Co to jest generator kwantowy? Zajęcia: generatory kwantowe

ELEKTRONY - GAZ KWANTOWY W historii badań kryształów na początku naszego stulecia był okres, kiedy m.in. problematyka „elektronów w metalu” była bardzo tajemnicza, intrygująca i wydawała się ślepą uliczką. Oceńcie sami. Eksperymentatorzy badający właściwości elektryczne

Generator kwantowy

Optyczny generator kwantowy

Sukcesy osiągnięte w rozwoju i badaniach wzmacniaczy i oscylatorów kwantowych w zakresie radiowym posłużyły jako podstawa do wdrożenia propozycji wzmacniania i generowania światła w oparciu o emisję wymuszoną i doprowadziły do ​​powstania oscylatorów kwantowych w zakresie optycznym. Optyczne oscylatory kwantowe (OQO) lub lasery to jedyne źródła silnego światła monochromatycznego. Zasada wzmacniania światła za pomocą układów atomowych została po raz pierwszy zaproponowana w 1940 r. przez V.A. Producent. Jednakże uzasadnienie możliwości stworzenia optycznego generatora kwantowego podali dopiero w 1958 roku C. Townes i A. Shavlov w oparciu o osiągnięcia w rozwoju urządzeń kwantowych w zakresie radiowym. Pierwszy optyczny generator kwantowy powstał w 1960 roku. Był to laser, którego substancją roboczą był kryształ rubinu. Tworzenie w nim inwersji obsadzeń przeprowadzono metodą trójpoziomowego pompowania, stosowaną zwykle w paramagnetycznych wzmacniaczach kwantowych.

Obecnie opracowano wiele różnych optycznych generatorów kwantowych, różniących się substancją roboczą (stosuje się kryształy, szkła, tworzywa sztuczne, ciecze, gazy, półprzewodniki) i sposobami tworzenia inwersji obsadzeń (pompowanie optyczne, wyładowanie w gazach, reakcje chemiczne itp.). . ).

następuje inwersja populacji i powstaje układ rezonansowy (ryc. 62). Jako te ostatnie w laserach stosowane są otwarte rezonatory typu interferometru Fabry’ego-Perota, utworzone przez układ dwóch oddalonych od siebie zwierciadeł.

Substancja robocza wzmacnia promieniowanie optyczne poprzez indukowaną emisję cząstek aktywnych. Układ rezonansowy, powodując wielokrotne przejście powstałego promieniowania indukowanego optycznie przez ośrodek aktywny, warunkuje efektywne oddziaływanie pola z nim. Jeśli uznamy laser za układ samooscylujący, to rezonator zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne w wyniku powrotu części promieniowania rozchodzącego się pomiędzy zwierciadłami do ośrodka aktywnego. Aby wystąpiły oscylacje, moc lasera otrzymana z ośrodka aktywnego musi być równa lub większa od mocy traconej w rezonatorze. Jest to równoznaczne z faktem, że natężenie fali generacji po przejściu przez ośrodek wzmacniający, odbiciu od zwierciadeł -/ i 2, powrocie do pierwotnego przekroju musi pozostać niezmienione lub przekraczać wartość początkową.

Podczas przechodzenia przez ośrodek aktywny intensywność fali 1^ zmienia się zgodnie z prawem wykładniczym (pomijając nasycenie) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], a po odbiciu od lustra zmienia się G raz ( T - współczynnik. odbicie lustrzane), dlatego warunek zajścia generacji można zapisać jako

Gdzie L - długość roboczego ośrodka aktywnego; R 1 i r 2 - współczynniki odbicia zwierciadeł 1 i 2; a u jest wzmocnieniem ośrodka aktywnego; b 0 - stała tłumienia, uwzględniająca straty energii w substancji roboczej w wyniku rozpraszania przez niejednorodności i defekty.

I. Rezonatory optycznych generatorów kwantowych

Jak zauważono, rezonansowe systemy laserowe są rezonatorami otwartymi. Obecnie najczęściej stosowane są rezonatory otwarte ze zwierciadłami płaskimi i sferycznymi. Cechą charakterystyczną rezonatorów otwartych jest to, że ich wymiary geometryczne są wielokrotnie większe od długości fali. Podobnie jak wolumetryczne rezonatory otwarte, mają zestaw własnych typów oscylacji, charakteryzujących się pewnym rozkładem pola w oni i własne częstotliwości. Naturalne typy oscylacji otwartego rezonatora są rozwiązaniami równań pola, które spełniają warunki brzegowe na zwierciadłach.

Istnieje kilka metod obliczania rezonatorów wnękowych, które pozwalają znaleźć własne typy drgań. Rygorystyczną i najpełniejszą teorię otwartych rezonatorów podano w pracach L.A. Vaivesteina.* Wizualną metodę obliczania rodzajów oscylacji w otwartych rezonatorach opracowano w pracach A. Foxa i T. Lee.

Obliczenia A. Foxa i T. Lee opierają się na poniższym wzorze Kirchhoffa, będącym matematycznym wyrazem zasady Huygensa, która pozwala znaleźć dno w punkcie obserwacji A przez dane pole na jakiejś powierzchni Sb

gdzie Eb jest polem w punkcie B na powierzchni S B; k- liczba falowa; R - odległość między punktami A I W; Q - kąt między linią łączącą te punkty A I W, i normalna do powierzchni Sb

Wraz ze wzrostem liczby przejść natężenie przepływu w zwierciadłach ma tendencję do rozkładu stacjonarnego, który można przedstawić w następujący sposób:

Gdzie V(x , у) - funkcja rozkładu, która zależy od współrzędnych na powierzchni zwierciadeł i nie zmienia się od odbicia do odbicia;

y jest stałą zespoloną niezależną od współrzędnych przestrzennych.

Podstawienie wzoru (112) do wyrażenia (III). otrzymujemy równanie całkowe

Ma rozwiązanie tylko dla pewnych wartości [Gamma] = [gamma min.] tzw wartości własne, Funkcje Vmn , spełniając równanie całkowe, charakteryzują strukturę pola różnych typów oscylacji rezonatora, które nazywane są poprzeczny drgania i są określane jako drgania danego typu TEMmn Symbol TEMP wskazuje, że wody wewnątrz rezonatora mają charakter zbliżony do poprzecznego elektromagnetycznego, tj. nie posiadające składowych pola wzdłuż kierunku propagacji fali. Indeksy M n oznaczają liczbę zmian kierunku pola wzdłuż boków zwierciadła (w przypadku zwierciadeł prostokątnych) lub wzdłuż kąta i wzdłuż promienia (w przypadku zwierciadeł okrągłych). Rysunek 64 przedstawia konfigurację pola elektrycznego dla najprostszych typów oscylacji poprzecznych otwartych rezonatorów z okrągłymi zwierciadłami. Wewnętrzne typy oscylacji otwartych rezonatorów charakteryzują się nie tylko poprzecznym rozkładem pola, ale także jego rozkładem wzdłuż osi rezonatorów, który jest falą stojącą i różni się liczbą półfali pasujących wzdłuż długość rezonatora. Aby to uwzględnić, do oznaczania rodzajów drgań wprowadza się trzeci wskaźnik A, charakteryzujący liczbę półfal pasujących wzdłuż osi rezonatora.

