Universitas Teknik Negeri Baltik
"Voenmekh" mereka. D.F.Ustinova
Departemen I4
"Sistem kontrol radioelektronik"

Perangkat untuk menerima dan mengubah sinyal
Kursus tentang topik
« generator kuantum »

Lengkap:
Peredelsky Oleg
Grup I471
Diperiksa:
Tarasov A.I.

St. Petersburg
2010

1. Perkenalan
Makalah ini membahas prinsip pengoperasian generator kuantum, rangkaian generator, fitur desainnya, kestabilan frekuensi generator, dan prinsip modulasi pada generator kuantum.
1.1 Informasi umum
Prinsip operasi generator kuantum didasarkan pada interaksi medan frekuensi tinggi dengan atom atau molekul suatu zat. Mereka memungkinkan untuk menghasilkan osilasi dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dan stabilitas yang tinggi.
Berdasarkan generator kuantum, dimungkinkan untuk membuat standar frekuensi yang melebihi semua standar akurasi yang ada. Stabilitas frekuensi jangka panjang, mis. stabilitas dalam jangka panjang diperkirakan 10 -9 - 10 -10 , dan stabilitas jangka pendek (menit) dapat mencapai 10 -11 .

Saat ini di Generator kuantum waktu banyak digunakan sebagai standar frekuensi dalam sistem layanan waktu. Amplifier kuantum yang digunakan pada penerima berbagai sistem teknik radio dapat secara signifikan meningkatkan sensitivitas peralatan dan mengurangi tingkat kebisingan internal.
Salah satu fitur generator kuantum, yang menentukan peningkatan cepatnya, adalah kemampuannya untuk beroperasi secara efisien pada frekuensi yang sangat tinggi, termasuk jangkauan optik, yaitu, secara praktis hingga frekuensi orde 109. MHz
Generator jangkauan optik memungkinkan untuk memperoleh direktivitas radiasi yang tinggi, kepadatan energi yang tinggi dalam berkas cahaya (dari urutan 10 12 -10 13 w/m 2 ) dan rentang frekuensi yang sangat besar, memungkinkan transmisi sejumlah besar informasi.
Penggunaan generator jangkauan optik dalam sistem komunikasi, lokasi dan navigasi membuka prospek baru untuk peningkatan yang signifikan dalam jangkauan dan keandalan komunikasi, resolusi sistem radar dalam jangkauan dan sudut, serta prospek untuk menciptakan navigasi presisi tinggi. sistem.
Generator jangkauan optik digunakan dalam penelitian ilmiah
penelitian dan industri. Konsentrasi energi yang sangat tinggi dalam sinar sempit memungkinkan, misalnya, untuk membakar lubang berdiameter sangat kecil pada paduan dan mineral superkeras, termasuk mineral terkeras, berlian.
Generator kuantum biasanya membedakan antara:

berdasarkan sifat zat aktif (padat atau gas), fenomena kuantum yang menentukan pengoperasian perangkat.
oleh rentang frekuensi operasi (rentang sentimeter dan milimeter, rentang optik - inframerah dan bagian spektrum yang terlihat)
dengan metode eksitasi zat aktif atau pemisahan molekul menurut tingkat energi.

Menurut rentang frekuensi operasi, generator kuantum dibagi menjadi: maser dan laser. Nama tukang pijat adalah singkatan dari frasa "Amplifikasi gelombang mikro oleh emisi terstimulasi dari radiasi MASER". Nama laser- singkatan dari frasa "Amplifikasi cahaya dengan emisi terstimulasi dari radiasi LASER"

1.2 Sejarah penciptaan
Sejarah penciptaan maser harus dimulai pada tahun 1917, ketika Albert Einstein pertama kali memperkenalkan konsep emisi terstimulasi. Ini adalah langkah pertama menuju laser. Langkah selanjutnya diambil oleh fisikawan Soviet V.A. Fabrikant, yang pada tahun 1939 menunjukkan kemungkinan menggunakan emisi terstimulasi untuk memperkuat radiasi elektromagnetik saat melewati materi. Ide yang diungkapkan oleh V.A. Fabrikant, mengasumsikan penggunaan sistem mikro dengan populasi tingkat terbalik. Kemudian, setelah berakhirnya Perang Patriotik Hebat, V.A. Fabrikant kembali ke ide ini dan, berdasarkan penelitiannya, mengajukan pada tahun 1951 (bersama dengan M.M. Vudynsky dan F.A. Butaeva) aplikasi untuk penemuan metode untuk memperkuat radiasi menggunakan emisi terstimulasi. Sertifikat dikeluarkan untuk aplikasi ini, di mana, di bawah judul "Subjek penemuan", tertulis: "Metode untuk memperkuat radiasi elektromagnetik (ultraviolet, tampak, inframerah dan panjang gelombang radio), dicirikan bahwa radiasi yang diperkuat adalah melewati media di mana, dengan bantuan radiasi tambahan atau dengan cara lain, mereka menciptakan kelebihan konsentrasi atom, partikel lain atau sistem mereka pada tingkat energi atas yang sesuai dengan keadaan tereksitasi dibandingkan dengan keseimbangan.
Awalnya, metode amplifikasi radiasi ini ternyata diterapkan di rentang radio, dan lebih tepatnya di rentang frekuensi ultra tinggi (rentang UHF). Pada Mei 1952, di Konferensi All-Union tentang Spektroskopi Radio, fisikawan Soviet (sekarang akademisi) N.G. Basov dan A.M. Prokhorov membuat laporan tentang kemungkinan mendasar untuk membuat penguat radiasi dalam kisaran gelombang mikro. Mereka menyebutnya "generator molekul" (seharusnya menggunakan berkas molekul amonia). Hampir bersamaan, proposal untuk menggunakan emisi terstimulasi untuk memperkuat dan menghasilkan gelombang milimeter dibuat di Universitas Columbia di AS oleh fisikawan Amerika C. Townes. Pada tahun 1954, generator molekuler, yang segera disebut maser, menjadi kenyataan. Itu dikembangkan dan dibuat secara independen dan bersamaan di dua titik di dunia - di P.N. Akademi Ilmu Pengetahuan Lebedev dari USSR (kelompok yang dipimpin oleh N.G. Basov dan A.M. Prokhorov) dan di Universitas Columbia di AS (kelompok yang dipimpin oleh Ch. Towns). Selanjutnya, istilah "laser" berasal dari istilah "maser" sebagai akibat dari penggantian huruf "M" (huruf awal kata Microwave - microwave) dengan huruf "L" (huruf awal kata Light - lampu). Pengoperasian maser dan laser didasarkan pada prinsip yang sama - prinsip yang dirumuskan pada tahun 1951 oleh V.A. kain. Munculnya maser berarti lahirnya arah baru dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. Awalnya disebut radiofisika kuantum, dan kemudian disebut elektronika kuantum.

2. Prinsip pengoperasian generator kuantum.

Dalam generator kuantum, dalam kondisi tertentu, ada konversi langsung dari energi internal atom atau molekul menjadi energi radiasi elektromagnetik. Transformasi energi ini terjadi sebagai akibat dari transisi kuantum - transisi energi, disertai dengan pelepasan kuanta (bagian) energi.
Dengan tidak adanya pengaruh eksternal antara molekul (atau atom) suatu zat, energi dipertukarkan. Beberapa molekul memancarkan getaran elektromagnetik, bergerak dari tingkat energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah, dan beberapa menyerapnya, membuat transisi terbalik. Secara umum, dalam kondisi stasioner, sistem yang terdiri dari sejumlah besar molekul berada dalam kesetimbangan dinamis, yaitu. sebagai akibat dari pertukaran energi yang terus menerus, jumlah energi yang dipancarkan sama dengan jumlah yang diserap.
Populasi tingkat energi, mis. jumlah atom atau molekul pada tingkat yang berbeda ditentukan oleh suhu zat. Populasi tingkat N 1 dan N 2 dengan energi W 1 dan W 2 ditentukan oleh distribusi Boltzmann:

(1)

di mana k adalah konstanta Boltzmann;
T adalah suhu mutlak zat.

