuantike është e barabartë me h?, ku h është konstanta e Plankut dhe? - frekuenca e rrezatimit. Kur një atom thith një kuant energjetik, ai lëviz në një nivel më të lartë energjie, d.m.th. një nga elektronet e tij kërcen në një orbitë më larg nga bërthama. Është zakon të thuhet se atomi në këtë rast shkon në një gjendje të ngacmuar.

Një atom që e gjen veten në një gjendje të ngacmuar mund të çlirojë energjinë e tij të ruajtur në mënyra të ndryshme. Një mënyrë e mundshme është të emetoni spontanisht një kuant me të njëjtën frekuencë, pas së cilës ai kthehet në gjendjen e tij origjinale. Ky është procesi i rrezatimit (emetimit) spontan, i paraqitur në mënyrë skematike në Fig. 1, b. Në frekuenca të larta, d.m.th. Në gjatësi vale të shkurtra që korrespondojnë me dritën e dukshme, emetimi spontan ndodh shumë shpejt. Atomi i ngacmuar që ka thithur një foton dritë e dukshme, zakonisht humbet energjinë e fituar nga emetimi spontan në më pak se një e milionta e sekondës. Procesi i emetimit spontan në frekuenca më të ulëta vonohet. Për më tepër, një atom mund të shkojë në një gjendje të ndërmjetme, duke humbur vetëm një pjesë të energjisë së tij në formën e një fotoni me energji më të ulët të emetuar prej tij.

Ekziston një proces tjetër që bën që atomi i ngacmuar të çlirojë këtë energji të ruajtur. Nëse rrezatimi i një frekuence të caktuar bie mbi një atom (si në Fig. 1, c), atëherë ai e detyron atomin të lëshojë një foton dhe të lëvizë në një nivel më të ulët. Kështu, një foton arrin dhe dy largohen. Emetimi i stimuluar ndodh gjithmonë në të njëjtën frekuencë dhe me të njëjtën fazë si vala hyrëse, dhe për këtë arsye, duke kaluar pranë atomit të ngacmuar, vala rrit intensitetin e saj.

Pra, një valë e frekuencës përkatëse, duke kaluar nëpër një mjedis në të cilin ka një tepricë të atomeve të ngacmuara, përforcohet për shkak të energjisë së emetimit të stimuluar të këtyre atomeve. Megjithatë, nëse ka atome të pangacmuar në mjedis, ata mund të thithin energjinë e valës. Është e qartë se amplifikimi për shkak të emetimit të stimuluar është i kundërt me përthithjen, dhe mbizotërimi i njërit prej proceseve mbi tjetrin varet se cilët atome janë më shumë në rrugën e valës - të ngacmuar ose të pangacmuar.

Fakti që së bashku me emetimin spontan duhet të ketë edhe emetim të detyruar u postulua nga Albert Ajnshtajni në vitin 1916, duke pranuar se ndodhin të tre proceset - thithja, emetimi i stimuluar dhe spontan. Bazuar në konsideratat statistikore, ai nxori një formulë që përshkruan spektri i frekuencës rrezatimi i emetuar nga një substancë. Përdorimi i emetimit të stimuluar për të krijuar gjeneratorë të valëve elektromagnetike u propozua nga Charles Townes në SHBA dhe, pavarësisht nga ai, nga fizikanët rusë N.G. Të tre u nderua me Çmimin Nobel në Fizikë (1964) për këtë punë.

Përforcues kuantik. Siç u diskutua më lart, rrezatimi mund të përforcohet thjesht duke e kaluar atë përmes një mediumi aktiv të përshtatshëm. Megjithatë, fitimi është shpesh i parëndësishëm - rreth 1%. Për të rritur fitimin, është e nevojshme të mbani rrezatimin në kontakt me mediumin aktiv më gjatë. Për ta bërë këtë, ju mund të mbyllni mediumin aktiv në një dhomë me mure reflektuese. Pastaj vala tërthore do të reflektohet nga muri në mur, duke u rritur pak me çdo kalim. Kur është intensifikuar mjaftueshëm, një pjesë e rrezatimit mund të çlirohet nga dhoma si një dalje.

Në diapazonin e mikrovalëve (frekuenca super e lartë), d.m.th. kur gjatësia e valës është në intervalin 0,1 deri në 100 cm, dimensionet e kamerës zakonisht janë të krahasueshme me gjatësinë e valës. Një dhomë që akordohet në frekuencën e dëshiruar duke ndryshuar dimensionet e saj (gjatësia e saj duhet të jetë e barabartë me gjatësinë e valës) quhet rezonator i zgavrës.

Nëse gjatësia e valës së rrezatimit është afërsisht 1 mm ose më pak, atëherë një rezonator i tillë është madje i vështirë për t'u prodhuar. Megjithatë, është e mundur të bëhet një rezonator i zgavrës për dritën e dukshme infra të kuqe ose me valë të shkurtër, në mënyrë që gjatësia e tij të jetë shumë më e madhe se gjatësia e valës, për shembull, në formën e dy pllakave paralele të pasqyrës (Fig. 2). Në një pajisje të tillë, një valë tërthore në pllaka, e reflektuar në mënyrë alternative nga pasqyrat, do të mbetet në mjedisin aktiv dhe do të rritet për shkak të emetimit të stimuluar. Një valë që përhapet në çdo drejtim tjetër e lë shpejt rezonatorin pothuajse pa asnjë përforcim.