Półprzewodnikowe optyczne generatory kwantowe

Półprzewodnikowe optyczne oscylatory kwantowe lub lasery na ciele stałym wykorzystują kryształy lub amorficzne dielektryki jako aktywne medium wzmacniające. Cząstki robocze, których przejścia między stanami energetycznymi determinują powstawanie, to z reguły jony atomów grup przejściowych układu okresowego. Najczęściej są to jony Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ używany. Cząsteczki aktywne stanowią ułamki lub jednostki procentowe całkowitej liczby atomów ośrodka roboczego, dlatego wydaje się, że tworzą „roztwór” o słabym stężeniu i dlatego w niewielkim stopniu oddziałują ze sobą. Stosowane poziomy energii to poziomy cząstek roboczych, rozdzielone i poszerzone przez silne, niejednorodne pola wewnętrzne materii stałej. Jako bazę aktywnego ośrodka wzmacniającego najczęściej wykorzystuje się kryształy korundu (Al2O3) i granatu itrowo-glinowego. YAG(Y3Al5O12), różne marki szkła itp.

Inwersja obsadzeń w substancji roboczej laserów na ciele stałym powstaje metodą podobną do tej stosowanej we wzmacniaczach paramagnetycznych. Odbywa się to metodą pompowania optycznego, czyli tzw. narażenie substancji na promieniowanie świetlne o dużym natężeniu.

Jak pokazują badania, większość obecnie istniejących ośrodków aktywnych stosowanych w laserach na ciele stałym jest w zadowalający sposób opisana przez dwa główne wyidealizowane źródła energii schematy: trzy- i czteropoziomowe (ryc. 71).

Rozważmy najpierw metodę tworzenia inwersji populacji w mediach opisaną schematem trójpoziomowym (patrz ryc. 71, a). W stanie normalnym zapełniony jest tylko dolny poziom główny 1 (odległość energetyczna między poziomami jest znacznie większa niż kT), gdyż przejścia 1->2 i 1->3) należą do zakresu optycznego. Przejście pomiędzy poziomami 2 i 1 działa. Poziom 3 pomocniczy i służy do tworzenia inwersji roboczej pary poziomów. W rzeczywistości zajmuje szeroki zakres dopuszczalnych wartości energii, ze względu na oddziaływanie cząstek roboczych z polami wewnątrzkrystalicznymi.

Śl

W zależności od tego, jaką długość fali emituje generator kwantowy, można go nazwać inaczej:

laser (zakres optyczny);

maser (zasięg mikrofal);

razer (zakres rentgenowski);

gazer (zakres gamma).

Śl

W rzeczywistości działanie tych urządzeń opiera się na wykorzystaniu postulatów Bohra:

Atom i układy atomowe mogą przez długi czas przebywać jedynie w specjalnych stanach stacjonarnych lub kwantowych, z których każdy ma określoną energię. W stanie stacjonarnym atom nie emituje fal elektromagnetycznych.

Emisja światła ma miejsce, gdy elektron przechodzi ze stanu stacjonarnego o wyższej energii do stanu stacjonarnego o niższej energii. Energia wyemitowanego fotonu jest równa różnicy energii pomiędzy stanami stacjonarnymi.

Najpopularniejsze są dziś lasery, czyli optyczne generatory kwantowe. Oprócz zabawek dla dzieci stały się one powszechne w medycynie, fizyce, chemii, technologii komputerowej i innych gałęziach przemysłu. Lasery stały się „gotowym rozwiązaniem” wielu problemów.

Przyjrzyjmy się bliżej zasadzie działania lasera.

DC4-14

Laser - optyczny generator kwantowy, który tworzy potężną, wąsko skierowaną, spójną, monochromatyczną wiązkę światła. (slajdy 1, 2)

( 1. Emisja spontaniczna i wymuszona.

Jeżeli elektron znajduje się na niższym poziomie, wówczas atom zaabsorbuje padający foton, a elektron przesunie się z poziomu E 1 do poziomu E 2 . Stan ten jest niestabilny, elektronspontanicznie przejdzie na poziom E 1 z emisją fotonów. Emisja spontaniczna zachodzi spontanicznie, dlatego atom będzie emitował światło niekonsekwentnie, chaotycznie, dlatego fale świetlne nie są ze sobą zgodne ani w fazie, ani w polaryzacji, ani w kierunku. To jest naturalne światło.

Możliwa jest jednak także emisja indukowana (wymuszona). Jeśli elektron znajduje się na górnym poziomie E 2 (atom w stanie wzbudzonym), wówczas w momencie opadania fotonu może nastąpić wymuszone przejście elektronu na niższy poziom poprzez emisję drugiego fotonu.

Śl

Nazywa się promieniowanie podczas przejścia elektronu w atomie z wyższego poziomu energetycznego na niższy z emisją fotonu pod wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego (foton padający).wymuszone lub wywołane .

Właściwości emisji wymuszonej:

identyczna częstotliwość i faza fotonów pierwotnych i wtórnych;

ten sam kierunek propagacji;

ta sama polaryzacja.

W rezultacie emisja wymuszona wytwarza dwa identyczne fotony bliźniacze.

Śl

2. Wykorzystanie mediów aktywnych.

Stan skupienia ośrodka, w którym mniej niż połowa atomów znajduje się w stanie wzbudzonym, nazywa się stanem skupieniastan z normalną populacją poziomów energii . Jest to normalny stan środowiska.

Śl

Środowisko, w którym więcej niż połowa atomów znajduje się w stanie wzbudzonym, nazywa się środowiskiemośrodek aktywny z odwrotną populacją poziomów energii . (slajd 9)

W ośrodku o odwrotnej populacji poziomów energii fala świetlna ulega wzmocnieniu. To jest aktywne środowisko.

Intensyfikację światła można porównać do narastania lawiny.

Śl

Aby uzyskać medium aktywne, stosuje się system trójstopniowy.

Na poziomie trzecim układ żyje bardzo krótko, po czym samoistnie przechodzi w stan E 2 bez emisji fotonu. Przejście ze stanu2 w stanie 1 towarzyszy temu emisja fotonu, stosowana w laserach.

Proces przejścia ośrodka do stanu odwrotnego nazywa sięnapompowany . Najczęściej wykorzystuje się do tego naświetlanie światłem (pompowanie optyczne), wyładowanie elektryczne, prąd elektryczny i reakcje chemiczne. Na przykład po mignięciu mocnej lampy system przechodzi w stan3 , po krótkim czasie przebywania w państwie2 , w którym żyje stosunkowo długo. To powoduje przeludnienie na poziomie2 .

Śl

3. Pozytywne opinie.

Aby przejść z trybu wzmacniania światła do trybu generacji w laserze, wykorzystuje się sprzężenie zwrotne.

Sprzężenie zwrotne odbywa się za pomocą rezonatora optycznego, którym zwykle jest para równoległych zwierciadeł. (slajd 11)

W wyniku jednego ze spontanicznych przejść z poziomu wyższego na niższy pojawia się foton. Foton zbliżając się do jednego z luster powoduje lawinę fotonów. Po odbiciu od lustra lawina fotonów przemieszcza się w przeciwnym kierunku, powodując jednocześnie, że coraz więcej atomów emituje fotony. Proces będzie trwał tak długo, jak długo będzie istniałodwrotna populacja poziom

Odwrotna populacja poziomy energetyczne - stan nierównowagowy środowiska, w którym liczba cząstek (atomów, cząsteczek) znajdujących się na wyższych poziomach energetycznych, czyli w stanie wzbudzonym, jest większa od liczby cząstek znajdujących się na niższych poziomach energetycznych. .