Dalam keadaan kesetimbangan termal, sistem kuantum memiliki jumlah molekul yang lebih kecil pada tingkat energi yang lebih tinggi, dan oleh karena itu mereka tidak memancarkan, tetapi hanya menyerap energi ketika disinari secara eksternal. Molekul (atau atom) kemudian pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi.
Dalam generator dan amplifier molekuler yang menggunakan transisi antara tingkat energi, jelas perlu untuk menciptakan kondisi buatan di mana populasi tingkat energi yang lebih tinggi akan lebih tinggi. Dalam hal ini, di bawah pengaruh medan frekuensi tinggi eksternal dari frekuensi tertentu, dekat dengan frekuensi transisi kuantum, radiasi intens dapat diamati terkait dengan transisi dari tingkat energi tinggi ke rendah. Radiasi semacam itu yang disebabkan oleh medan eksternal disebut induksi.
Medan frekuensi tinggi eksternal dari frekuensi dasar, sesuai dengan frekuensi transisi kuantum (frekuensi ini disebut frekuensi resonansi), tidak hanya menyebabkan radiasi induksi yang intens, tetapi juga fase radiasi molekul individu, yang memberikan penambahan osilasi dan manifestasi dari efek amplifikasi.
Keadaan transisi kuantum ketika populasi tingkat atas melebihi populasi tingkat transisi yang lebih rendah disebut terbalik.
Ada beberapa cara untuk mendapatkan populasi tinggi dari tingkat energi atas (inversi populasi).
Dalam zat gas, misalnya, dalam amonia, dimungkinkan untuk melakukan pemisahan (penyortiran) molekul menurut keadaan energi yang berbeda menggunakan medan listrik konstan eksternal.
Dalam padatan, pemisahan seperti itu sulit dilakukan, oleh karena itu, berbagai metode eksitasi molekul digunakan, mis. metode redistribusi molekul dengan tingkat energi dengan iradiasi dengan medan frekuensi tinggi eksternal.

Perubahan populasi level (inversi populasi level) dapat dihasilkan oleh iradiasi berdenyut dengan medan frekuensi tinggi dari frekuensi resonansi dengan intensitas yang cukup. Dengan pemilihan durasi pulsa yang benar (durasi pulsa harus jauh lebih pendek daripada waktu relaksasi, yaitu, waktu pemulihan keseimbangan dinamis), setelah iradiasi, dimungkinkan untuk memperkuat sinyal frekuensi tinggi eksternal untuk beberapa waktu setelahnya. penyinaran.
Metode eksitasi yang paling nyaman, yang saat ini banyak digunakan dalam generator, adalah metode iradiasi dengan medan frekuensi tinggi eksternal, yang berbeda secara signifikan dalam frekuensi dari osilasi yang dihasilkan, di bawah pengaruh redistribusi molekul yang diperlukan terjadi di atas tingkat energi.
Pengoperasian sebagian besar generator kuantum didasarkan pada penggunaan tiga atau empat tingkat energi (walaupun pada prinsipnya jumlah tingkat yang berbeda dapat digunakan). Mari kita asumsikan bahwa generasi terjadi karena transisi yang diinduksi dari level 3 ke tingkat 2 (lihat gambar 1).
Agar zat aktif memperkuat pada frekuensi transisi 3 -> 2, perlu membuat tingkat populasi 3 di atas tingkat populasi 2. Tugas ini dilakukan oleh medan frekuensi tinggi tambahan dengan frekuensi ? vsp yang "memindahkan" bagian molekul dari tingkat 1 ke tingkat 3. Inversi populasi dimungkinkan untuk parameter tertentu dari sistem kuantum dan daya radiasi tambahan yang memadai.
Osilator yang menciptakan medan frekuensi tinggi tambahan untuk meningkatkan populasi tingkat energi yang lebih tinggi disebut osilator swap atau lampu latar. Istilah terakhir dikaitkan dengan generator osilasi yang terlihat dan inframerah spektrum di mana sumber cahaya digunakan untuk pemompaan.
Jadi, untuk operasi yang efektif dari generator kuantum, perlu untuk memilih zat aktif yang memiliki sistem tingkat energi tertentu, di mana transisi energi dapat terjadi, dan juga untuk memilih metode yang paling tepat untuk eksitasi atau pemisahan molekul. menurut tingkat energi.

Gambar 1. Skema transisi energi
dalam generator kuantum

3. Skema generator kuantum
Generator dan amplifier kuantum dibedakan berdasarkan jenis zat aktif yang digunakan di dalamnya. Saat ini, dua jenis perangkat kuantum telah dikembangkan, di mana zat aktif berbentuk gas dan padat digunakan.
mampu menghasilkan radiasi induksi yang kuat.

3.1 Generator molekuler dengan pemisahan molekul menurut tingkat energi.

Mari kita pertimbangkan generator kuantum dengan zat aktif gas, di mana, dengan bantuan listrik medan, pemisahan (penyortiran) molekul yang terletak pada tingkat energi tinggi dan rendah dilakukan. Jenis generator kuantum ini biasa disebut sebagai generator berkas molekul.

Gambar 2. Diagram generator molekuler berdasarkan berkas amonia
1 – sumber amonia; 2- kisi; 3 - diafragma; 4 - resonator; 5 - perangkat penyortiran

Generator molekuler yang diterapkan secara praktis menggunakan gas amonia (rumus kimia NH 3), di mana radiasi molekul yang terkait dengan transisi antara tingkat energi yang berbeda sangat terasa. Dalam rentang frekuensi gelombang mikro, radiasi paling intens diamati selama transisi energi yang sesuai dengan frekuensi f n= 23.870 MHz ( ? n= 1,26cm). Diagram sederhana dari generator yang beroperasi pada amonia dalam keadaan gas ditunjukkan pada Gambar 2.
Elemen utama perangkat, yang diuraikan pada Gambar 2 dengan garis putus-putus, dalam beberapa kasus ditempatkan dalam sistem khusus yang didinginkan dengan nitrogen cair, yang memastikan suhu rendah zat aktif dan semua elemen yang diperlukan untuk mendapatkan tingkat kebisingan yang rendah dan stabilitas tinggi frekuensi generator.
Molekul amonia meninggalkan tangki pada tekanan yang sangat rendah, diukur dalam satuan milimeter air raksa.
Untuk mendapatkan berkas molekul yang bergerak hampir sejajar dalam arah memanjang, amonia dilewatkan melalui diafragma dengan sejumlah besar saluran sempit yang diarahkan secara aksial. Diameter saluran ini dipilih agar cukup kecil dibandingkan dengan jalur bebas rata-rata molekul. Untuk mengurangi kecepatan pergerakan molekul dan, akibatnya, mengurangi kemungkinan tabrakan dan radiasi spontan, yaitu, non-induksi, menyebabkan kebisingan fluktuasi, diafragma didinginkan dengan helium cair atau nitrogen.
Untuk mengurangi kemungkinan tumbukan molekul, dimungkinkan untuk tidak mengikuti jalur penurunan suhu, tetapi sepanjang jalur penurunan tekanan, namun, dalam kasus ini, jumlah molekul dalam resonator yang secara bersamaan berinteraksi dengan tinggi -medan frekuensi yang terakhir akan berkurang, dan daya yang dilepaskan oleh molekul yang tereksitasi ke medan frekuensi tinggi resonator akan berkurang.
Untuk menggunakan gas sebagai zat aktif dari generator molekul, perlu untuk meningkatkan jumlah molekul yang berada pada tingkat energi yang lebih tinggi, terhadap jumlah mereka yang ditentukan oleh kesetimbangan dinamis pada suhu tertentu.
Dalam generator jenis yang sedang dipertimbangkan, ini dicapai dengan menyortir molekul berenergi rendah dari berkas molekul menggunakan apa yang disebut kapasitor quadrupole.
Kapasitor kuadrupol dibentuk oleh empat batang logam memanjang dengan profil khusus (Gambar 3a), dihubungkan berpasangan melalui satu dengan penyearah tegangan tinggi, yang memiliki potensi yang sama, tetapi tandanya bergantian. Medan listrik yang dihasilkan dari kapasitor semacam itu pada sumbu longitudinal generator sama dengan nol karena simetri sistem dan mencapai nilai maksimumnya di ruang antara batang yang berdekatan (Gambar 3b).

Gambar 3. Diagram kapasitor quadrupole

Proses penyortiran molekul berlangsung sebagai berikut. Telah ditetapkan bahwa molekul dalam medan listrik mengubah energi internalnya dengan peningkatan kekuatan medan listrik, energi tingkat atas meningkat dan energi tingkat bawah berkurang (Gambar 4).