Ky veprim i drejtimit të një sistemi prej dy pllakash paralele është veçanërisht i rëndësishëm për gjeneratorët kuantikë të rrezatimit elektromagnetik me gjatësi vale shumë të shkurtra. Në këtë rast, fitimi në mjedisin aktiv duhet të jetë mjaft i madh në mënyrë që kur një valë kalon nga një pllakë në tjetrën, ajo të kompensojë më shumë humbjet e pashmangshme që pëson kur reflektohet nga pasqyra. Rritja e vazhdueshme e valës çon në vendosjen e lëkundjeve elektromagnetike rezonante në hendekun midis pasqyrave. Valët që përhapen në çdo drejtim tjetër nuk amplifikohen sa duhet për të kompensuar humbjet. Dhe megjithëse një dhomë e mbyllur e kësaj madhësie mund të instalonte dhe të mbështeste miliona tipe te ndryshme dridhjet dhe kombinimet e tyre që ndryshojnë me shpejtësi, zgjedh vetëm një sistem prej dy pllakash paralele valë tërthore(pjesa tjetër zbehet). Meqenëse një sistem i tillë është veçanërisht i përshtatshëm për izolimin e lëkundjeve me një gjatësi vale të shkurtër specifike, ai përdoret gjerësisht në gjeneratorët kuantikë në rrezen e dritës infra të kuqe dhe të dukshme - lazerët.

Në mënyrë që një pjesë e dritës të dalë nga zgavra e lazerit, njëra prej pllakave duhet të jetë e tejdukshme, d.m.th. duke transmetuar një pjesë të dritës që bie mbi të dhe duke reflektuar dritën me gjatësi vale të tjera. Drita që kalon nëpër pllakën e tejdukshme formon një rreze të drejtuar ngushtë. Një pajisje e tillë lazer u propozua nga Townes dhe A. Shavlov.

Është gjithashtu e mundur të nxirret rrezatimi përmes një vrime të vogël në një nga muret reflektuese. Ky qark përdoret shpesh në oshilatorët kuantikë me gjatësi vale centimetër (mikrovalë). Në lazer, ai nuk siguron një drejtim kaq të lartë të rrezes së daljes.

Ambient aktiv. Për thithjen dhe amplifikimin rezonant për shkak të emetimit të stimuluar, është e nevojshme që vala të kalojë përmes një materiali, atomet ose sistemet e atomeve të të cilit janë "akorduar" në frekuencën e dëshiruar. Me fjalë të tjera, ndryshimi në nivelet e energjisë E2 - E1 për atomet e materialit duhet të jetë i barabartë me frekuencën valë elektromagnetike, shumëzuar me konstanten e Planck-ut:

Më tej, në mënyrë që emetimi i stimuluar të mbizotërojë mbi absorbimin, duhet të ketë më shumë atome në nivelin e sipërm të energjisë sesa në atë më të ulët. Kjo zakonisht nuk ndodh. Për më tepër, çdo sistem atomesh, i lënë në vetvete për një kohë mjaft të gjatë, vjen në ekuilibër me mjedisin e tij në një temperaturë të ulët, d.m.th. arrin gjendjen e energjisë më të ulët. Në temperatura të larta, disa nga atomet e sistemit ngacmohen nga lëvizja termike. Në pafundësi temperaturë të lartë të gjitha gjendjet kuantike do të plotësoheshin në mënyrë të barabartë. Por meqenëse temperatura është gjithmonë e fundme, përqindja mbizotëruese e atomeve është në gjendjen më të ulët dhe sa më të larta të jenë gjendjet, aq më pak të mbushura janë. Nëse në temperaturë absolute T ka n0 atome në gjendjen më të ulët, atëherë numri i atomeve në gjendjen e ngacmuar, energjia e të cilave tejkalon energjinë e gjendjes më të ulët me një sasi E, jepet nga shpërndarja Boltzmann:

ku k është konstanta e Boltzmann-it.

Meqenëse ka gjithmonë më shumë atome në gjendjet më të ulëta në kushte ekuilibri sesa në ato më të larta, në kushte të tilla gjithmonë mbizotëron thithja sesa përforcimi për shkak të emetimit të stimuluar. Një tepricë e atomeve në një gjendje të caktuar të ngacmuar mund të krijohet dhe mbahet vetëm duke i transferuar artificialisht në këtë gjendje dhe më shpejt se sa kthehen në ekuilibri termik. Një sistem në të cilin ka një tepricë të atomeve të ngacmuar tenton drejt ekuilibrit termik dhe duhet të mbahet në një gjendje jo ekuilibër duke krijuar atome të tilla në të.

