Большая Советская Энциклопедия (КВ)
Шрифт:
Квантовый усилитель
Ква'нтовый усили'тель, устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов. Эффект усиления в К. у. связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов, движение которых описывается квантовой механикой. Поэтому, в отличие, например, от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов, движение которых хорошо описывается классической механикой, эти усилители получили название квантовых (см. Квантовая электроника).
Т. к. кроме вынужденных квантовых переходов возбуждённых атомов в состояние с меньшей энергией возможны их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате которых излучаются волны, имеющие случайные
В оптическом диапазоне К. у. широко используются как усилители мощности лазерного излучения. К. у. света имеют много общего по принципу действия и конструкции с квантовыми генераторами света (см. Лазер).
Вынужденный переход атома из состояния с энергией E2 в состояние с меньшей энергией E1 сопровождающийся испусканием кванта электромагнитной энергии E2– E1 = hn (n— частота вынуждающей и испускаемой волн, h — Планка постоянная), приводит к усилению колебаний. Усиление, создаваемое одним атомом, очень мало. Но если колебание частоты n распространяется в веществе, содержащем большое число одинаковых возбуждённых атомов, находящихся на уровне E2, то усиление может стать достаточно большим. Атомы же, находящиеся на нижнем уровне E1, в результате вынужденного поглощения, наоборот, ослабляют волну. В результате вещество будет ослаблять или усиливать волну в зависимости от того, каких атомов в ней больше, невозбуждённых или возбуждённых, или, как говорят, какой из уровней энергии более населён атомами.
Если вещество находится в состоянии равновесия термодинамического, то распределение частиц по уровням энергии определяется его температурой, причём уровень с меньшей энергией более населён, чем уровень с большей энергией (рис. 1; см. также Больцмана статистика). Такое вещество всегда поглощает электромагнитные волны. Вещество начинает усиливать — становится активным, лишь тогда, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых (инверсия населённостей). Чем больше число атомов на верхнем уровне превышает число атомов, находящихся на нижнем уровне, т. е. чем больше инверсная разность населённости DNи= N2 — N1, тем эффективней усиление.
Однако инверсное состояние вещества не может существовать сколь угодно долго. После прекращения внешнего воздействия в результате теплового движения частиц и взаимодействия между ними через некоторое время снова устанавливается равновесное распределение населённостей уровней (рис. 1). Этот процесс (релаксация) происходит и
Существуют различные методы создания активной среды. Для К. у. наиболее удобным оказался метод, основанный на использовании 3 уровней энергии, предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. Частицы (атомы молекулы или ионы), в энергетическом спектре которых есть 3 уровня энергии E1, E2, E3 (рис. 2), подвергаются воздействию сильного электромагнитного излучения (накачки). Частота этого излучения n соответствует частоте перехода между нижним E1 и верхним E3 уровнями (hn = E3– E1).
Интенсивность накачки должна быть достаточно велика, чтобы переходы E1 ® E3 происходили гораздо чаще, чем обратные релаксационные переходы. В этом случае населённости уровней E1 и E3 выравниваются. При этом для одной из пар уровней E1 и E2 или E2 и E3 будет иметь место инверсия населённости. Инверсия населённостей образуется для пары уровней с более медленной релаксацией и с меньшей разностью энергии.
С понижением температуры Т увеличивается как равновесная разность населённостей DN уровней (рис. 1), так и инверсная разность населённостей DNи (рис. 2). Кроме того, понижение температуры сильно замедляет релаксацию и тем самым снижает требуемую мощность накачки. Поэтому инверсию населённостей, достаточную для создания эффективных К. у. радиодиапазона, удаётся получить при охлаждении вещества до температуры кипения гелия (4,2 К). Существуют конструкции К. у., которые могут работать при температурах до 77 К (точка кипения азота) и даже 190 К, но они менее эффективны.
Наиболее подходящим материалом для К. у. радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяются рубин (Al2O3 с примесью ионов хрома Cr3+), рутил (TiO2 с примесью ионов Cr3+ и Fe3+), изумруд [Be3Al2(SiO3) 6 с примесью окиси хрома Cr2O3]. Для К. у. необходимы кристаллы объёмом в несколько см3, выращенные искусственно из очень чистых материалов со строго дозированной примесью парамагнитных ионов.
В отсутствии внешних магнитных полей магнитные моменты ионов ориентированы хаотически. В постоянном магнитном поле магнитный момент может располагаться только под несколькими определёнными углами к магнитному полю H, энергия иона в этих положениях различна (см. Зеемана эффект).
Образуется ряд уровней энергии (магнитные подуровни), расстояние между которыми зависит от величины постоянного магнитного поля H. Число магнитных подуровней определяется спином иона (рис. 3). Разность энергии между ними при обычных магнитных полях соответствует радиодиапазону и может быть легко изменена изменением магнитного поля. Такое вещество может усиливать радиоволны нужной частоты.