Gambar 4. Ketergantungan tingkat energi pada kuat medan listrik:

tingkat energi atas
tingkat energi yang lebih rendah

Fenomena ini disebut efek Stark. Karena efek Stark, molekul amonia, ketika bergerak di bidang kapasitor quadrupole, mencoba mengurangi energinya, yaitu, untuk memperoleh keadaan yang lebih stabil, dipisahkan: molekul dengan energi lebih tinggitingkat cenderung meninggalkan daerah medan listrik yang kuat, yaitu, mereka bergerak menuju sumbu kapasitor, di mana medannya nol, dan molekul-molekul dari tingkat yang lebih rendah, sebaliknya, bergerak ke daerah medan kuat, yaitu, menjauh dari sumbu kapasitor, mendekati pelat yang terakhir. Akibatnya, berkas molekul tidak hanya sebagian besar dibebaskan dari molekul dengan tingkat energi yang lebih rendah, tetapi juga terfokus dengan baik.
Setelah melewati perangkat penyortiran, berkas molekul memasuki resonator yang disetel ke frekuensi transisi energi yang digunakan dalam generator. f n= 23.870 MHz .
Medan frekuensi tinggi dari resonator rongga menyebabkan emisi molekul yang terkait dengan transisi dari tingkat energi atas ke tingkat energi yang lebih rendah. Jika energi yang dipancarkan oleh molekul sama dengan energi yang dikonsumsi dalam resonator dan ditransfer ke beban eksternal, maka proses osilasi stasioner dibuat dalam sistem dan perangkat yang dipertimbangkan dapat digunakan sebagai generator osilasi yang stabil dalam frekuensi.

Proses pembentukan osilasi dalam generator berlangsung sebagai berikut.
Molekul yang memasuki resonator, yang sebagian besar berada pada tingkat energi atas, secara spontan (spontan) melakukan transisi ke tingkat yang lebih rendah, sambil memancarkan energi kuanta energi elektromagnetik dan menggairahkan resonator. Awalnya, eksitasi resonator ini sangat lemah, karena transisi energi molekul bersifat acak. Medan elektromagnetik resonator, yang bekerja pada molekul berkas, menyebabkan transisi yang diinduksi, yang pada gilirannya meningkatkan medan resonator. Jadi, secara bertahap meningkat, medan resonator akan semakin mempengaruhi berkas molekul, dan energi yang dilepaskan selama transisi induksi akan meningkatkan medan resonator. Proses peningkatan intensitas osilasi akan terus berlanjut sampai terjadi kejenuhan, dimana medan resonator akan sangat kuat sehingga selama perjalanan molekul melalui resonator akan menyebabkan tidak hanya transisi terinduksi dari tingkat atas ke tingkat yang lebih rendah, tetapi juga transisi terbalik sebagian terkait dengan penyerapan energi elektromagnetik. Dalam hal ini, daya yang dilepaskan oleh molekul amonia tidak lagi meningkat dan, akibatnya, peningkatan lebih lanjut dalam amplitudo osilasi menjadi tidak mungkin. Mode generasi stasioner diatur.
Oleh karena itu, ini bukan eksitasi sederhana dari resonator, tetapi sistem berosilasi sendiri, yang mencakup umpan balik, yang dilakukan melalui medan frekuensi tinggi resonator. Radiasi molekul yang terbang melalui resonator membangkitkan medan frekuensi tinggi, yang pada gilirannya menentukan radiasi molekul yang diinduksi, pentahapan dan koherensi radiasi ini.
Dalam kasus di mana kondisi eksitasi diri tidak terpenuhi (misalnya, kerapatan fluks molekul yang menembus resonator tidak mencukupi), perangkat ini dapat digunakan sebagai penguat dengan tingkat kebisingan internal yang sangat rendah. Penguatan perangkat semacam itu dapat disesuaikan dengan mengubah kerapatan fluks molekuler.
Rongga resonator generator molekuler memiliki faktor kualitas yang sangat tinggi, diukur dalam puluhan ribu. Untuk mendapatkan faktor kualitas tinggi seperti itu, dinding resonator diproses dengan hati-hati dan diberi perak. Lubang-lubang untuk masuk dan keluarnya molekul, yang memiliki diameter sangat kecil, secara bersamaan bertindak sebagai filter frekuensi tinggi. Mereka adalah pandu gelombang pendek, panjang gelombang kritis yang kurang dari panjang gelombang intrinsik resonator, dan oleh karena itu energi frekuensi tinggi resonator praktis tidak lolos melalui mereka.
Untuk menyempurnakan resonator ke frekuensi transisi, beberapa elemen penyetelan digunakan pada frekuensi transisi. Dalam kasus paling sederhana, ini adalah sekrup, yang pencelupannya ke dalam resonator agak mengubah frekuensi yang terakhir.
Nanti akan diperlihatkan bahwa frekuensi generator molekuler agak "mengencang" ketika frekuensi tuning resonator diubah. Benar, tarikan frekuensi kecil dan diperkirakan pada nilai urutan 10 -11 , tetapi mereka tidak dapat diabaikan karena persyaratan tinggi yang ditempatkan pada generator molekuler. Untuk alasan ini, di sejumlah generator molekuler, hanya diafragma dan sistem penyortiran yang didinginkan dengan nitrogen cair (atau udara cair), dan resonator ditempatkan dalam termostat, suhu yang dipertahankan konstan oleh perangkat otomatis untuk dalam pecahan derajat. Gambar 5 secara skematis menunjukkan perangkat generator jenis ini.
Kekuatan generator molekuler pada amonia biasanya tidak melebihi 10 -7 sel,
oleh karena itu, dalam praktiknya mereka terutama digunakan sebagai standar frekuensi yang sangat stabil. Stabilitas frekuensi generator tersebut diperkirakan oleh nilai
10 -8 - 10 -10. Dalam satu detik, generator memberikan stabilitas frekuensi urutan 10 -13 .
Salah satu kelemahan signifikan dari desain generator yang dipertimbangkan adalah kebutuhan untuk pemompaan terus menerus dan pemeliharaan aliran molekuler.

Gambar 5. Perangkat generator molekul
dengan stabilisasi otomatis suhu resonator:
1- sumber amonia; 2 - sistem kapiler; 3- nitrogen cair; 4 - resonator; 5 - sistem kontrol suhu air; 6 - kapasitor quadrupole.

3.2 Generator kuantum dengan pemompaan eksternal

Dalam jenis generator kuantum yang dipertimbangkan, baik padatan dan gas dapat digunakan sebagai zat aktif, di mana kemampuan atom atau molekul yang tereksitasi oleh medan frekuensi tinggi eksternal untuk transisi energi yang diinduksi diungkapkan dengan jelas. Dalam rentang optik, berbagai sumber radiasi cahaya digunakan untuk merangsang (memompa) zat aktif.
Generator jangkauan optik memiliki sejumlah kualitas positif, dan banyak digunakan di berbagai sistem komunikasi radio, navigasi, dll.
Seperti pada generator kuantum dalam rentang sentimeter dan milimeter, laser biasanya menggunakan sistem tiga tingkat, yaitu zat aktif di mana transisi terjadi antara tiga tingkat energi.
Namun, satu fitur harus dicatat yang harus diperhitungkan ketika memilih zat aktif untuk osilator dan amplifier dalam rentang optik.
Dari relasi W 2 -W 1 = h? maka sebagai frekuensi operasi meningkat? dalam osilator dan amplifier, perbedaan tingkat energi yang lebih tinggi harus digunakan. Untuk generator rentang optik, kira-kira sesuai dengan rentang frekuensi 2 10 7 -9 10 8 MHz(panjang gelombang 15-0,33 mk), perbedaan tingkat energi W 2 -W 1 harus 2-4 kali lipat lebih tinggi daripada generator rentang sentimeter.
Baik padatan dan gas digunakan sebagai zat aktif dalam generator jangkauan optik.
Ruby buatan banyak digunakan sebagai zat aktif padat - kristal korundum (A1 2 O 3) dengan campuran ion krom (Cr). Selain ruby, kaca yang diaktifkan dengan neodymium (Nd), kristal kalsium tungstat (СаWO 4) dengan campuran ion neodymium, kristal kalsium fluorida (СаF 2) dengan campuran disprosium (Dy) atau ion uranium dan bahan lainnya adalah juga banyak digunakan.
Laser gas biasanya menggunakan campuran dua atau lebih gas.