Gjenerator kuantik me tre nivele. Metoda e krijimit dhe mbajtjes së një tepricë të atomeve në një gjendje të ngacmuar për gazrat (metoda e sistemit me tre nivele) u propozua nga N.G Basov dhe A.M materiale të forta- N. Blombergen. Përforcuesi i parë kuantik me tre nivele u krijua nga D. Scovil, J. Feer dhe G. Seidel. Sistemi me tre nivele është paraqitur skematikisht në Fig. 3. Fillimisht, të gjithë atomet janë në nivelin më të ulët E1, dhe nivelet E2 dhe E3 janë bosh. Distanca e energjisë ndërmjet niveleve E2 dhe E3 nuk është e barabartë me distancën midis niveleve E1 dhe E2. Një llambë ose gjenerator "pompues" (në varësi të asaj diapazoni që po flasim - frekuencë optike ose radio) prodhon rrezatim me një frekuencë që korrespondon me kalimin nga niveli i poshtëm në atë të sipërm. Duke thithur këtë rrezatim, atomet ngacmohen dhe lëvizin nga niveli i poshtëm në atë të sipërm. Meqenëse fillimisht nuk ka atome në nivelin e ndërmjetëm E2, ka më shumë prej tyre në nivelin E3. Kur atome të mjaftueshme janë grumbulluar në nivelin E3, gjenerimi fillon me një frekuencë që korrespondon me kalimin nga niveli i sipërm në atë të ndërmjetëm. Në mënyrë që gjenerimi kuantik të ndodhë vazhdimisht, niveli E2 duhet të zbrazet shpejt, d.m.th. atomet duhet të hiqen prej tij më shpejt se sa krijohen për shkak të emetimit të stimuluar nga niveli E3. Niveli E2 mund të zbrazet nga procese të ndryshme, të tilla si përplasjet me atome të tjera dhe transferimi i energjisë rrjetë kristali(nëse mjedisi aktiv është i ngurtë). Në të gjitha rastet, energjia shndërrohet në nxehtësi, kështu që ftohja e pajisjes është e nevojshme.

Duke pompuar, jo më shumë se gjysma e atomeve mund të transferohen nga niveli E1 në E3, që atëherë efekti i emetimit të stimuluar i detyron ata të kthehen në nivelin më të ulët. Por nëse, për shkak të përplasjeve ose proceseve të tjera, atomet nga niveli E3 lëvizin shpejt në nivelin E2, atëherë pompimi i tyre në nivelin e sipërm me një kalim të mëvonshëm në nivelin e ndërmjetëm mund të vazhdojë. Në këtë mënyrë, më shumë se gjysma e atomeve (dhe madje të gjithë) mund të pompohen në nivelin E3. Pastaj në nivelin e ndërmjetëm rezulton më shumë atome, sesa në atë më të ulët, dhe gjenerimi fillon në frekuencën që korrespondon me tranzicionin Përdoren të dy qarqet e një oshilatori kuantik dhe amplifikatori, dhe njëra ose tjetra zgjidhet në varësi të vetive të materialit të disponueshëm me rezonancë në. frekuencat e dëshiruara. Në përgjithësi, është e dëshirueshme që mediumi aktiv, duke plotësuar të gjitha kërkesat e tjera, të ketë rezonancë të lartë. Nëse një gjenerator kuantik supozohet të përdoret si standard i frekuencës, atëherë rezonancat duhet të jenë gjithashtu të mprehta. Rezonanca të tilla janë karakteristike për spektrat e atomeve dhe molekulave të lira në gaze. Rezonancat e materialeve të ngurta janë zakonisht mjaft të gjera, megjithëse jonet e elementeve të rralla të tokës dhe të metaleve kalimtare, si kromi, në kristal kanë spektra të përshtatshëm. Për shembull, rubini (oksidi i aluminit), në të cilin një pjesë e joneve të aluminit zëvendësohen nga jonet e kromit, mund të shërbejë si një medium aktiv për një gjenerator kuantik me mikrovalë me tre nivele. Maiman tregoi se rubini është gjithashtu i përshtatshëm për të bërë lazer. Në të dyja rastet, përdoren nivelet e energjisë së joneve të kromit.

Laser. Laserët janë gjeneratorë kuantikë optikë që prodhojnë rrezatim në rajonet e dukshme dhe infra të kuqe të spektrit (ku gjatësitë e valëve janë më pak se 1 mm). Në intensitet, gjeneratorë të tillë janë shumë më të lartë se të gjitha llojet e tjera të burimeve të rrezatimit të ngjashëm. Përveç kësaj, rrezatimi i tyre i daljes bie në një brez shumë të ngushtë frekuence dhe ka formën e një rrezeje pothuajse jo divergjente. Përveç kësaj, rrezet lazer mund të fokusohen në një pikë shumë të vogël, në të cilën densiteti i fuqisë së dritës dhe forca e fushës elektrike janë kolosale në krahasim me atë që mund të prodhojnë burimet e tjera të dritës. Rrezatimi i daljes është pothuajse plotësisht monokromatik dhe, më e rëndësishmja, koherent, d.m.th. plotësisht i përputhur me faza dhe pa çrregullime kaotike të dritës së zakonshme. Shihni gjithashtu LASER.