Aktywny element

pompowanie

pompowanie

Rezonator optyczny

Strumienie światła poruszające się w kierunkach bocznych szybko opuszczają element aktywny, nie mając czasu na uzyskanie znacznej energii. Fala świetlna rozchodząca się wzdłuż osi rezonatora jest wielokrotnie wzmacniana. Spód lusterek jest półprzezroczysty, z którego fala laserowa wychodzi do otoczenia.

Śl

4. Laser rubinowy .

Główną częścią lasera rubinowego jestrubinowy pręt. Rubin składa się z atomówGlin I Oz domieszką atomówKr. To atomy chromu nadają rubinowi kolor i mają stan metastabilny.

Śl

Rura lampy wyładowczej, tzw lampka pompy . Lampka miga krótko i następuje pompowanie.

Laser rubinowy działa w trybie impulsowym. Istnieją inne rodzaje laserów: gazowe, półprzewodnikowe... Mogą pracować w trybie ciągłym.

Śl

5. Właściwości promieniowania laserowego :

najpotężniejsze źródło światła;

P Słońca = 10 4 W/cm 2 , P lasera = 10 14 W/cm 2 .

wyjątkowa monochromatyczność (fale monochromatyczne – przestrzennie nieograniczone fale o jednej określonej i ściśle stałej częstotliwości) ;

daje bardzo mały stopień rozbieżności kątowej;

spójność ( te. skoordynowane występowanie w czasie i przestrzeni kilku procesów oscylacyjnych lub falowych) .

DC3

Do pracy laserowej

wymagany jest system pompowania. Oznacza to, że damy atomowi lub układowi atomowemu trochę energii, a następnie zgodnie z drugim postulatem Bohra atom przeniesie się na wyższy poziom z większą energią. Kolejnym zadaniem jest przywrócenie atomu do poprzedniego poziomu, podczas gdy ten emituje fotony jako energię.

Przy wystarczającej mocy lampy większość jonów chromu przechodzi w stan wzbudzony.

Proces przekazywania energii ciału roboczemu lasera w celu przekształcenia atomów w stan wzbudzony nazywa się pompowaniem.

Wyemitowany foton w tym przypadku może spowodować emisję wymuszoną dodatkowych fotonów, co z kolei spowoduje emisję wymuszoną)

DC15

Fizyczną podstawą działania lasera jest zjawisko. Istota zjawiska polega na tym, że wzbudzony foton jest w stanie emitować pod wpływem innego fotonu bez jego absorpcji, jeśli ten ostatni jest równy różnicy energii

Maser emituje kuchenka mikrofalowa, rozmiar – prześwietlenie i gazownik – promieniowanie gamma.

DC16

Masera - emitowanie generatora kwantowego

spójne fale elektromagnetyczne w zakresie centymetrowym (mikrofale).

Masery znajdują zastosowanie w technologii (w szczególności w komunikacji kosmicznej), w badaniach fizycznych, a także jako generatory kwantowe o standardowej częstotliwości.

Śl

Raczej (laser rentgenowski) - źródło spójnego promieniowania elektromagnetycznego w zakresie rentgenowskim, oparte na efekcie emisji wymuszonej. Jest to krótkofalowy odpowiednik lasera.

Śl

Zastosowania spójnego promieniowania rentgenowskiego obejmują badania w gęstej plazmie, mikroskopię rentgenowską, obrazowanie medyczne z rozdzielczością fazową, badanie powierzchni materiałów i broń. Laser miękkiego promieniowania rentgenowskiego może służyć jako laser napędowy.

Śl

Prace na polu gazowniczym trwają, gdyż nie stworzono efektywnego układu pompowego.

Lasery są wykorzystywane w całej gamie gałęzi przemysłu :

6. Zastosowanie laserów : (slajd 16)

w radioastronomii do wyznaczania odległości do ciał Układu Słonecznego z maksymalną dokładnością (lokalizator światła);

obróbka metali (cięcie, spawanie, topienie, wiercenie);

w chirurgii zamiast skalpela (na przykład w okulistyce);

do uzyskiwania obrazów trójwymiarowych (holografia);

komunikacja (zwłaszcza w kosmosie);

rejestrowanie i przechowywanie informacji;

w reakcjach chemicznych;

do przeprowadzania reakcji termojądrowych w reaktorze jądrowym;

broń nuklearna.

Śl

Tym samym generatory kwantowe na dobre wkroczyły w codzienne życie ludzkości, umożliwiając rozwiązanie wielu palących wówczas problemów.

Generator kwantowy

Generator kwantowy- ogólna nazwa źródeł promieniowania elektromagnetycznego działających w oparciu o wymuszoną emisję atomów i cząsteczek. W zależności od tego, jaką długość fali emituje generator kwantowy, można go różnie nazwać: laserem, maserem, brzytwą, gazerem.

Historia stworzenia

Generator kwantowy opiera się na zasadzie emisji wymuszonej zaproponowanej przez A. Einsteina: gdy układ kwantowy jest wzbudzony i jednocześnie występuje promieniowanie o częstotliwości odpowiadającej przejściu kwantowemu, prawdopodobieństwo przeskoku układu do stanu niższy poziom energii wzrasta proporcjonalnie do gęstości już obecnych fotonów promieniowania. Na możliwość stworzenia na tej podstawie generatora kwantowego zwrócił uwagę radziecki fizyk V. A. Fabrikant pod koniec lat 40. XX wieku.

Literatura

Landsberg G.S. Podręcznik do fizyki elementarnej. Tom 3. Oscylacje i fale. Optyka. Fizyka atomowa i jądrowa. - 1985.

Herman J., Wilhelmi B. „Lasery do generowania ultrakrótkich impulsów świetlnych” – 1986.

Fundacja Wikimedia. 2010.

• Notker Jąka
• Resynteza

Zobacz, co oznacza „Generator kwantowy” w innych słownikach:

GENERATOR KWANTOWY- generator elektryczny mag. fale, w których wykorzystuje się zjawisko emisji wymuszonej (patrz ELEKTRONIKA QUANTUM). K. g. zasięg radiowy, a także wzmacniacz kwantowy, tzw. maser. Pierwszy K. g. powstał w zakresie mikrofal w 1955 roku. Zawarte w nim medium aktywne... Encyklopedia fizyczna

GENERATOR KWANTOWY- źródło spójnego promieniowania elektromagnetycznego, którego działanie opiera się na wymuszonej emisji fotonów przez atomy, jony i cząsteczki. Generatory kwantowe w zakresie radiowym nazywane są maserami, generatorami kwantowymi w zakresie optycznym... ... Wielki słownik encyklopedyczny

generator kwantowy- Źródło promieniowania spójnego oparte na wykorzystaniu emisji wymuszonej i sprzężenia zwrotnego. Uwaga Generatory kwantowe dzielą się ze względu na rodzaj substancji czynnej, metodę wzbudzenia i inne cechy, na przykład wiązkę, gaz... Przewodnik tłumacza technicznego