3.2.1 Generator aktif padat

Jenis generator jangkauan optik yang paling banyak digunakan adalah generator di mana ruby ​​​​dengan campuran kromium (0,05%) digunakan sebagai zat aktif. Gambar 6 menunjukkan diagram sederhana dari pengaturan tingkat energi ion kromium dalam rubi. Pita serapan yang perlu dipompa (eksitasi) sesuai dengan bagian spektrum hijau dan biru (panjang gelombang 5600 dan 4100A). Biasanya, pemompaan dilakukan dengan menggunakan lampu xenon pelepasan gas, yang spektrum emisinya mendekati matahari. Ion kromium, menyerap foton cahaya hijau dan biru, naik dari level I ke level III dan IV. Beberapa ion tereksitasi dari tingkat ini kembali ke keadaan dasar (ke tingkat I), dan kebanyakan dari mereka lulus tanpa emisi energi ke tingkat metastabil II, meningkatkan populasi yang terakhir. Ion kromium yang telah melewati tingkat II tetap dalam keadaan tereksitasi ini untuk waktu yang lama. Oleh karena itu, pada tingkat kedua
partikel yang lebih aktif dapat terakumulasi daripada di level I. Ketika populasi level II melebihi populasi level I, zat tersebut mampu memperkuat osilasi elektromagnetik pada frekuensi transisi II-I. Jika suatu zat ditempatkan dalam resonator, menjadi mungkin untuk menghasilkan osilasi monokromatik yang koheren di bagian merah dari spektrum yang terlihat. (? = 6943 A ). Peran resonator dalam jangkauan optik dilakukan dengan memantulkan permukaan yang sejajar satu sama lain.

Gambar 6. Tingkat energi ion kromium dalam ruby

pita penyerapan di bawah pemompaan optik
transisi nonradiatif
tingkat metastabil

Proses eksitasi diri laser berlangsung secara kualitatif dengan cara yang sama seperti pada generator molekuler. Beberapa ion kromium yang tereksitasi secara spontan (spontan) naik ke level I, sambil memancarkan foton. Foton yang merambat tegak lurus terhadap permukaan reflektif mengalami beberapa refleksi dan berulang kali melewati media aktif dan diperkuat di dalamnya. Ada peningkatan intensitas osilasi ke nilai stasioner.
Dalam mode berdenyut, amplop pulsa radiasi generator ruby ​​​​memiliki karakter kedipan jangka pendek dengan durasi urutan sepersepuluh mikrodetik dan dengan periode urutan beberapa mikrodetik (Gbr. 7, di).
Sifat relaksasi (terputus-putus) dari radiasi osilator dijelaskan oleh perbedaan laju kedatangan ion pada tingkat II karena pemompaan dan penurunan jumlahnya selama transisi yang diinduksi dari tingkat II ke tingkat I.
Gambar 7 menunjukkan osilogram yang menjelaskan proses secara kualitatif
generasi dalam laser ruby. Di bawah pengaruh radiasi pompa (Gbr. 7, sebuah) ada akumulasi ion tereksitasi pada tingkat II. Setelah beberapa saat populasi N 2 melebihi nilai ambang dan eksitasi sendiri dari generator menjadi mungkin. Selama periode emisi koheren, pengisian ion level II karena pemompaan tertinggal di belakang konsumsinya sebagai akibat dari transisi yang diinduksi, dan populasi level II berkurang. Dalam hal ini, radiasi melemah secara tajam atau bahkan berhenti (seperti dalam kasus ini) sampai tingkat II diperkaya ke nilai yang melebihi nilai ambang batas (Gbr. 7b) karena pemompaan, dan eksitasi osilasi menjadi mungkin lagi. Sebagai hasil dari proses yang dipertimbangkan, serangkaian kilatan jangka pendek akan diamati pada keluaran laser (Gbr. 7c).

Gambar 7. Osilogram yang menjelaskan pengoperasian laser ruby:
a) kekuatan sumber swap
b) populasi tingkat II
c) daya keluaran generator

Selain ruby, zat lain juga digunakan dalam generator jangkauan optik, misalnya, kristal kalsium tungstat dan kacamata yang diaktifkan neodymium.
Struktur sederhana tingkat energi ion neodymium dalam kristal kalsium tungstat ditunjukkan pada Gambar 8.
Di bawah aksi lampu lampu pompa, ion dari tingkat I dipindahkan ke keadaan tereksitasi yang ditunjukkan pada diagram III. Kemudian mereka lolos ke tingkat II tanpa radiasi.Tingkat II adalah metastabil, dan akumulasi ion tereksitasi terjadi di atasnya. Radiasi koheren dalam rentang inframerah dengan panjang gelombang ?= 1,06 mk terjadi selama transisi ion dari level II ke level IV. Ion melakukan transisi dari tingkat IV ke keadaan dasar tanpa radiasi. Fakta bahwa radiasi terjadi
pada transisi ion ke level IV, yang terletak di atas permukaan tanah,
memfasilitasi eksitasi generator. Populasi level IV jauh lebih sedikit daripada populasi level P [ini mengikuti rumus 1], dan dengan demikian, untuk mencapai ambang eksitasi, sejumlah kecil ion harus ditransfer ke level II, dan oleh karena itu energi pemompaan harus lebih sedikit. dihabiskan.

Gambar 8. Struktur sederhana tingkat ion neodymium dalam kalsium tungstat (CaWO 4 )

Kaca yang diaktifkan neodymium juga memiliki diagram tingkat energi yang serupa. Laser menggunakan kaca aktif memancarkan pada panjang gelombang yang sama? = 1,06 mikron.
Padatan aktif dibuat dalam bentuk batang bulat panjang (jarang persegi panjang), yang ujungnya dipoles dengan hati-hati dan lapisan reflektif diterapkan pada mereka dalam bentuk film multilayer dielektrik khusus. Dinding ujung bidang-paralel membentuk resonator di mana rezim refleksi ganda dari osilasi terpancar (dekat dengan rezim gelombang berdiri), yang berkontribusi pada amplifikasi radiasi yang diinduksi dan memastikan koherensinya. Resonator juga dapat dibentuk oleh cermin eksternal.
Cermin dielektrik multilayer memiliki penyerapan intrinsik yang rendah dan memungkinkan untuk mendapatkan faktor kualitas resonator tertinggi. Dibandingkan dengan cermin logam yang dibentuk oleh lapisan tipis perak atau logam lainnya, cermin dielektrik multilayer jauh lebih sulit untuk diproduksi, tetapi jauh lebih unggul dalam daya tahannya. Cermin logam gagal setelah beberapa kilatan, dan karena itu tidak digunakan dalam model laser modern.
Dalam model laser pertama, lampu xenon heliks berdenyut digunakan sebagai sumber pompa. Di dalam lampu ada batang zat aktif.
Kerugian serius dari desain generator ini adalah rendahnya pemanfaatan energi cahaya dari sumber swap. Untuk menghilangkan kekurangan ini, generator menggunakan pemfokusan energi cahaya dari sumber swap dengan bantuan lensa khusus atau reflektor. Cara kedua lebih sederhana. Reflektor biasanya dibuat dalam bentuk silinder elips.
Gambar 9 menunjukkan diagram generator ruby. Lampu untuk penerangan, yang beroperasi dalam mode berdenyut, terletak di dalam reflektor elips yang memfokuskan cahaya lampu pada batang rubi. Lampu ini didukung oleh penyearah tegangan tinggi. Dalam interval antara pulsa, energi dari sumber tegangan tinggi diakumulasikan dalam kapasitor dengan kapasitas sekitar 400 mikro. Pada saat menerapkan pulsa pengapian awal dengan tegangan 15 kV, dilepaskan dari belitan sekunder transformator step-up, lampu menyala dan terus menyala sampai energi yang tersimpan dalam kapasitor penyearah tegangan tinggi habis.
Untuk meningkatkan daya pemompaan, beberapa lampu xenon dapat dipasang di sekitar batang rubi, yang cahayanya dipusatkan pada batang rubi dengan bantuan reflektor.
Untuk yang ditunjukkan pada Gambar. 23.10 generator, energi pompa ambang, yaitu energi di mana pembangkitan dimulai, adalah sekitar 150 J. Dengan kapasitas penyimpanan yang ditunjukkan pada diagram Dengan = 400 mikro energi tersebut disediakan pada tegangan sumber sekitar 900 PADA.