Gjenerator kuantik molekular. Gjeneratori i parë kuantik, i zhvilluar nga Gordon, Zeiger dhe Townes, përdori një dhomë të evakuuar që përmbante një rreze molekulash amoniaku. Molekulat e rrezes, të cilat ishin në një gjendje energjie më të ulët, u hoqën nga rreze duke i devijuar ato në një fushë elektrike jo uniforme. Molekulat në gjendjen më të lartë të energjisë u fokusuan në një rezonator të zgavrës, ku ndodhi emetimi i stimuluar (Fig. 4).

Një gjenerator kuantik me një rreze molekulare prodhon rrezatim me një frekuencë dalëse të zgjedhur ashpër. Kjo është pjesërisht për shkak të faktit se ka relativisht pak molekula në rreze dhe ato nuk mund të ndikojnë njëra-tjetrën. Për shkak të numrit të vogël të molekulave, fuqia dalëse është gjithashtu e vogël.

Lazer i shkarkimit të gazit. Mjeti aktiv i një lazeri me shkarkim gazi është një përzierje gazesh fisnike si heliumi dhe neoni. Atomi i heliumit ka një gjendje të ngacmuar me jetëgjatësi të gjatë, dhe atomet e ngacmuara në këtë gjendje "metastabile" nuk mund të heqin dorë nga energjia e tyre e ngacmimit me emetim spontan. Megjithatë, ata mund ta transferojnë atë në përplasje atomike në atome neoni të pangacmuar. Pas një përplasjeje të tillë, atomi i heliumit e gjen veten në gjendjen e tij bazë, dhe atomi i neonit në gjendjen e tij të ngacmuar. Gjenerimi ndodh për shkak të kalimeve të detyruara nga ky nivel energjie në një nivel më të ulët bosh të atomeve neoni.

Aplikacion. Kuantike- pajisjet elektronike me sisteme atomike dhe molekulare si media aktive përdoren si përforcues dhe gjeneratorë. Në frekuenca më të ulëta, funksione të tilla kryhen nga tuba vakum dhe transistorë. Nuk është për t'u habitur që familja e pajisjeve elektronike kuantike tashmë mund të rivalizojë numrin dhe diversitetin e pajisjeve elektronike më të vjetra. Pajisjet elektronike kuantike kanë gjetur një sërë aplikacionesh për të cilat pajisjet e tjera elektronike nuk janë të përshtatshme ose nuk janë aspak të përshtatshme. Këto janë funksionet e amplifikatorëve të mikrovalës me nivel i ulët zhurma, standardet primare të frekuencës dhe kohës, si dhe gjeneratorët dhe amplifikatorët e rrezatimit infra të kuq dhe të dukshëm.

Përforcues mikrovalë me zhurmë të ulët. Qëllimi i një amplifikatori është të përforcojë sinjalet e dobëta pa i shtrembëruar ato ose pa futur zhurmë (komponent kaotik). Përforcuesit elektronikë gjithmonë shtojnë zhurmën e tyre në sinjal. Kur punoni me sinjale radio jashtëzakonisht të dobëta, është e rëndësishme që amplifikuesi të kontribuojë sa më shumë që të jetë e mundur më pak zhurmë. Këto janë sinjale radio të marra nga objektet qiellore dhe sinjale radari të reflektuara nga objekte të vendosura në distanca të gjata. Në këto dy raste, sinjali vërehet kundër qiellit, i cili sjell vetëm zhurmë të vogël. Kjo ju lejon të zbuloni një sinjal shumë të dobët nëse nuk maskohet nga zhurma e vetë marrësit. Përforcuesit konvencionalë nuk i plotësojnë kërkesat e një detyre të tillë, dhe amplifikatorët kuantikë vijnë në shpëtim, duke mos futur pothuajse asnjë zhurmë. Duke zëvendësuar përforcuesin e tubit vakum në hyrjen e marrësit me një përforcues kuantik, mund të rrisni ndjeshmërinë e marrësit në intervalin e mikrovalës me njëqind herë. Marrësit e mikrovalëve me amplifikues kuantikë janë aq të ndjeshëm sa mund të zbulojnë rrezatimin termik të planetëve të tjerë dhe të përcaktojnë temperaturën e sipërfaqes së tyre.