GENERATOR KWANTOWY- źródło monochromatycznego spójnego promieniowania elektromagnetycznego (zakres optyczny lub radiowy), działające w oparciu o wymuszoną emisję wzbudzonych atomów, cząsteczek, jonów. Gazy krystaliczne... Wielka encyklopedia politechniczna

generator kwantowy- urządzenie do wytwarzania spójnego promieniowania elektromagnetycznego. Spójność to skoordynowane występowanie w czasie i przestrzeni kilku procesów oscylacyjnych lub falowych, które objawia się na przykład podczas ich dodawania. w przypadku zakłóceń... Encyklopedia technologii

generator kwantowy- źródło spójnego promieniowania elektromagnetycznego, którego działanie opiera się na wymuszonej emisji fotonów przez atomy, jony i cząsteczki. Generatory kwantowe w zakresie radiowym nazywane są maserami, generatorami kwantowymi w zakresie optycznym… ... słownik encyklopedyczny

generator kwantowy- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: pol. kwantowy... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

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

Generator kwantowy- generator fal elektromagnetycznych wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej (patrz: Emisja wymuszona) (patrz: Elektronika kwantowa). K. g. zakres radiowy ultrawysokich częstotliwości (kuchenka mikrofalowa), a także wzmacniacz Quantum tego ... ... Wielka encyklopedia radziecka

GENERATOR KWANTOWY- źródło elektromagnetycznego promieniowania spójnego (o zasięgu optycznym lub radiowym), które wykorzystuje zjawisko promieniowania indukowanego wzbudzonych atomów, cząsteczek, jonów itp. Jako pierwiastek roboczy dwutlenku węgla wykorzystywane są gazy, ciecze, ciała stałe.... . Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Urządzenia do odbioru i przetwarzania sygnałów
Zajęcia na dany temat
« Generatory kwantowe »

Zakończony:
Pieriedelski Oleg
Grupa I471
Sprawdzony:
Tarasow A.I.

Sankt Petersburg
2010

1. Wstęp
W artykule omówiono zasadę działania generatorów kwantowych, obwody generatorów, cechy ich konstrukcji, zagadnienia stabilności częstotliwościowej generatorów oraz zasady modulacji w generatorach kwantowych.
1.1 Informacje ogólne
Zasada działania generatorów kwantowych opiera się na oddziaływaniu pola o wysokiej częstotliwości z atomami lub cząsteczkami materii. Umożliwiają generowanie oscylacji o znacznie wyższej częstotliwości i dużej stabilności.
Za pomocą generatorów kwantowych możliwe jest tworzenie wzorców częstotliwości, które pod względem dokładności przekraczają wszystkie istniejące standardy. Długoterminowa stabilność częstotliwości, tj. Stabilność w długim okresie szacuje się na 10 -9 – 10 -10, a stabilność krótkoterminowa (minuty) może osiągnąć 10 -11.

Obecnie w Obecnie oscylatory kwantowe są szeroko stosowane jako standardy częstotliwości w systemach usług czasu. Wzmacniacze kwantowe stosowane w urządzeniach odbiorczych różnych systemów radiowych mogą znacznie zwiększyć czułość sprzętu i zmniejszyć poziom szumu wewnętrznego.
Jedną z cech generatorów kwantowych, która decyduje o ich szybkim doskonaleniu, jest ich zdolność do efektywnej pracy przy bardzo wysokich częstotliwościach, w tym w zakresie optycznym, czyli prawie do częstotliwości rzędu 10 9 MHz
Generatory zakresu optycznego pozwalają na uzyskanie dużej kierunkowości promieniowania i dużej gęstości energii w wiązce światła (ok. 10 12 -10 13 W/M 2 ) oraz ogromny zakres częstotliwości, pozwalający na przesłanie dużej ilości informacji.
Zastosowanie generatorów zasięgu optycznego w systemach łączności, lokalizacji i nawigacji otwiera nowe perspektywy znacznego zwiększenia zasięgu i niezawodności łączności, rozdzielczości systemów radarowych w zakresie i kącie, a także perspektywy tworzenia precyzyjnych systemów nawigacji.
Generatory zakresu optycznego są wykorzystywane w badaniach naukowych
badania i przemysł. Niezwykle wysoka koncentracja energii w wąskiej wiązce umożliwia np. wypalanie otworów o bardzo małych średnicach w supertwardych stopach i minerałach, w tym w najtwardszym minerale, jakim jest diament.
Zwykle wyróżnia się generatory kwantowe:

ze względu na charakter substancji czynnej (stała lub gazowa), zjawiska kwantowe, w których determinują działanie urządzeń.
według zakresu częstotliwości roboczej (zakres centymetrowy i milimetrowy, zasięg optyczny – podczerwień i widzialne części widma)
metodą wzbudzenia substancji czynnej lub rozdziału cząsteczek według poziomów energii.

1.2 Historia stworzenia
Historia powstania masera powinna rozpocząć się w 1917 roku, kiedy Albert Einstein po raz pierwszy wprowadził koncepcję emisji wymuszonej. To był pierwszy krok w stronę lasera. Następny krok zrobił radziecki fizyk V.A. Fabrikanta, który w 1939 roku wskazał na możliwość wykorzystania emisji wymuszonej do wzmocnienia promieniowania elektromagnetycznego przechodzącego przez materię. Idea wyrażona przez V.A. Fabrikant zakładał zastosowanie mikrosystemów z odwrotnym zapełnieniem poziomów. Później, po zakończeniu Wielkiej Wojny Ojczyźnianej, V.A. Fabrikant powrócił do tego pomysłu i na podstawie swoich badań złożył w 1951 r. (wraz z M.M. Vudynskim i F.A. Butaevą) wniosek o wynalezienie metody wzmacniania promieniowania za pomocą emisji wymuszonej. Dla niniejszego zgłoszenia wydano certyfikat, w którym w tytule „Przedmiot wynalazku” napisano: „Sposób wzmacniania promieniowania elektromagnetycznego (długości fali ultrafioletowej, widzialnej, podczerwonej i radiowej), znamienny tym, że wzmocnione promieniowanie jest przechodzą przez ośrodek, w którym za pomocą promieniowania pomocniczego lub w inny sposób tworzą nadmierne stężenie atomów, innych cząstek lub ich układów na wyższych poziomach energetycznych odpowiadających stanom wzbudzonym w porównaniu do stanu równowagowego.
Początkowo tę metodę wzmacniania promieniowania stosowano w zakresie radiowym, a dokładniej w zakresie ultrawysokich częstotliwości (zakres mikrofal). W maju 1952 r. Na Ogólnounijnej Konferencji na temat Spektroskopii Radiowej radzieccy fizycy (obecnie akademicy) N.G. Basov i A.M. Prochorow sporządził raport na temat podstawowej możliwości stworzenia wzmacniacza promieniowania w zakresie mikrofal. Nazwali go „generatorem molekularnym” (miał wykorzystywać wiązkę cząsteczek amoniaku). Niemal jednocześnie propozycję wykorzystania emisji wymuszonej do wzmacniania i generowania fal milimetrowych wysunął na Uniwersytecie Columbia w USA amerykański fizyk Charles Townes. W 1954 roku oscylator molekularny, wkrótce nazwany maserem, stał się rzeczywistością. Został opracowany i stworzony niezależnie i jednocześnie w dwóch miejscach na świecie - w Instytucie Fizyki P.N. Lebedev Academy of Sciences w ZSRR (grupa kierowana przez N.G. Basova i A.M. Prochorowa) oraz na Uniwersytecie Columbia w USA (grupa kierowana przez C. Townesa). Następnie termin „laser” powstał od terminu „maser” w wyniku zastąpienia litery „M” (początkowa litera słowa Mikrofala - kuchenka mikrofalowa) literą „L” (początkowa litera słowa Światło - światło). Działanie zarówno masera, jak i lasera opiera się na tej samej zasadzie – zasadzie sformułowanej w 1951 roku przez V.A. Producent. Pojawienie się masera oznaczało, że narodził się nowy kierunek w nauce i technologii. Początkowo nazywano ją radiofizyką kwantową, później zaczęto ją nazywać elektroniką kwantową.