Gambar 9. Osilator Ruby dengan reflektor elips untuk memfokuskan cahaya lampu pompa:

reflektor
koil pengapian
lampu xenon
rubi

Karena kenyataan bahwa spektrum sumber pompa jauh lebih luas daripada pita serapan kristal yang berguna, energi sumber pompa digunakan sangat lemah dan, oleh karena itu, perlu untuk meningkatkan daya sumber secara signifikan untuk memberikan daya pompa yang cukup untuk pembangkitan dalam pita serapan yang sempit. Secara alami, ini mengarah pada peningkatan suhu kristal yang kuat. Untuk mencegah panas berlebih, filter dapat digunakan yang pita transmisinya kira-kira bertepatan dengan pita penyerapan zat aktif, atau sistem pendinginan paksa kristal, misalnya, menggunakan nitrogen cair, dapat digunakan.
Penggunaan energi pompa yang tidak efisien adalah alasan utama efisiensi laser yang relatif rendah. Generator berdasarkan ruby ​​​​dalam mode berdenyut memungkinkan untuk memperoleh efisiensi sekitar 1%, generator pada kaca - hingga 3-5%.
Laser Ruby beroperasi terutama dalam mode berdenyut. Transisi ke mode kontinu dibatasi oleh panas berlebih yang dihasilkan dari kristal ruby ​​​​dan sumber pemompaan, serta oleh kelelahan cermin.
Saat ini, penelitian sedang berlangsung pada laser menggunakan bahan semikonduktor. Sebagai elemen aktif, mereka menggunakan dioda semikonduktor galium arsenida, eksitasi (pemompaan) yang dilakukan bukan oleh energi cahaya, tetapi oleh arus berkepadatan tinggi yang melewati dioda.
Perangkat elemen aktif laser sangat sederhana (lihat Gambar 10) Ini terdiri dari dua bagian bahan semikonduktor R- dan n-Tipe. Bagian bawah material tipe-n dipisahkan dari bagian atas material tipe-p oleh sebuah bidang daerah transisi. Masing-masing pelat dilengkapi dengan kontak untuk menghubungkan dioda ke sumber pemompaan, yang merupakan sumber DC. Permukaan ujung dioda, sangat paralel dan dipoles dengan hati-hati, membentuk resonator yang disetel ke frekuensi osilasi yang dihasilkan sesuai dengan panjang gelombang 8400 A. Dimensi dioda adalah 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Dioda ditempatkan dalam cryostat dengan nitrogen cair atau helium, dan arus pompa dilewatkan melaluinya, yang kerapatannya adalah daerah transisi mencapai nilai 10 4 -10 6 a/cm 2 Dalam hal ini, radiasi osilasi koheren dari rentang inframerah terjadi dengan panjang gelombang ? = 8400A.

Gambar 10. Perangkat elemen aktif laser pada dioda semikonduktor.

tepi yang dipoles
kontak
bidang sambungan p-n
kontak

Emisi kuanta energi dalam semikonduktor dimungkinkan ketika elektron berpindah dari pita konduksi ke tingkat bebas di pita valensi - dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah. Dalam hal ini, dua pembawa arus "menghilang" - elektron dan lubang.
Ketika kuantum energi diserap, sebuah elektron dari pita valensi masuk ke pita konduksi dan dua pembawa arus terbentuk.
Agar amplifikasi (dan juga pembangkitan) osilasi dimungkinkan, jumlah transisi dengan pelepasan energi harus melebihi transisi dengan penyerapan energi. Ini dicapai dalam dioda semikonduktor dengan doping berat R- dan n-daerah ketika tegangan maju diterapkan padanya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Ketika persimpangan bias dalam arah maju, elektron dari n- daerah berdifusi menjadi p- wilayah. Karena elektron ini, populasi pita konduksi meningkat tajam R-konduktor, dan dapat melebihi konsentrasi elektron pada pita valensi.
Difusi lubang dari R- di n- wilayah.
Karena difusi pembawa terjadi pada kedalaman yang dangkal (dalam orde beberapa mikron), tidak seluruh permukaan permukaan ujung dioda semikonduktor berpartisipasi dalam radiasi, tetapi hanya daerah yang berbatasan langsung dengan bidang antarmuka. R- dan n- daerah.
Dalam mode berdenyut jenis ini, laser yang beroperasi dalam helium cair memiliki kekuatan sekitar 300 sel dengan durasi sekitar 50 tidak dan sekitar 15 sel dengan durasi 1 MS. Dalam mode terus menerus, daya keluaran bisa mencapai 10-20 mW pada daya pompa sekitar 50 mW.
Osilasi dipancarkan hanya dari saat rapat arus di persimpangan mencapai nilai ambang, yang untuk arsenik galium adalah sekitar 10 4 a/cm 2 . Kepadatan tinggi seperti itu dicapai dengan memilih area kecil daerah transisi biasanya sesuai dengan arus yang melalui dioda dengan orde beberapa ampere.

3.2.2 Generator dengan zat aktif gas

Dalam generator kuantum rentang optik, zat aktif biasanya merupakan campuran dua gas. Yang paling umum adalah laser gas berdasarkan campuran helium (He) dan neon (Ne).
Lokasi tingkat energi helium dan neon ditunjukkan pada Gambar 11. Urutan transisi kuantum dalam laser gas adalah sebagai berikut. Di bawah aksi osilasi elektromagnetik dari generator frekuensi tinggi dalam campuran gas yang tertutup dalam tabung kaca kuarsa, terjadi pelepasan listrik, yang mengarah ke transisi atom helium dari keadaan dasar I ke keadaan II (2 3 S) dan III (2 1 S). Ketika atom helium yang tereksitasi bertabrakan dengan atom neon, terjadi pertukaran energi di antara mereka, akibatnya atom helium yang tereksitasi mentransfer energi ke atom neon dan populasi level 2S dan 3S neon meningkat secara signifikan.
dll.................

Dalam generator kuantum, energi internal sistem mikro - atom, molekul, ion - digunakan untuk membuat osilasi elektromagnetik.

Generator kuantum juga disebut laser. Kata laser terdiri dari huruf awal dari nama Inggris generator kuantum - penguat cahaya dengan menciptakan radiasi terstimulasi.

Prinsip operasi generator kuantum adalah sebagai berikut. Ketika mempertimbangkan struktur energi materi, ditunjukkan bahwa perubahan energi partikel mikro (atom, molekul, ion, elektron) tidak terjadi terus menerus, tetapi secara terpisah - dalam bagian yang disebut kuanta (dari bahasa Latin kuantim - kuantitas).

Mikrosistem di mana partikel elementer berinteraksi satu sama lain disebut sistem kuantum.

Transisi sistem kuantum dari satu keadaan energi ke yang lain disertai dengan emisi atau penyerapan kuantum energi elektromagnetik hv: E 2 - Ei \u003d hv, di mana E 1 dan E 2 - keadaan energi: h - konstanta Planck; v - frekuensi.

Diketahui bahwa keadaan paling stabil dari sistem apa pun, termasuk atom dan molekul, adalah keadaan dengan energi terendah. Oleh karena itu, setiap sistem cenderung menempati dan mempertahankan keadaan dengan energi paling rendah. Oleh karena itu, dalam keadaan normal, elektron bergerak pada orbit terdekat dengan nukleus. Keadaan atom ini disebut keadaan dasar atau stasioner.

Di bawah pengaruh faktor eksternal - pemanasan, pencahayaan, medan elektromagnetik - keadaan energi atom dapat berubah.

Jika sebuah atom, misalnya, hidrogen berinteraksi dengan medan elektromagnetik, maka ia menyerap energi E 2 -E 1 = hv dan elektronnya menuju ke tingkat energi yang lebih tinggi. Keadaan atom ini disebut tereksitasi. Sebuah atom dapat tinggal di dalamnya untuk waktu yang sangat singkat, yang disebut masa hidup atom yang tereksitasi. Setelah itu, elektron kembali ke tingkat yang lebih rendah, yaitu, ke keadaan stabil utama, mengeluarkan energi berlebih dalam bentuk kuantum energi yang dipancarkan - foton.

Radiasi energi elektromagnetik selama transisi sistem kuantum dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar tanpa pengaruh eksternal disebut spontan atau spontan. Dalam emisi spontan, foton dipancarkan secara acak, dalam arah yang berubah-ubah, dengan polarisasi yang berubah-ubah. Makanya disebut inkoheren.

Namun, di bawah aksi medan elektromagnetik eksternal, elektron dapat dikembalikan ke tingkat energi yang lebih rendah bahkan sebelum berakhirnya masa hidup atom dalam keadaan tereksitasi. Jika, misalnya, dua foton bekerja pada atom yang tereksitasi, maka dalam kondisi tertentu elektron atom kembali ke tingkat yang lebih rendah, memancarkan kuantum dalam bentuk foton. Dalam hal ini, ketiga foton memiliki fase, arah, dan polarisasi radiasi yang sama. Akibatnya, energi radiasi elektromagnetik meningkat.

Emisi energi elektromagnetik oleh sistem kuantum dengan penurunan tingkat energinya di bawah aksi medan elektromagnetik eksternal disebut paksa, diinduksi atau dirangsang.