Standardet e frekuencës dhe orë atomike. Atomet dhe sistemet e atomeve, siç është përmendur tashmë, mund të thithin dhe lëshojnë rrezatim vetëm në frekuenca ose gjatësi vale të caktuara specifike. Këto rezonanca shpesh kanë formën e majave, duke lejuar që frekuenca e tyre të matet me saktësi të lartë. Frekuencat përkatëse janë karakteristike për atome dhe molekula të caktuara dhe, ndryshe nga standardet e krijuara nga njeriu, nuk ndryshojnë me kalimin e kohës. Prandaj, rezonanca të tilla mund të shërbejnë si standarde të frekuencës, gjatësisë së valës dhe kohës. Frekuenca e oshilatorit elektronik të jashtëm mund të kontrollohet për kalibrim edhe ndaj rezonancave të përthithjes. Gjeneratorët kuantikë prodhojnë drejtpërdrejt rrezatim të një frekuence referimi. Kur një gjenerator kuantik është konfiguruar siç duhet, frekuenca në daljen e tij është konstante. Mund të përdoret për të monitoruar progresin orë e saktë ose një pajisje më komplekse e krijuar për të matur intervalet kohore me saktësi të lartë. Mjeti aktiv i një prej gjeneratorëve kuantikë më të saktë është hidrogjeni atomik (sistemi është i ngjashëm me modelin e gjeneratorit të parë kuantik - një maser - me një rreze molekulare amoniaku). Saktësia e frekuencës së saj është 10-10%, që korrespondon me një gabim në "normën e orës" të barabartë me një sekondë në 30,000 vjet.

Collier. Fjalori i Collier-it. 2012

Shihni gjithashtu interpretimet, sinonimet, kuptimet e fjalës dhe çfarë janë GJENERATORËT DHE AMLIFIKATORËT KUANTUM në rusisht në fjalorë, enciklopedi dhe libra referimi:

• KUANTUM
  NUMRAT KUANTUM, numra të plotë ose numrat thyesorë, duke përcaktuar të mundshmen vlera diskrete fizike sasitë që karakterizojnë sistemet kuantike (bërthama atomike, atomi, molekula dhe...
• KUANTUM në Fjalorin e Madh Enciklopedik Rus:
  ORË KUANTUME (ora atomike), një pajisje për matjen e kohës që përmban një oshilator kuarci të kontrolluar nga një standard i frekuencës kuantike. Roli i "lavjerrësit" në kozmos ...
• KUANTUM në Fjalorin e Madh Enciklopedik Rus:
  STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE, pajisje për matjen e saktë të frekuencës së lëkundjeve, bazë. mbi matjen e frekuencës së tranzicioneve kuantike (në mikrovalë dhe spektrat optikë) ...
• KUANTUM në Fjalorin e Madh Enciklopedik Rus:
  TRANZICIONET KUANTIKE, kalimet e menjëhershme të një sistemi kuantik (atom, molekulë, bërthama atomike, kristal) nga një gjendje e mundshme V…
• ELEKTRONIKA KUANTUME
  elektronika, një fushë e fizikës që studion metodat e amplifikimit dhe gjenerimit të lëkundjeve elektromagnetike bazuar në përdorimin e efektit të emetimit të stimuluar, si dhe vetitë ...
• GJENERATORËT E MAKINËS ELEKTRIKE DHE MOTORËT ELEKTRIK: GJENERATORE DC në fjalorin e Collier:
  Tek artikulli GJENERATORËT E MAKINËS ELEKTRIKE DHE MOTORËT ELEKTRIKE Teoria. Në Fig. 1a tregon një kthesë të telit abcd që rrotullohet në drejtim të akrepave të orës rreth boshtit ...
• GJENERATORË ELEKTRIK: GJENERATORË SINKRON TË RRYMËS ALTERNATUESE në fjalorin e Collier:
  Tek artikulli GJENERATORËT E MAKINËS ELEKTRIKE DHE MOTORËT ELEKTRIKE Siç është përmendur tashmë, një EMF alternative induktohet në një spirale teli që rrotullohet në një fushë magnetike konstante. ...
• STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE
  
• BRSS. SHKENCA TEKNIKE në të mëdha Enciklopedia Sovjetike, TSB:
  shkenca Shkenca dhe teknologjia e aviacionit B Rusia para-revolucionare U ndërtuan një numër avionësh me dizajn origjinal. Ya. M. krijoi aeroplanët e tyre (1909-1914) ...
• BRSS. LETËSRI DHE ART në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  dhe Arti Literatura Multinacionale letërsia sovjetike paraqet një etapë cilësisht të re në zhvillimin e letërsisë. Si një tërësi e caktuar artistike, e bashkuar nga një e vetme socio-ideologjike...
• MATJE RADIO në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  matjet e elektrike, magnetike dhe sasive elektromagnetike dhe marrëdhëniet e tyre, duke karakterizuar funksionimin e pajisjeve inxhinierike radio në rangun e frekuencës nga infratingulli në ultra të lartë. ...
• MAKINË DC në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  makinë aktuale, një makinë elektrike në të cilën energjia mekanike shndërrohet në energji elektrike të rrymës së drejtpërdrejtë (gjenerator) ose në shndërrim të kundërt (motor). ...
• KALIMET KUANTIKE në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  kuantike, shih tranzicionet kuantike...
• GJENERATORE PARAMETRIKE DRITE në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  gjeneratorë drite, burime të rrezatimit optik koherent, elementi kryesor i të cilave është një kristal jolinear në të cilin një i fuqishëm valë e lehtë frekuencë fikse parametrikisht...
• GJENERATOR MOLEKULAR në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  gjenerator, një pajisje në të cilën krijohen lëkundje elektromagnetike koherente për shkak të tranzicionit kuantik të detyruar të molekulave nga gjendja fillestare e energjisë në gjendjen ...
• NUMRAT KUANTUM në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  numra, numra të plotë (0, 1, 2,...) ose gjysmë të plotë (1/2, 3/2, 5/2,...) numra që përcaktojnë vlerat e mundshme diskrete sasive fizike, të cilat karakterizojnë kuantike...
• STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  Standardet e frekuencës, pajisjet që përdorin kuantike...
• KALIMET KUANTIKE në Enciklopedinë e Madhe Sovjetike, TSB:
  tranzicione, tranzicione kërcimi të një sistemi kuantik (atom, molekulë, bërthama atomike, të ngurta) nga një shtet në tjetrin. Më të rëndësishmet janë K...
• ORË KUANTUME
  
• STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE në Fjalorin enciklopedik modern:
  
• KALIMET KUANTIKE në Fjalorin enciklopedik modern:
  kalimet e papritura të një sistemi kuantik (atom, molekulë, bërthama atomike, kristal) nga një gjendje e mundshme në tjetrën. Tranzicionet kuantike mund të jenë rrezatuese...
• ORË KUANTUME
  (ora atomike), një pajisje për matjen e kohës që përmban një oshilator kuarci të kontrolluar nga një standard frekuence. Roli i "lavjerrës" në një orë kuantike luhet nga atomet. Frekuenca...
• STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE në Fjalorin Enciklopedik:
  pajisje për matjen e saktë të frekuencës së rrezatimit gjatë tranzicioneve kuantike (në mikrovalë dhe spektrat optikë) të atomeve, joneve ose molekulave nga një ...
• GJENERATORE ELEKTRIKE DHE MOTORË ELEKTRIKE: MOTORË ELEKTRIK DC në fjalorin e Collier:
  Tek artikulli GJENERATORËT E MAKINËVE ELEKTRIKE DHE MOTORËT ELEKTRIKE Gjeneratorët DC funksionojnë në mënyrë të kënaqshme si motorë dhe, me të njëjtat parametra nominalë, nuk ...
• GJENERATORE MAKINORE ELEKTRIKE DHE MOTORË ELEKTRIKE në fjalorin e Collier:
  makina të tipit rrotullues që transformojnë ose energji mekanike në elektrike (gjeneratorë), ose elektrike në mekanike (motorë). Funksionimi i gjeneratorëve bazohet në parimin...
• STANDARDET E FREKUENCAVE KUANTIKE në Moderne fjalor shpjegues, TSB:
  pajisje për matjen e saktë të frekuencës së dridhjeve, bazuar në matjen e frekuencës së tranzicioneve kuantike (në spektrat mikrovalë dhe optike) të atomeve, joneve ose ...
• ARMAGEDON në Drejtorinë e Sekreteve të lojërave, programeve, pajisjeve, filmave, vezëve të Pashkëve:
  1.Gjatë xhirimeve, regjisori Michael Bay mori lejen për të filmuar në disa lokacione në pronën e NASA-s. Shikoni skenën e fluturimit të anijeve kozmike...
• E Tmerrshme në Enciklopedinë Galactica të Letërsisë së Fantashkencës:
  Përforcues moral, mbrojtës moral të njerëzve të shkathët të brezave të 16-të dhe pasardhësve; parandalimi i tentativave për të merrësuar (kretinizuar) shustrat e ndërmarra nga elementë kriminalë dhe disidentë".
• REZONANCA FEROMAGNETIKE në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  thithja selektive nga një ferromagnet i energjisë së fushës elektromagnetike në frekuenca (zakonisht në rrezen e radios) që përkon me frekuencën natyrore të precesionit moment magnetik ferromagnetike (shih Larmore...
• AMPLIFIKUES në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  në teknologji - një pajisje në të cilën parametrat e energjisë të një sinjali (ndikimi) rriten duke përdorur energjinë e një burimi ndihmës. Sipas…
• PAJISJE MATES TERMOELEKTRIKE në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  shërben për të matur rrymën (më rrallë, tensionin dhe fuqinë); është një pajisje matës magnetoelektrike që mat forcën elektromotore të një konverteri termik, ngrohjen ...
• BLLOKU PËRMBLEDHJES në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  një pajisje llogaritëse analoge, dalja e së cilës prodhon një vlerë proporcionale me shumën e vlerave hyrëse. Blloqet e përmbledhjes elektronike janë më të zakonshmet si pjesë e AVM-ve...
• RADIO në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  në kombinim me një antenë (të jashtme ose të integruar) përdoret për të marrë sinjale radio. Shembuj: marrës transmetimi, televizion, radio radar. Elementet kryesore: frekuenca selektive…
• BLLOK FUNKSIONI JOLINEAR në Fjalorin e Madh Enciklopedik:
  (në teknologjinë kompjuterike) një nyje AVM, sinjali dalës i së cilës lidhet me sinjalin hyrës nga një marrëdhënie e caktuar jolineare. Pajisjet me varësi funksionale lineare janë...