2. Zasada działania generatorów kwantowych.

W generatorach kwantowych pod pewnymi warunkami obserwuje się bezpośrednią konwersję energii wewnętrznej atomów lub cząsteczek na energię promieniowania elektromagnetycznego. Ta transformacja energii następuje w wyniku przejść kwantowych - przejść energetycznych, którym towarzyszy uwolnienie kwantów (porcji) energii.
W przypadku braku wpływu zewnętrznego energia jest wymieniana między cząsteczkami (lub atomami) substancji. Niektóre cząsteczki emitują wibracje elektromagnetyczne, przechodząc z wyższego poziomu energii na niższy, inne natomiast je absorbują, dokonując odwrotnego przejścia. Ogólnie rzecz biorąc, w warunkach stacjonarnych układ składający się z ogromnej liczby cząsteczek znajduje się w równowadze dynamicznej, tj. W wyniku ciągłej wymiany energii ilość energii wyemitowanej jest równa ilości pochłoniętej.
Populacja poziomów energetycznych, tj. liczba atomów lub cząsteczek znajdujących się na różnych poziomach zależy od temperatury substancji. Populację poziomów N 1 i N 2 o energiach W 1 i W 2 wyznacza rozkład Boltzmanna:

(1)

Gdzie k– stała Boltzmanna;
T– temperatura bezwzględna substancji.

W stanie równowagi termicznej układy kwantowe mają mniej cząsteczek na wyższych poziomach energii, w związku z czym nie emitują, a jedynie absorbują energię pod wpływem zewnętrznego napromieniowania. W tym przypadku cząsteczki (lub atomy) przechodzą na wyższe poziomy energii.
W oscylatorach i wzmacniaczach molekularnych wykorzystujących przejścia pomiędzy poziomami energii konieczne jest oczywiście stworzenie sztucznych warunków, w których populacja na wyższym poziomie energetycznym będzie większa. W tym przypadku pod wpływem zewnętrznego pola o wysokiej częstotliwości o określonej częstotliwości, zbliżonej do częstotliwości przejścia kwantowego, można zaobserwować intensywne promieniowanie związane z przejściem z wysokiego na niski poziom energii. Takie promieniowanie wywołane przez pole zewnętrzne nazywa się promieniowaniem indukowanym.
Zewnętrzne pole wysokiej częstotliwości o częstotliwości podstawowej odpowiadającej częstotliwości przejścia kwantowego (częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością rezonansową) nie tylko powoduje intensywne promieniowanie wymuszone, ale także fazuje promieniowanie poszczególnych cząsteczek, co zapewnia dodanie wibracji i manifestację efektu wzmocnienia.
Stan przejścia kwantowego, w którym populacja wyższego poziomu przekracza populację dolnego poziomu przejścia, nazywa się odwróconym.
Istnieje kilka sposobów uzyskania dużej populacji wyższych poziomów energii (inwersja obsadzeń).
W substancjach gazowych, takich jak amoniak, możliwe jest rozdzielenie (posortowanie) cząsteczek na różne stany energetyczne za pomocą zewnętrznego stałego pola elektrycznego.
W ciałach stałych taki rozdział jest trudny, dlatego stosuje się różne metody wzbudzania cząsteczek, tj. metody redystrybucji cząsteczek na poziomach energetycznych poprzez napromienianie zewnętrznym polem o wysokiej częstotliwości.

Zmianę obsadzeń poziomów (inwersję obsadzeń poziomów) można wywołać poprzez naświetlanie impulsowe polem wysokiej częstotliwości o częstotliwości rezonansowej o wystarczającym natężeniu. Przy właściwym doborze czasu trwania impulsu (czas trwania impulsu powinien być znacznie krótszy od czasu relaksacji, czyli czasu do przywrócenia równowagi dynamicznej), po napromienianiu możliwe jest wzmocnienie na pewien czas zewnętrznego sygnału wysokiej częstotliwości.
Najwygodniejszą metodą wzbudzenia, obecnie powszechnie stosowaną w generatorach, jest metoda naświetlania zewnętrznym polem o wysokiej częstotliwości, które znacznie różni się częstotliwością od generowanych drgań, pod wpływem czego następuje niezbędna redystrybucja cząsteczek na poziomach energetycznych.
Działanie większości generatorów kwantowych opiera się na wykorzystaniu trzech lub czterech poziomów energii (choć w zasadzie można zastosować inną liczbę poziomów). Załóżmy, że generacja następuje w wyniku indukowanego przejścia z poziomu 3 na poziom 2 (patrz ryc. 1).
Aby substancja czynna wzmocniła się przy częstotliwości przejścia 3 -> 2, trzeba określić poziom populacji 3 powyżej poziomu populacji 2. Zadanie to realizuje pomocnicze pole wysokiej częstotliwości o częstotliwości ? vs który „wyrzuca” część cząsteczek z poziomu 1 na poziom 3. Inwersja obsadzeń jest możliwa przy określonych parametrach układu kwantowego i wystarczającej mocy promieniowania pomocniczego.
Generator wytwarzający pomocnicze pole wysokiej częstotliwości w celu zwiększenia populacji o wyższym poziomie energii nazywany jest pompą lub generatorem podświetlenia. Ostatni termin jest związany z generatorami oscylacji światła widzialnego i podczerwień widma, w których źródła światła są wykorzystywane do pompowania.
Zatem, aby generator kwantowy mógł efektywnie działać, należy dobrać substancję czynną posiadającą określony układ poziomów energii, pomiędzy którymi może nastąpić przejście energii, a także dobrać najwłaściwszą metodę wzbudzenia lub separacji molekuły na poziomy energetyczne.

Rysunek 1. Schemat przejść energetycznych
w generatorach kwantowych

3. Obwody generatorów kwantowych
Generatory i wzmacniacze kwantowe wyróżniają się rodzajem zastosowanej w nich substancji aktywnej. Obecnie opracowano głównie dwa typy urządzeń kwantowych, w których wykorzystuje się gazowe i stałe substancje aktywne
zdolne do intensywnego promieniowania indukowanego.

3.1 Generatory molekularne z separacją cząsteczek według poziomów energii.

Rozważmy najpierw generator kwantowy z gazową substancją czynną, w którym za pomocą prądu elektrycznego pól, następuje separacja (sortowanie) cząsteczek znajdujących się na wysokich i niskich poziomach energetycznych. Ten typ oscylatora kwantowego nazywany jest zwykle oscylatorem wiązki molekularnej.