Radiasi induksi bertepatan dalam frekuensi, fase dan arah dengan iradiasi eksternal. Oleh karena itu, radiasi semacam itu disebut koheren (koherensi - dari bahasa Latin cogerentia - adhesi, koneksi).

Karena energi medan eksternal tidak dihabiskan untuk merangsang transisi sistem ke tingkat energi yang lebih rendah, medan elektromagnetik diperkuat dan energinya meningkat dengan nilai energi kuantum yang dipancarkan. Fenomena ini digunakan untuk memperkuat dan menghasilkan osilasi menggunakan perangkat kuantum.

Saat ini, laser dibuat dari bahan semikonduktor.

Laser semikonduktor adalah perangkat semikonduktor yang secara langsung mengubah energi listrik menjadi energi radiasi optik.

Untuk pengoperasian laser, yaitu, agar laser dapat menghasilkan osilasi elektromagnetik, perlu ada lebih banyak partikel tereksitasi dalam substansinya daripada yang tidak tereksitasi.

Tetapi dalam keadaan normal semikonduktor pada tingkat energi yang lebih tinggi pada suhu berapa pun, jumlah elektron lebih sedikit daripada pada tingkat yang lebih rendah. Oleh karena itu, dalam keadaan normal, semikonduktor menyerap energi elektromagnetik.

Kehadiran elektron pada satu tingkat atau lainnya disebut populasi tingkat.

Keadaan semikonduktor di mana terdapat lebih banyak elektron pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada pada tingkat yang lebih rendah disebut keadaan inversi populasi. Populasi terbalik dapat dibuat dengan berbagai cara: dengan menyuntikkan pembawa muatan dengan penyalaan langsung pada sambungan p-n, dengan menyinari semikonduktor dengan cahaya, dll.

Sumber energi, menciptakan inversi populasi, melakukan pekerjaan dengan mentransfer energi ke materi dan kemudian ke medan elektromagnetik. Dalam semikonduktor dengan populasi terbalik, emisi terstimulasi dapat diperoleh, karena memiliki sejumlah besar elektron tereksitasi yang dapat melepaskan energinya.

Jika semikonduktor dengan populasi terbalik disinari dengan osilasi elektromagnetik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi transisi antara tingkat energi, maka elektron dari tingkat atas pergi ke tingkat yang lebih rendah dengan paksa, memancarkan foton. Dalam hal ini, emisi koheren terstimulasi terjadi. Hal ini diperkuat. Setelah membuat sirkuit umpan balik positif di perangkat semacam itu, kami mendapatkan laser - autogenerator osilasi elektromagnetik dalam rentang optik.

Untuk pembuatan laser, galium arsenida paling sering digunakan, dari mana kubus dibuat dengan panjang sisi beberapa persepuluh milimeter.

Bab 4. MENSTABILKAN FREKUENSI TRANSMITTER

Keberhasilan yang dicapai dalam pengembangan dan penelitian penguat kuantum dan osilator dalam jangkauan radio menjadi dasar penerapan proposal untuk memperkuat dan menghasilkan cahaya berdasarkan emisi terstimulasi dan mengarah pada penciptaan osilator kuantum dalam jangkauan optik. Generator kuantum optik (OQGs) atau laser adalah satu-satunya sumber cahaya monokromatik yang kuat. Prinsip memperkuat cahaya dengan bantuan sistem atom pertama kali diusulkan pada tahun 1940 oleh V.A. kain. Namun, pembenaran untuk kemungkinan menciptakan generator kuantum optik hanya diberikan pada tahun 1958 oleh Ch. Townes dan A. Shavlov atas dasar pencapaian dalam pengembangan perangkat kuantum dalam jangkauan radio. Generator kuantum optik pertama direalisasikan pada tahun 1960. Itu adalah laser laser dengan kristal ruby ​​​​sebagai zat kerja. Penciptaan inversi populasi di dalamnya dilakukan dengan metode pemompaan tiga tingkat, yang biasanya digunakan dalam penguat kuantum paramagnetik.

Saat ini, berbagai macam generator kuantum optik telah dikembangkan yang berbeda dalam zat kerja (kristal, gelas, plastik, cairan, gas, semikonduktor digunakan dalam kapasitas ini) dan metode untuk menciptakan inversi populasi (pemompaan optik, pelepasan dalam gas, reaksi kimia, dll).).

Radiasi generator kuantum optik yang ada mencakup rentang panjang gelombang dari ultraviolet ke daerah inframerah jauh dari spektrum yang berdekatan dengan gelombang milimeter. Mirip dengan generator kuantum dalam jangkauan radio, generator kuantum optik terdiri dari dua bagian utama: zat (aktif) yang berfungsi, di mana dalam satu atau lain cara

inversi populasi dibuat, dan sistem resonansi (Gbr. 62). Sebagai yang terakhir, resonator terbuka dari jenis interferometer Fabry-Perot digunakan dalam laser, yang dibentuk oleh sistem dua cermin yang saling berjauhan.

Substansi yang bekerja memperkuat radiasi optik karena emisi partikel aktif yang diinduksi. Sistem resonansi, yang menyebabkan beberapa lintasan radiasi induksi optik yang muncul melalui media aktif, menentukan interaksi efektif medan dengannya. Jika kita menganggap laser sebagai sistem yang berosilasi sendiri, maka resonator memberikan umpan balik positif sebagai akibat dari kembalinya sebagian radiasi yang merambat antara cermin ke media aktif. Agar osilasi terjadi, daya dalam laser, yang diperoleh dari media aktif, harus sama dengan daya rugi-rugi pada resonator atau melebihinya. Ini setara dengan fakta bahwa intensitas gelombang pembangkitan setelah melewati media penguat, yang dipantulkan dari cermin -/ dan 2 , kembali ke penampang semula harus tetap tidak berubah atau melebihi nilai awal.

Ketika melewati medium aktif, intensitas gelombang 1^ bervariasi secara eksponensial (mengabaikan saturasi) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ] , dan ketika dipantulkan dari cermin, itu berubah menjadi G sekali ( t - koefisien. pantulan cermin), sehingga kondisi terjadinya pembangkitan dapat ditulis sebagai

di mana L - panjang media aktif yang bekerja; r 1 dan r 2 - koefisien refleksi cermin 1 dan 2 ; a u - keuntungan dari media aktif; b 0 - konstanta redaman, dengan mempertimbangkan kehilangan energi dalam zat yang bekerja sebagai akibat dari hamburan pada ketidakhomogenan dan cacat.

I. Resonator generator kuantum optik

Sistem laser resonansi, seperti disebutkan, adalah resonator terbuka. Saat ini, resonator terbuka dengan cermin datar dan bulat paling banyak digunakan. Ciri khas resonator terbuka adalah dimensi geometriknya berkali-kali lebih besar daripada panjang gelombang. Seperti resonator terbuka volumetrik, mereka memiliki satu set mode alami osilasi, ditandai dengan distribusi medan tertentu di mereka dan frekuensi sendiri. Mode eigen dari resonator terbuka adalah solusi dari persamaan medan yang memenuhi kondisi batas pada cermin.

Ada beberapa metode untuk menghitung resonator rongga yang memungkinkan seseorang menemukan mode eigen. Teori resonator terbuka yang ketat dan paling lengkap diberikan dalam karya L.A. Vaivshtein.* Sebuah metode visual untuk menghitung jenis osilasi pada resonator terbuka dikembangkan dalam karya A. Fox dan T. Lee.

(113)

Itu digunakan di dalamnya. perhitungan numerik yang mensimulasikan proses penetapan jenis osilasi di resonator sebagai akibat dari beberapa refleksi dari cermin. Awalnya, distribusi medan yang sewenang-wenang pada permukaan salah satu cermin diatur. Kemudian, menerapkan prinsip Huygens, distribusi medan pada permukaan cermin lain dihitung. Distribusi yang dihasilkan diambil sebagai distribusi asli dan perhitungan diulang. Setelah beberapa refleksi, distribusi amplitudo medan dan fase pada permukaan cermin cenderung ke nilai stasioner, yaitu. bidang pada setiap cermin bereproduksi sendiri tidak berubah. Distribusi medan yang dihasilkan adalah jenis osilasi normal dari resonator terbuka.