Sukseset e arritura në zhvillimin dhe kërkimin e amplifikatorëve kuantikë dhe oshilatorëve në rrezen e radios shërbyen si bazë për zbatimin e propozimit për të përforcuar dhe gjeneruar dritë bazuar në emetimin e stimuluar dhe çuan në krijimin e oshilatorëve kuantikë në diapazonin optik. Gjeneratorët kuantikë optikë (OQG) ose lazerët janë të vetmet burime të fuqishme dritë monokromatike. Parimi i amplifikimit të dritës duke përdorur sisteme atomike u propozua për herë të parë në 1940 nga V.A. Prodhuesi. Sidoqoftë, justifikimi për mundësinë e krijimit të një gjeneratori kuantik optik u dha vetëm në 1958 nga C. Townes dhe A. Shavlov bazuar në arritjet në zhvillimin e pajisjeve kuantike në rrezen e radios. Gjeneratori i parë kuantik optik u realizua në I960 ishte një lazer me një kristal rubin si një substancë pune. Krijimi i përmbysjes së popullsisë në të u krye me metodën e pompimit me tre nivele, e përdorur zakonisht në amplifikatorët kuantikë paramagnetikë.

Aktualisht, janë zhvilluar shumë gjeneratorë kuantikë optikë të ndryshëm, të ndryshëm në substancat punuese (përdoren kristalet, gotat, plastika, lëngjet, gazrat, gjysmëpërçuesit) dhe metodat për krijimin e përmbysjes së popullsisë (pompimi optik, shkarkimi i gazrave, reaksionet kimike, etj.) .

krijohet një përmbysje popullatash dhe një sistem rezonant (Fig. 62). Si ky i fundit, rezonatorët e hapur të llojit të interferometrit Fabry-Perot përdoren në lazer, të formuar nga një sistem prej dy pasqyrash të vendosura në një distancë nga njëra-tjetra.

Substanca e punës rrit rrezatimin optik për shkak të emetimit të shkaktuar të grimcave aktive. Sistemi rezonant, duke shkaktuar kalimin e përsëritur të rrezatimit të induktuar optikisht përmes mediumit aktiv, përcakton ndërveprimin efektiv të fushës me të. Nëse e konsiderojmë një lazer si një sistem vetëlëkundës, atëherë rezonatori jep reagime pozitive si rezultat i kthimit të një pjese të rrezatimit që përhapet midis pasqyrave në mjedisin aktiv. Që të ndodhin lëkundjet, fuqia në lazer e marrë nga mediumi aktiv duhet të jetë e barabartë me ose të tejkalojë fuqinë e humbur në rezonator. Kjo është e barabartë me faktin se intensiteti i valës së gjenerimit pas kalimit nëpër mjedisin përforcues, reflektimi nga pasqyrat -/ dhe 2, kthimi në seksionin kryq origjinal duhet të mbetet i pandryshuar ose të kalojë vlerën fillestare.

Kur kalon nëpër mjedisin aktiv, intensiteti i valës 1^ ndryshon sipas ligjit eksponencial (duke shpërfillur ngopjen) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], dhe kur reflektohet nga pasqyra ndryshon në G nje here ( T - Koeficient. pasqyrimi i pasqyrës), prandaj kushti që të ndodhë gjenerimi mund të shkruhet si

Ku L - gjatësia e mediumit aktiv të punës; r 1 dhe r 2 - koeficientët e reflektimit të pasqyrave 1 dhe 2; a u është fitimi i mediumit aktiv; b 0 - konstante zbutjeje, duke marrë parasysh humbjet e energjisë në substancën punuese si rezultat i shpërndarjes nga johomogjenitetet dhe defektet.

I. Rezonatorët e gjeneratorëve kuantikë optikë

Sistemet rezonante lazer, siç u përmend, janë rezonatorë të hapur. Aktualisht, rezonatorët e hapur me pasqyra të sheshta dhe sferike janë më të përdorura. Një tipar karakteristik i rezonatorëve të hapur është se dimensionet e tyre gjeometrike janë shumë herë më të mëdha se gjatësia e valës. Ashtu si rezonatorët vëllimorë të hapur, ata kanë një grup të llojeve të tyre të lëkundjeve, të karakterizuara nga një shpërndarje e caktuar e fushës në ato dhe frekuencat e veta. Llojet natyrore të lëkundjeve të një rezonatori të hapur janë zgjidhje të ekuacioneve të fushës që plotësojnë Kushtet kufitare në pasqyra.

Ka disa metoda për llogaritjen e rezonatorëve të zgavrës që lejojnë që dikush të gjejë llojet e veta të dridhjeve. Një teori rigoroze dhe më e plotë e rezonatorëve të hapur jepet në veprat e L.A. Vaivestein.* Një metodë vizuale për llogaritjen e llojeve të lëkundjeve në rezonatorët e hapur u zhvillua në veprën e A. Fox dhe T. Lee.