Rysunek 2. Schemat generatora molekularnego wykorzystującego wiązkę amoniaku
1 – źródło amoniaku; 2- siatka; 3 – membrana; 4 – rezonator; 5 – urządzenie sortujące

W praktycznie wdrażanych generatorach molekularnych wykorzystuje się gazowy amoniak (wzór chemiczny NH 3), w którym bardzo wyraźne jest promieniowanie molekularne związane z przejściem pomiędzy różnymi poziomami energii. W zakresie ultrawysokich częstotliwości najbardziej intensywne promieniowanie obserwuje się podczas przejścia energii odpowiadającej częstotliwości F N= 23870 MHz ( ? N=1,26 cm). Uproszczony schemat generatora pracującego na amoniaku w stanie gazowym przedstawiono na rysunku 2.
Główne elementy urządzenia, zaznaczone liniami przerywanymi na rysunku 2, w niektórych przypadkach umieszczone są w specjalnym układzie chłodzonym ciekłym azotem, co zapewnia niską temperaturę substancji aktywnej oraz wszystkie elementy niezbędne do uzyskania niskiego poziomu hałasu i wysokiej stabilność częstotliwości generatora.
Cząsteczki amoniaku opuszczają zbiornik pod bardzo niskim ciśnieniem, mierzonym w milimetrach słupa rtęci.
Aby uzyskać wiązkę cząsteczek poruszającą się niemal równolegle w kierunku wzdłużnym, amoniak przepuszcza się przez membranę z dużą liczbą wąskich, skierowanych osiowo kanałów. Średnicę tych kanałów wybrano tak, aby była dość mała w porównaniu ze średnią swobodną drogą cząsteczek. Aby zmniejszyć prędkość ruchu cząsteczek, a tym samym zmniejszyć prawdopodobieństwo kolizji i spontanicznego, czyli nieindukowanego promieniowania prowadzącego do szumu fluktuacyjnego, membranę chłodzi się ciekłym helem lub azotem.
Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo zderzenia cząsteczek, można by podążać nie drogą spadku temperatury, ale drogą spadku ciśnienia, jednak zmniejszyłoby to liczbę cząsteczek w rezonatorze, które jednocześnie oddziałują z polem wysokiej częstotliwości to drugie, a moc wydzielana przez wzbudzone cząsteczki do pola wysokiej częstotliwości rezonatora zmniejszyłaby się.
Aby wykorzystać gaz jako substancję czynną w generatorze molekularnym, należy zwiększyć liczbę cząsteczek znajdujących się na wyższym poziomie energetycznym w stosunku do ich liczby określonej w równowadze dynamicznej w danej temperaturze.
W generatorze tego typu osiąga się to poprzez oddzielenie cząsteczek o niskim poziomie energii z wiązki molekularnej za pomocą tak zwanego kondensatora kwadrupolowego.
Kondensator kwadrupolowy składa się z czterech metalowych prętów podłużnych o specjalnym profilu (rysunek 3a), połączonych parami poprzez jeden z prostownikiem wysokiego napięcia, które mają ten sam potencjał, ale przemienny znak. Powstałe pole elektryczne takiego kondensatora na osi podłużnej generatora, ze względu na symetrię układu, jest równe zeru i osiąga swoją maksymalną wartość w przestrzeni pomiędzy sąsiednimi prętami (rysunek 3b).

Rysunek 3. Obwód kondensatora kwadrupolowego

Proces sortowania cząsteczek przebiega w następujący sposób. Ustalono, że cząsteczki znajdujące się w polu elektrycznym zmieniają swoją energię wewnętrzną wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego: energia wyższych poziomów wzrasta, a dolnych maleje (rysunek 4).

Rysunek 4. Zależność poziomów energii od natężenia pola elektrycznego:

górny poziom energii
niższy poziom energii

Zjawisko to nazywa się efektem Starka. Ze względu na efekt Starka cząsteczki amoniaku poruszając się w polu kondensatora kwadrupolowego, próbując zmniejszyć swoją energię, czyli uzyskać bardziej stabilny stan, oddzielają się: cząsteczki o wyższej energiipoziomy mają tendencję do opuszczania obszaru silnego pola elektrycznego, tj. przesuwają się w kierunku osi kondensatora, gdzie pole wynosi zero, a cząsteczki niższego poziomu przeciwnie, przemieszczają się w obszar silnego pola, tj. oddalają się od osi kondensatora, zbliżając się do płytek tego ostatniego. Dzięki temu wiązka molekularna jest nie tylko w dużym stopniu wolna od cząsteczek o niższym poziomie energetycznym, ale także dość dobrze skupiona.
Po przejściu przez urządzenie sortujące wiązka molekularna trafia do rezonatora dostrojonego do częstotliwości przejścia energii zastosowanej w generatorze F N= 23870 MHz .
Pole wysokiej częstotliwości rezonatora wnękowego powoduje wymuszoną emisję cząsteczek związaną z przejściem z wyższego poziomu energii na niższy. Jeżeli energia emitowana przez cząsteczki jest równa energii zużytej w rezonatorze i przeniesionej na obciążenie zewnętrzne, wówczas w układzie ustala się stacjonarny proces oscylacyjny, a rozważane urządzenie można wykorzystać jako generator oscylacji o stabilnej częstotliwości.

Proces ustalania oscylacji w generatorze przebiega w następujący sposób.
Cząsteczki wchodzące do rezonatora, znajdujące się przeważnie na wyższym poziomie energetycznym, spontanicznie (spontanicznie) dokonują przejścia na niższy poziom, emitując kwanty energii energii elektromagnetycznej i wzbudzając rezonator. Początkowo to wzbudzenie rezonatora jest bardzo słabe, ponieważ przejście energii cząsteczek jest losowe. Pole elektromagnetyczne rezonatora, działając na cząsteczki wiązki, powoduje indukowane przejścia, które z kolei zwiększają pole rezonatora. Zatem stopniowo wzrastające pole rezonatora będzie w coraz większym stopniu wpływać na wiązkę molekularną, a energia uwalniana podczas indukowanych przejść będzie wzmacniać pole rezonatora. Proces zwiększania intensywności oscylacji będzie trwał aż do wystąpienia nasycenia, w którym to momencie pole rezonatora będzie na tyle duże, że podczas przejścia cząsteczek przez rezonator będzie powodowało nie tylko indukowane przejścia z poziomu górnego do dolnego, ale częściowo odwracają także przejścia związane z absorpcją energii elektromagnetycznej. W tym przypadku moc wydzielana przez cząsteczki amoniaku już nie wzrasta i w związku z tym dalszy wzrost amplitudy drgań staje się niemożliwy. Ustanawia się tryb generacji stacjonarnej.
Dlatego nie jest to proste wzbudzenie rezonatora, ale układ samooscylacyjny, w tym sprzężenie zwrotne, które odbywa się poprzez pole wysokiej częstotliwości rezonatora. Promieniowanie cząsteczek przelatujących przez rezonator wzbudza pole o wysokiej częstotliwości, które z kolei decyduje o wymuszonej emisji cząsteczek, fazowaniu i spójności tego promieniowania.
W przypadkach, gdy nie są spełnione warunki samowzbudzenia (np. gęstość strumienia molekularnego przechodzącego przez rezonator jest niewystarczająca), urządzenie to może służyć jako wzmacniacz o bardzo niskim poziomie szumów wewnętrznych. Wzmocnienie takiego urządzenia można regulować poprzez zmianę gęstości strumienia molekularnego.
Rezonator wnękowy generatora molekularnego ma bardzo wysoki współczynnik jakości, mierzony w dziesiątkach tysięcy. Aby uzyskać tak wysoki współczynnik jakości, ścianki rezonatora są starannie obrabiane i posrebrzane. Otwory wejściowe i wyjściowe cząsteczek, które mają bardzo małą średnicę, służą jednocześnie jako filtry wysokiej częstotliwości. Są to krótkie falowody, których krytyczna długość fali jest mniejsza niż naturalna długość fali rezonatora, dlatego energia wysokiej częstotliwości rezonatora praktycznie przez nie nie ucieka.
Aby dostroić rezonator do częstotliwości przejściowej, ten ostatni wykorzystuje pewnego rodzaju element dostrajający. W najprostszym przypadku jest to śruba, której zanurzenie w rezonatorze nieznacznie zmienia częstotliwość tego ostatniego.
W przyszłości zostanie pokazane, że częstotliwość oscylatora molekularnego jest nieco „opóźniona”, gdy zmienia się częstotliwość strojenia rezonatora. Co prawda opóźnienie częstotliwości jest niewielkie i szacuje się je na wartości rzędu 10-11, ale nie można ich zaniedbać ze względu na wysokie wymagania stawiane generatorom molekularnym. Z tego powodu w wielu generatorach molekularnych jedynie membrana i układ sortujący chłodzone są ciekłym azotem (lub ciekłym powietrzem), a rezonator umieszcza się w termostacie, którego stałą temperaturę utrzymuje automatyczne urządzenie z dokładność ułamków stopnia. Rysunek 5 przedstawia schematycznie urządzenie tego typu generatora.
Moc generatorów molekularnych wykorzystujących amoniak zwykle nie przekracza 10 -7 W,
Dlatego w praktyce wykorzystuje się je głównie jako wysoce stabilne wzorce częstotliwości. Na podstawie tej wartości szacuje się stabilność częstotliwościową takiego generatora
10 -8 – 10 -10. W ciągu jednej sekundy generator zapewnia stabilność częstotliwości rzędu 10 -13.
Jedną z istotnych wad rozważanej konstrukcji generatora jest konieczność ciągłego pompowania i utrzymywania przepływu molekularnego.