Perhitungan A. Fox dan T. Lee didasarkan pada rumus Kirchhoff berikut, yang merupakan ekspresi matematis dari prinsip Huygens, yang memungkinkan Anda menemukan perapian di titik pengamatan TETAPI atas bidang tertentu pada beberapa permukaan Sb

di mana Eb adalah medan di titik B pada permukaan S b; k- nomor gelombang; R - jarak antar titik TETAPI dan PADA; Q - sudut antara garis yang menghubungkan titik-titik TETAPI dan PADA, dan normal terhadap permukaan Sb

Dengan peningkatan jumlah lintasan, perapian di cermin cenderung ke distribusi stasioner, yang dapat direpresentasikan sebagai berikut:

di mana V(x ,y) - fungsi distribusi yang bergantung pada koordinat pada permukaan cermin dan tidak berubah dari refleksi ke refleksi;

y adalah konstanta kompleks yang tidak bergantung pada koordinat spasial.

Mengganti rumus (112) ke dalam ekspresi (III). kita dapatkan persamaan integral

Ini memiliki solusi hanya untuk nilai-nilai tertentu [Gamma] = [gamma min.] disebut nilai-nilai sendiri, Fungsi Vmn , memenuhi persamaan integral, mencirikan struktur medan berbagai jenis osilasi resonator, yang disebut melintang osilasi dan ditetapkan sebagai osilasi jenis TEMmn Simbol TEM menunjukkan bahwa air di dalam resonator dekat dengan elektromagnetik transversal, yaitu. tidak memiliki komponen medan sepanjang arah rambat gelombang. indeks m dan n menunjukkan jumlah perubahan arah medan di sepanjang sisi cermin (untuk cermin persegi panjang) atau di sepanjang sudut dan di sepanjang jari-jari (untuk cermin bundar). Gambar 64 menunjukkan konfigurasi medan listrik untuk mode osilasi transversal paling sederhana dari resonator terbuka dengan cermin bundar. Mode eigen dari resonator terbuka dicirikan tidak hanya oleh distribusi medan, tetapi juga oleh distribusinya di sepanjang sumbu resonator, yang merupakan gelombang berdiri dan berbeda dalam jumlah setengah gelombang yang sesuai dengan panjang resonator. Untuk memperhitungkan hal ini, indeks ketiga diperkenalkan ke dalam penunjukan jenis getaran sebuah mencirikan jumlah setengah gelombang yang cocok di sepanjang sumbu resonator.

Generator kuantum optik pada keadaan padat

Generator kuantum optik solid-state, atau laser solid-state, menggunakan kristal atau dielektrik amorf sebagai media penguatan aktif. Partikel kerja, transisi antara keadaan energi yang menentukan generasi, sebagai aturan, adalah ion atom dari kelompok transisi Tabel Periodik Ion yang paling umum digunakan adalah Na 3+, Cr 3+, Ho 3+ , Pr3+. Partikel aktif membentuk fraksi atau satuan persen dari jumlah total atom medium kerja, sehingga partikel tersebut, seolah-olah, membentuk "larutan" konsentrasi rendah dan karena itu berinteraksi sedikit satu sama lain. Tingkat energi yang digunakan adalah tingkat partikel kerja yang dipecah dan diperluas oleh medan internal yang kuat dan tidak homogen dari padatan. Sebagai dasar dari media penguat aktif, kristal korundum (Al2O3), itrium-aluminium garnet paling sering digunakan. YAG(Y3Al5O12), berbagai merek kaca, dll.

Inversi populasi dalam media kerja laser solid-state dibuat dengan metode yang mirip dengan yang digunakan dalam amplifier paramagnetik. Ini dilakukan dengan bantuan pemompaan optik, mis. paparan cahaya intensitas tinggi.

Seperti yang ditunjukkan oleh penelitian, sebagian besar media aktif yang ada saat ini yang digunakan dalam laser solid-state dijelaskan secara memuaskan oleh dua energi ideal utama. skema: tiga dan empat tingkat (Gbr. 71).

Mari kita pertimbangkan terlebih dahulu metode pembuatan inversi populasi dalam media yang dijelaskan oleh skema tiga tingkat (lihat Gambar 71a). Dalam keadaan normal, hanya level utama yang lebih rendah yang terisi. 1 (jarak energi antara level jauh lebih besar dari kT), karena transisi 1->2, dan 1->3) termasuk dalam rentang optik. Transisi antara level 2 dan 1 bersifat operasional. Tingkat 3 bantu dan digunakan untuk membuat inversi dari pasangan level yang berfungsi. Ini sebenarnya menempati pita lebar nilai energi yang dapat diterima, karena interaksi partikel yang bekerja dengan bidang intrakristalin.

pembangkit kuantum

pembangkit kuantum- nama umum sumber radiasi elektromagnetik, yang bekerja berdasarkan radiasi terstimulasi atom dan molekul. Bergantung pada panjang gelombang apa yang dipancarkan generator kuantum, itu bisa disebut berbeda: laser, maser, raser, gaser.

Sejarah penciptaan

Generator kuantum didasarkan pada prinsip emisi terstimulasi yang diusulkan oleh A. Einstein: ketika sistem kuantum tereksitasi dan pada saat yang sama ada radiasi yang sesuai dengan transisi kuantum, probabilitas sistem melompat ke tingkat energi yang lebih rendah meningkat dalam sebanding dengan kepadatan foton radiasi yang sudah ada. Kemungkinan menciptakan generator kuantum atas dasar ini ditunjukkan oleh fisikawan Soviet V. A. Fabrikant pada akhir 1940-an.

literatur

Landsberg G.S. Buku ajar fisika dasar. Volume 3. Osilasi dan gelombang. Optik. Fisika atom dan nuklir. - 1985.

Herman J., Wilhelmy B. "Laser untuk menghasilkan pulsa cahaya ultrashort" - 1986.

Yayasan Wikimedia. 2010 .

• Notker Gagap
• Sintesis ulang

Lihat apa itu "Generator Quantum" di kamus lain:

GENERATOR KUANTUM- generator listrik besar gelombang, di mana fenomena emisi terstimulasi digunakan (lihat QUANTUM ELEECTRONICS). K. g. dari jangkauan radio, serta penguat kuantum, disebut. tukang pijat KG pertama dibuat dalam kisaran gelombang mikro pada tahun 1955. Media aktif di dalamnya ... Ensiklopedia Fisik

GENERATOR KUANTUM- sumber radiasi elektromagnetik yang koheren, tindakan yang didasarkan pada emisi terstimulasi foton oleh atom, ion, dan molekul. Generator kuantum dari jangkauan radio disebut maser, generator kuantum dari jangkauan optik ... ... Kamus Ensiklopedis Besar

pembangkit kuantum- Sumber radiasi koheren berdasarkan penggunaan emisi terstimulasi dan umpan balik. Catatan Generator kuantum dibagi menurut jenis zat aktif, metode eksitasi dan karakteristik lainnya, misalnya, balok, gas ... Buku Pegangan Penerjemah Teknis

GENERATOR KUANTUM- sumber radiasi elektromagnetik koheren monokromatik (jangkauan optik atau radio), yang bekerja berdasarkan radiasi terstimulasi dari atom, molekul, ion yang tereksitasi. Sebagai zat kerja, gas, kristal ... Ensiklopedia Politeknik Hebat

pembangkit kuantum- perangkat untuk menghasilkan radiasi elektromagnetik yang koheren. Koherensi adalah aliran terkoordinasi dalam waktu dan ruang dari beberapa proses osilasi atau gelombang, yang memanifestasikan dirinya ketika mereka ditambahkan, misalnya. dengan gangguan... Ensiklopedia teknologi

pembangkit kuantum- sumber radiasi elektromagnetik yang koheren, tindakan yang didasarkan pada emisi terstimulasi foton oleh atom, ion, dan molekul. Generator kuantum dari jangkauan radio disebut maser, generator kuantum dari jangkauan optik ... ... kamus ensiklopedis

pembangkit kuantum- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekul, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: engl. kuantum…… Penkiakalbis aiskinamesis metrologijos terminų odynas

pembangkit kuantum- kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. pembangkit kuantum Quantengenerator, m rus. generator kuantum, m pranc. quantique oscillateur, m … Fizikos terminų odynas

pembangkit kuantum- generator gelombang elektromagnetik yang menggunakan fenomena emisi terstimulasi (Lihat Stimulasi Emisi) (lihat Quantum Electronics). K. g. dari jangkauan radio frekuensi super tinggi (SHF), serta penguat kuantum ini ... ... Ensiklopedia Besar Soviet

GENERATOR KUANTUM- sumber radiasi koheren elektromagnetik (rentang optik atau radio), di mana fenomena radiasi induksi dari atom, molekul, ion, dll. yang tereksitasi digunakan. Kamus besar ensiklopedis politeknik

sumber koheren elektromagnetik radiasi(jangkauan optik atau radio), di mana fenomena tersebut digunakan emisi terstimulasi atom tereksitasi, molekul, ion, dan sebagainya Gas, cairan, dielektrik padat, dan kristal PP digunakan sebagai zat kerja di CG. Eksitasi kerja in-va, yaitu, pasokan energi yang diperlukan untuk pengoperasian K. g., dilakukan oleh listrik yang kuat. medan, cahaya dari luar sumber, berkas elektron, dll. Radiasi K. g., selain monokromatisitas tinggi dan koherensi memiliki fokus dan sarana yang sempit. kekuatan. Lihat juga Laser, Maser, Generator molekuler.