Llogaritja e A. Fox dhe T. Lee bazohet në formulën e mëposhtme Kirchhoff, që është shprehje matematikore Parimi i Huygens, i cili ju lejon të gjeni fundin në pikën e vëzhgimit A nga një fushë e caktuar në një sipërfaqe Sb

ku Eb është fusha në pikën B në sipërfaqen S b; k- numri i valës; R - distanca midis pikave A Dhe NË; P - këndi midis vijës që lidh pikat A Dhe NË, dhe normale me sipërfaqen Sb

Me rritjen e numrit të kalimeve, shpejtësia e rrjedhës në pasqyra priret në një shpërndarje të palëvizshme, e cila mund të përfaqësohet si më poshtë:

Ku V(x ,у) - një funksion shpërndarjeje që varet nga koordinatat në sipërfaqen e pasqyrave dhe nuk ndryshon nga reflektimi në reflektim;

y është një konstante komplekse e pavarur nga koordinatat hapësinore.

Zëvendësimi i formulës (112) në shprehjen (III). marrim ekuacionin integral

Ka një zgjidhje vetëm për vlera të caktuara [Gamma] = [gama min.] thirrur eigenvlerat, Funksionet Vmn , duke përmbushur ekuacionin integral, karakterizojnë strukturën e fushës së llojeve të ndryshme të lëkundjeve të rezonatorit, të cilat quhen tërthore dridhjet dhe caktohen si vibrime të tipit TEMmn Simboli TEM tregon se ujërat brenda rezonatorit janë afër elektromagnetikës tërthore, d.m.th. duke mos pasur komponentë të fushës përgjatë drejtimit të përhapjes së valës. Indekset m dhe n tregojnë numrin e ndryshimeve në drejtimin e fushës përgjatë anëve të pasqyrës (për pasqyrat drejtkëndore) ose përgjatë këndit dhe përgjatë rrezes (për pasqyrat e rrumbullakëta). Figura 64 tregon konfigurimin e fushës elektrike për llojet më të thjeshta tërthore të lëkundjeve të rezonatorëve të hapur me pasqyra të rrumbullakëta. Llojet e brendshme të lëkundjeve të rezonatorëve të hapur karakterizohen jo vetëm nga shpërndarja tërthore e fushës, por edhe nga shpërndarja e saj përgjatë boshtit të rezonatorëve, e cila është valë në këmbë dhe ndryshon në numrin e gjysmëvalëve që përshtaten përgjatë gjatësisë së rezonatorit. Për të marrë parasysh këtë, një indeks i tretë futet në përcaktimin e llojeve të dridhjeve A, duke karakterizuar numrin e gjysmëvalëve që përshtaten përgjatë boshtit të rezonatorit.

Gjeneratorë kuantikë optikë në gjendje të ngurtë

Oscilatorët kuantikë optikë të gjendjes së ngurtë, ose lazerët në gjendje të ngurtë, përdorin kristale ose dielektrikë amorfë si medium aktiv të fitimit. Grimcat punuese, kalimet gjendjet energjetike të cilat përcaktojnë gjenerimin, si rregull, janë jonet e atomeve të grupeve në tranzicion tabelë periodike Mendeleev, Jonet më të përdorura janë Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+. Grimcat aktive përbëjnë fraksione ose njësi të përqindjes së numri i përgjithshëm atomet e mjedisit të punës, në mënyrë që ato të formojnë një "zgjidhje" me përqendrim të ulët dhe për këtë arsye ndërveprojnë pak me njëri-tjetrin. Nivelet e energjisë së përdorur janë nivelet e grimcave të punës, të ndara dhe të zgjeruara nga johomogjene të forta fushat e brendshme të ngurta. Kristalet e zmerilit (Al2O3) dhe granata ittrium-alumini përdoren më shpesh si bazë për mediumin e fitimit aktiv. YAG(Y3Al5O12), xham të markave të ndryshme etj.

Përmbysja e popullsisë në substancën e punës të lazerëve në gjendje të ngurtë krijohet me një metodë të ngjashme me atë të përdorur në amplifikatorët paramagnetikë. Ajo kryhet duke përdorur pompimin optik, d.m.th. ekspozimi i një lënde ndaj rrezatimit të dritës me intensitet të lartë.

Siç tregojnë studimet, shumica e mediave aktive ekzistuese të përdorura në lazerët në gjendje të ngurtë përshkruhen në mënyrë të kënaqshme nga dy energji kryesore të idealizuara skemat: tre dhe katër nivele (Fig. 71).

Le të shqyrtojmë fillimisht metodën e krijimit të përmbysjes së popullsisë në media të përshkruar nga një skemë me tre nivele (shih Fig. 71, a). Në gjendje normale popullohet vetëm niveli kryesor i poshtëm 1 (distanca e energjisë ndërmjet niveleve është dukshëm më e madhe se kT), pasi kalimet 1->2 dhe 1->3) i përkasin diapazonit optik. Kalimi ndërmjet niveleve 2 dhe 1 është operacional. Niveli 3 ndihmëse dhe përdoret për të krijuar një përmbysje të çiftit të punës të niveleve. Ai në fakt zë një gamë të gjerë vlerash të lejueshme të energjisë, për shkak të ndërveprimit të grimcave punuese me fushat intrakristalore.