Rysunek 5. Projekt generatora molekularnego
z automatyczną stabilizacją temperatury rezonatora:
1- źródło amoniaku; 2 – układ kapilarny; 3- ciekły azot; 4 – rezonator; 5 – układ kontroli temperatury wody; 6 – kondensator kwadrupolowy.

3.2 Generatory kwantowe z pompowaniem zewnętrznym

W rozważanym typie generatorów kwantowych jako substancje aktywne można zastosować zarówno ciała stałe, jak i gazy, w których wyraźnie wyraża się zdolność do energetycznych przejść atomów lub cząsteczek wzbudzonych zewnętrznym polem wysokiej częstotliwości. W zakresie optycznym do wzbudzenia (pompowania) substancji czynnej wykorzystuje się różne źródła promieniowania świetlnego.
Generatory zasięgu optycznego mają szereg pozytywnych cech i są szeroko stosowane w różnych systemach komunikacji radiowej, nawigacji itp.
Podobnie jak w generatorach kwantowych fal centymetrowych i milimetrowych, w laserach stosuje się zwykle układy trójpoziomowe, czyli substancje aktywne, w których następuje przejście pomiędzy trzema poziomami energii.
Należy jednak zwrócić uwagę na jedną cechę, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze substancji aktywnej do generatorów i wzmacniaczy zakresu optycznego.
Z relacji W 2 –W 1 =h? Wynika z tego, że wraz ze wzrostem częstotliwości roboczej? w oscylatorach i wzmacniaczach konieczne jest zastosowanie większej różnicy poziomów energii. Dla generatorów zakresu optycznego w przybliżeniu odpowiadającego zakresowi częstotliwości 2 10 7 -9 10 8 MHz(długość fali 15-0,33 mk), różnica poziomów energii W 2 –W 1 powinna być o 2-4 rzędy wielkości większa niż dla generatorów o zakresie centymetrowym.
Jako substancje aktywne w generatorach zakresu optycznego stosowane są zarówno ciała stałe, jak i gazy.
Sztuczny rubin jest szeroko stosowany jako stała substancja czynna - kryształy korundu (A1 2 O 3) z domieszką jonów chromu (Cr). Oprócz rubinu szkła aktywowane neodymem (Nd), kryształy wolframianu wapnia (CaWO 4) z domieszką jonów neodymu, kryształy fluorku wapnia (CaF 2) z domieszką jonów dysprozu (Dy) lub uranu i inne materiały są również szeroko stosowane.
Lasery gazowe zazwyczaj wykorzystują mieszaniny dwóch lub więcej gazów.

3.2.1 Generatory ze stałą substancją czynną

Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem generatorów zakresu optycznego są generatory, w których jako substancję czynną stosuje się rubin z domieszką chromu (0,05%). Rycina 6 przedstawia uproszczony schemat rozmieszczenia poziomów energii jonów chromu w rubinie. Pasma absorpcji, przy których konieczne jest pompowanie (wzbudzanie) odpowiadają zielonej i niebieskiej części widma (długość fali 5600 i 4100A). Zazwyczaj pompowanie odbywa się za pomocą wyładowczej lampy ksenonowej, której widmo emisji jest zbliżone do widma słońca. Jony chromu, pochłaniając fotony światła zielonego i niebieskiego, przechodzą z poziomu I na poziomy III i IV. Część wzbudzonych jonów z tych poziomów powraca do stanu podstawowego (do poziomu I), a większość z nich przechodzi bez emisji energii do metastabilnego poziomu P, zwiększając zaludnienie tego ostatniego. Jony chromu, które przeszły do ​​poziomu II, pozostają w tym stanie wzbudzonym przez długi czas. Dlatego na drugim poziomie
możliwe jest zgromadzenie większej liczby cząstek aktywnych niż na poziomie I. Gdy populacja poziomu II przekracza populację poziomu I, substancja ma zdolność wzmacniania oscylacji elektromagnetycznych przy częstotliwości przejścia II-I. Jeśli w rezonatorze umieści się substancję, możliwe staje się wygenerowanie spójnych, monochromatycznych drgań w czerwonej części widma widzialnego (? = 6943 A ). Rolę rezonatora w zakresie optycznym pełnią równoległe do siebie powierzchnie odbijające.

Rysunek 6. Poziomy energii jonów chromu w rubinie

pasma absorpcyjne przy pompowaniu optycznym
przejścia niepromieniste
poziom metastabilny

Rysunek 7. Oscylogramy wyjaśniające działanie lasera rubinowego:
a) moc źródła pompującego
b) populacja II poziomu
c) moc wyjściowa generatora

Oprócz rubinu w generatorach zakresu optycznego stosowane są inne substancje, na przykład kryształ wolframianu wapnia i szkło aktywowane neodymem.
Uproszczoną strukturę poziomów energetycznych jonów neodymu w krysztale wolframianu wapnia pokazano na rysunku 8.
Pod wpływem światła lampy pompującej jony z poziomu I przechodzą w stany wzbudzone wskazane na schemacie III. Następnie bez promieniowania przechodzą do poziomu P. Poziom II jest metastabilny i gromadzą się na nim wzbudzone jony. Spójne promieniowanie w zakresie podczerwieni z długością fali ?= 1,06 mk występuje, gdy jony przemieszczają się z poziomu II do poziomu IV. Jony dokonują przejścia z poziomu IV do stanu podstawowego bez promieniowania. Fakt, że występuje promieniowanie
podczas przejścia jonów do poziomu IV, który leży nad poziomem gruntu, znacznie
ułatwia wzbudzenie generatora. Populacja poziomu IV jest znacznie mniejsza niż poziomu P [wynika to ze wzoru 1] i tym samym, aby osiągnąć próg wzbudzenia do poziomu II, należy przenieść mniej jonów, a co za tym idzie, trzeba wydać mniej energii pompowania.