• sama lasernya...

  Awal Mula Ilmu Pengetahuan Alam Modern

• - perangkat generator kuantum untuk menghasilkan radiasi elektromagnetik yang koheren...

  Ensiklopedia teknologi

• - generator kuantum optik sama dengan laser ...

  Ensiklopedia teknologi

• - sumber el.-magnet yang koheren. radiasi, tindakan yang didasarkan pada emisi terstimulasi foton oleh atom, ion dan molekul. K.g. radio band disebut. maser, K.g. optik. jangkauan -laser ...
• sama lasernya...

  Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis

• - perangkat teknis untuk pembangkitan radiasi koheren monokromatik berdenyut atau kontinu dalam rentang spektrum optik ...

  Kamus Besar Kedokteran

• - sumber radiasi koheren elektromagnetik, di mana fenomena radiasi induksi dari atom, molekul, ion yang tereksitasi digunakan. Gas, cairan, ...

  Kamus besar ensiklopedis politeknik

• - generator gelombang elektromagnetik yang menggunakan fenomena radiasi terstimulasi ...
• sama lasernya...

  Ensiklopedia Besar Soviet

• sama lasernya...

  Ensiklopedia Modern

• - sumber radiasi elektromagnetik koheren, tindakan yang didasarkan pada emisi terstimulasi foton oleh atom, ion, dan molekul ...
• sama lasernya...

  Kamus ensiklopedis besar

• - QUANTUM, -a, m Dalam fisika: jumlah energi terkecil yang dilepaskan atau diserap oleh suatu besaran fisika dalam keadaan tidak stasioner. energi K. K.ringan...

  Kamus penjelasan Ozhegov

• - KUANTUM, kuantum, kuantum. adj. ke kuantum. sinar kuantum. Mekanika kuantum...

  Kamus Penjelasan Ushakov

• - penyesuaian kuantum 1. rasio dengan kata benda. kuantum yang terkait dengannya 2 ...

  Kamus Penjelasan Efremova

• - persegi "...

  kamus ejaan bahasa Rusia

"QUANTUM GENERATOR" dalam buku

Transisi kuantum

Dari buku Anti-Semitisme sebagai Hukum Alam pengarang Brushtein Mikhail

Transisi Quantum Para reformis terbaru, yang menemukan sistem sosial yang patut dicontoh di atas kertas, sebaiknya melihat sistem sosial dan sosial di mana orang Yahudi pertama hidup. Apa yang terjadi di Sinai bisa diperlakukan berbeda.

lompatan kuantum

Dari buku Aku dan Kosmos Besarku pengarang Klimkevich Svetlana Titovna

Lompatan Kuantum 589 = Manusia membawa energi kreatif Tuhan - Cinta = 592 = Kebangkitan spiritual yang luar biasa - Tanda siklus kosmik = "Kode numerik". Buku 2. Hierarki Kryon 27 01.2012 "Ruang Waktu - Waktu Ruang ..." - kata-kata saat bangun.

4.1. prosesor kuantum

Dari buku Quantum Magic pengarang Doronin Sergey Ivanovich

4.1. prosesor kuantum

lompatan kuantum

Dari buku Law of Attraction oleh Hicks Esther

Quantum Leap Jerry: Sangat mudah untuk mengambil langkah kecil dari tempat kita sekarang dan hanya melakukan sedikit lebih banyak dari apa yang kita lakukan, menjadi lebih dari diri kita sendiri, dan memiliki lebih banyak dari apa yang kita miliki sekarang. Dan bagaimana dengan apa yang bisa disebut "lompatan kuantum", yaitu, untuk mencapai sesuatu,

Lompatan kuantum

Dari buku Playing in the Void. Mitologi keanekaragaman pengarang Demchog Vadim Viktorovich

Lompatan Kuantum Hasil pemurnian adalah kesadaran bahwa segala sesuatu terjadi "di telapak tangan kita". Metode yang membantu menetapkan ini disebut dalam permainan lompatan kuantum. Dan itu didasarkan pada sifat mudah tertipu dari ruang yang melihat kita. Faktanya adalah

otak kuantum

Dari buku Playing in the Void. Karnaval Kebijaksanaan Gila pengarang Demchog Vadim Viktorovich

Otak Kuantum Mari kita mulai dengan puisi: Sir Charles Sherrington, bapak neurofisiologi yang diakui secara universal, mengibaratkan otak "... dengan alat tenun pemuntir ajaib di mana jutaan pesawat ulang-alik berkilau menenun pola yang meleleh di depan mata kita (perhatikan - " meleleh di depan mata kita.” - V.D.), selalu

dunia kuantum

oleh Philip Gardiner

Dunia kuantum Saya terinspirasi oleh gagasan bahwa di alam semesta (dari tingkat mikro hingga makro, dari pergerakan kosmik planet hingga interaksi elektron, dari silikon dioksida mikroskopis hingga piramida Mesir buatan manusia) ada alam semesta model, bukan

dewa kuantum

Dari buku Gates ke dunia lain oleh Philip Gardiner

Dewa Kuantum Saat mengerjakan buku ini, saya mengambil cuti dari fisika kuantum dan melakukan perjalanan ke Lichfield, Staffordshire. Saya bersenang-senang di Katedral Lichfield yang indah dan esoteris, sambil melihat fasadnya yang menakjubkan.

Lompatan kuantum

Dari buku Ras Keenam dan Nibiru pengarang Byazyrev Georgy

LOMPATAN QUANTUM Ketika Anda mencapai samadhi, jiwa berubah menjadi Cahaya Ilahi Pembaca yang budiman, Anda sudah tahu bahwa pada tahun 2011 planet kedua belas tata surya, Nibiru, akan terlihat di langit kita. Pada bulan Februari 2013, Planet X akan mendekati yang paling dekat dengan Bumi

Lampiran III. PIKIRAN: Pikiran Kuantum

Dari buku The Power of Silence pengarang Mindell Arnold

Lampiran III. PIKIRAN: Pikiran Kuantum Di halaman berikut, saya akan merangkum beberapa dari banyak arti yang saya kaitkan dengan istilah "pikiran kuantum". buku-buku Nick Herbert

dualisme kuantum

Dari buku The End of Science: A Look at the Limits of Knowledge at the End of Age of Science penulis Horgan John

Dualisme Kuantum Ada satu hal yang disetujui oleh Crick, Edelman, dan hampir semua ahli saraf: sifat-sifat pikiran pada dasarnya tidak bergantung pada mekanika kuantum. Fisikawan, filsuf, dan ilmuwan lain telah berspekulasi tentang hubungan antara mekanika kuantum dan kesadaran, setidaknya

Pikiran kuantum dan pikiran proses

Dari buku Proses Pikiran. Panduan untuk Terhubung dengan Pikiran Tuhan pengarang Mindell Arnold

Pikiran Kuantum dan Pikiran Proses Pikiran Proses adalah pengembangan dari semua pekerjaan saya sebelumnya, dan khususnya buku Pikiran Kuantum, yang ditulis sekitar sepuluh tahun yang lalu. Dalam buku ini, saya membahas karakteristik seperti kuantum dari psikologi kita dan menunjukkan caranya

ELEKTRON - GAS KUANTUM

Dari buku Living Crystal pengarang Geguzin Yakov Evseevich

ELEKTRON - GAS KUANTUM Dalam sejarah studi kristal pada awal abad kita, ada periode ketika, antara lain, masalah "elektron dalam logam" sangat misterius, menarik, tampaknya - jalan buntu . Hakim untuk diri sendiri. Eksperimen mempelajari sifat listrik

pembangkit kuantum

Dari buku Great Soviet Encyclopedia (KV) penulis TSB

Generator kuantum optik

Dari buku Great Soviet Encyclopedia (OP) dari penulis TSB