Rysunek 8. Uproszczona struktura poziomów jonów neodymu w wolframianie wapnia (CaWO 4 )

Szkło domieszkowane neodymem ma również podobny wykres poziomu energii. Lasery wykorzystujące szkło aktywowane emitują tę samą długość fali Δ = 1,06 mikrona.
Aktywne ciała stałe wykonywane są w postaci długich okrągłych (rzadziej prostokątnych) prętów, których końce są starannie wypolerowane i nakładane są na nie powłoki odblaskowe w postaci specjalnych wielowarstwowych folii dielektrycznych. Płasko-równoległe ścianki końcowe tworzą rezonator, w którym ustala się reżim wielokrotnego odbicia emitowanych oscylacji (zbliżony do reżimu fal stojących), co wzmacnia indukowane promieniowanie i zapewnia jego spójność. Rezonator może być również utworzony przez zwierciadła zewnętrzne.
Wielowarstwowe zwierciadła dielektryczne charakteryzują się niską absorpcją własną i umożliwiają uzyskanie najwyższego współczynnika jakości rezonatora. W porównaniu do zwierciadeł metalowych utworzonych z cienkiej warstwy srebra lub innego metalu, wielowarstwowe zwierciadła dielektryczne są znacznie trudniejsze w produkcji, ale mają znacznie lepszą trwałość. Lustra metalowe zawodzą po kilku błyskach i dlatego nie są stosowane w nowoczesnych modelach laserowych.
W pierwszych modelach laserowych jako źródło pompujące wykorzystywano spiralne pulsacyjne lampy ksenonowe. Wewnątrz lampy znajdował się pręt substancji czynnej.
Poważną wadą tej konstrukcji generatora jest niski stopień wykorzystania energii świetlnej źródła pompującego. Aby wyeliminować tę wadę, generatory wykorzystują skupianie energii świetlnej źródła pompującego za pomocą specjalnych soczewek lub reflektorów. Druga metoda jest prostsza. Odbłyśnik zwykle wykonany jest w formie eliptycznego cylindra.
Rysunek 9 pokazuje obwód oscylatora rubinowego. Lampa podświetlająca, działająca w trybie pulsacyjnym, umieszczona jest wewnątrz eliptycznego odbłyśnika, który skupia światło lampy na rubinowym pręcie. Lampa zasilana jest poprzez prostownik wysokiego napięcia. W przerwach pomiędzy impulsami energia źródła wysokiego napięcia gromadzona jest w kondensatorze o pojemności około 400 mkf. W momencie podania początkowego impulsu zapłonowego o napięciu 15 kV, usunięta z uzwojenia wtórnego transformatora podwyższającego, lampa zapala się i pali się dalej, aż do wyczerpania energii zgromadzonej w kondensatorze prostownika wysokiego napięcia.
Aby zwiększyć moc pompowania, wokół rubinowego pręta można zainstalować kilka lamp ksenonowych, których światło jest skupiane na rubinowym pręcie za pomocą reflektorów.
Dla pokazanego na ryc. 23.10 próg generatora energia pompowania, czyli energia, od której rozpoczyna się wytwarzanie, wynosi około 150 J. Z pojemnością wskazaną na schemacie Z = 400 mkf taka energia jest dostarczana przy napięciu źródła około 900 W.

Rysunek 9. Oscylator rubinowy z odbłyśnikiem eliptycznym do skupiania światła lampy pompującej:

reflektor
spirala zapłonowa
lampa ksenonowa
rubin

Ze względu na to, że widmo źródeł pompujących jest znacznie szersze niż użyteczne pasmo absorpcji kryształu, energia źródła pompującego jest wykorzystywana bardzo słabo i dlatego konieczne jest znaczne zwiększenie mocy źródła w celu zapewnienia wystarczającej moc pompowania do wytwarzania w wąskim paśmie absorpcji. Naturalnie prowadzi to do silnego wzrostu temperatury kryształu. Aby zapobiec przegrzaniu, można zastosować filtry, których szerokość pasma w przybliżeniu pokrywa się z pasmem absorpcji substancji czynnej, lub zastosować wymuszony system chłodzenia kryształu, na przykład za pomocą ciekłego azotu.
Nieefektywne wykorzystanie energii pompy jest główną przyczyną stosunkowo niskiej wydajności laserów. Generatory na bazie rubinu w trybie impulsowym pozwalają uzyskać wydajność rzędu 1%, generatory na bazie szkła - do 3-5%.
Lasery rubinowe działają głównie w trybie impulsowym. Przejście do trybu ciągłego jest ograniczone wynikającym z tego przegrzaniem kryształu rubinu i źródeł pompujących, a także wypaleniem zwierciadeł.
Obecnie trwają badania nad laserami wykorzystującymi materiały półprzewodnikowe. Jako element aktywny wykorzystują diodę półprzewodnikową wykonaną z arsenku galu, której wzbudzenie (pompowanie) odbywa się nie za pomocą energii świetlnej, ale za pomocą prądu o dużej gęstości przepływającego przez diodę.
Konstrukcja aktywnego elementu lasera jest bardzo prosta (patrz rysunek 10). Składa się z dwóch połówek materiału półprzewodnikowego R- I N-typ. Dolna połowa materiału typu n jest oddzielona od górnej połowy materiału typu p płaszczyzną р-n przemiana. Każda z płytek wyposażona jest w styk umożliwiający podłączenie diody do źródła pompującego, którym jest źródło prądu stałego. Powierzchnie czołowe diody, ściśle równoległe i starannie wypolerowane, tworzą rezonator dostrojony do częstotliwości generowanych oscylacji odpowiadającej długości fali 8400 A. Wymiary diody wynoszą 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Diodę umieszcza się w kriostacie z ciekłym azotem lub helem i przepuszcza przez nią prąd pompy o gęstości р-n przejście osiąga wartości 10 4 -10 6 a/cm 2 W tym przypadku spójne oscylacje zakresu podczerwieni o długości fali ? = 8400A.

Rysunek 10. Budowa elementu aktywnego półprzewodnikowego lasera diodowego.

polerowane krawędzie
kontakt
płaszczyzna złącza pn
kontakt

3.2.2 Generatory z gazową substancją czynną

W optycznych generatorach kwantowych substancją czynną jest zwykle mieszanina dwóch gazów. Najpopularniejszym jest laser gazowy wykorzystujący mieszaninę helu (He) i neonu (Ne).
Położenie poziomów energetycznych helu i neonu pokazano na rysunku 11. Kolejność przejść kwantowych w laserze gazowym jest następująca. Pod wpływem oscylacji elektromagnetycznych generatora wysokiej częstotliwości w mieszaninie gazów zamkniętej w rurce ze szkła kwarcowego następuje wyładowanie elektryczne, co prowadzi do przejścia atomów helu ze stanu podstawowego I do stanów II (2 3 S) i III (2 1 S). Kiedy wzbudzone atomy helu zderzają się z atomami neonu, następuje między nimi wymiana energii, w wyniku której wzbudzone atomy helu przekazują energię atomom neonu, a populacja neonów na poziomach 2S i 3S znacznie wzrasta.
itp.................