Universitatea Tehnică de Stat Baltic
„Voenmekh” ei. D. F. Ustinova
Departamentul I4
„Sisteme de control radioelectronic”

Dispozitive pentru recepţionarea şi convertirea semnalelor
Cursuri pe tema
« generatoare cuantice »

Efectuat:
Peredelsky Oleg
Grupa I471
Verificat:
Tarasov A.I.

St.Petersburg
2010

1. Introducere
Această lucrare discută principiile de funcționare a generatoarelor cuantice, circuitele generatoarelor, caracteristicile de proiectare ale acestora, stabilitatea frecvenței generatoarelor și principiile modulației în generatoarele cuantice.
1.1 Informații generale
Principiul de funcționare al generatoarelor cuantice se bazează pe interacțiunea unui câmp de înaltă frecvență cu atomii sau moleculele unei substanțe. Ele fac posibilă generarea de oscilații de frecvență mult mai mare și stabilitate ridicată.
Pe baza generatoarelor cuantice, este posibil să se creeze standarde de frecvență care depășesc toate standardele existente în ceea ce privește acuratețea. Stabilitatea frecvenței pe termen lung, de ex. stabilitatea pe o perioadă lungă este estimată la 10 -9 - 10 -10 , iar stabilitatea pe termen scurt (minute) poate ajunge la 10 -11 .

Momentan în Generatoarele cuantice de timp sunt utilizate pe scară largă ca standarde de frecvență în sistemele de servicii de timp. Amplificatoarele cuantice utilizate în receptoarele diferitelor sisteme de inginerie radio pot crește semnificativ sensibilitatea echipamentului și pot reduce nivelul de zgomot intern.
Una dintre caracteristicile generatoarelor cuantice, care determină îmbunătățirea lor rapidă, este capacitatea lor de a funcționa eficient la frecvențe foarte înalte, inclusiv în domeniul optic, adică practic până la frecvențe de ordinul 10 9. MHz
Generatoarele optice fac posibilă obținerea unei directivitati ridicate a radiațiilor, densitate mare de energie în fasciculul luminos (de ordinul 10 12 -10 13 cu/l 2 ) și o gamă uriașă de frecvență, permițând transmiterea unei cantități mari de informații.
Utilizarea generatoarelor de rază optică în sistemele de comunicații, localizare și navigație deschide noi perspective pentru o creștere semnificativă a razei și fiabilității comunicațiilor, rezoluției sistemelor radar în rază și unghi, precum și perspective pentru crearea unei navigații de înaltă precizie. sisteme.
Generatoarele optice sunt utilizate în cercetarea științifică
cercetare și industrie. Concentrația extrem de mare de energie într-un fascicul îngust face posibilă, de exemplu, arderea găurilor cu diametru foarte mic în aliaje și minerale superdure, inclusiv cel mai dur mineral, diamantul.
Generatoarele cuantice disting de obicei între:

după natura substanței active (solide sau gazoase), fenomenele cuantice în care determină funcționarea dispozitivelor.
după intervalul de frecvență de funcționare (gamă de centimetri și milimetri, domeniul optic - infraroșu și părți vizibile ale spectrului)
prin metoda excitaţiei substanţei active sau separarea moleculelor în funcţie de nivelurile energetice.

În funcție de intervalul de frecvență de funcționare, generatoarele cuantice sunt împărțite în maseriși lasere. Nume maser este o abreviere a expresiei „Amplificare cu microunde prin emisie stimulată de radiații MASER”. Nume laser- abrevierea expresiei „Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații LASER”

1.2 Istoria creației
Istoria creării unui maser ar trebui să înceapă în 1917, când Albert Einstein a introdus pentru prima dată conceptul de emisie stimulată. Acesta a fost primul pas către laser. Următorul pas a fost făcut de fizicianul sovietic V.A. Fabrikant, care în 1939 a subliniat posibilitatea de a folosi emisia stimulată pentru a amplifica radiația electromagnetică pe măsură ce aceasta trece prin materie. Ideea exprimată de V.A. Fabrikant, a presupus utilizarea microsistemelor cu populații de nivel invers. Mai târziu, după încheierea Marelui Război Patriotic, V.A. Fabrikant a revenit la această idee și, pe baza cercetărilor sale, a depus în 1951 (împreună cu M.M. Vudynsky și F.A. Butaeva) o cerere pentru inventarea unei metode de amplificare a radiațiilor folosind emisie stimulată. Pentru această cerere a fost eliberat un certificat, în care, la rubrica „Obiectul invenției”, este scris: „O metodă de amplificare a radiațiilor electromagnetice (lungimi de undă ultraviolete, vizibile, infraroșii și radio), caracterizată prin aceea că radiația amplificată este trecute printr-un mediu în care, cu ajutorul radiațiilor auxiliare sau în alt mod, creează o concentrație în exces de atomi, alte particule sau sistemele acestora la nivelurile superioare de energie corespunzătoare stărilor excitate față de cea de echilibru.
Inițial, această metodă de amplificare a radiațiilor s-a dovedit a fi implementată în domeniul radio, și mai precis în domeniul de frecvență ultraînaltă (gama UHF). În mai 1952, la Conferința întregii uniuni privind spectroscopia radio, fizicienii sovietici (acum academicieni) N.G. Basov și A.M. Prokhorov a făcut un raport despre posibilitatea fundamentală de a crea un amplificator de radiații în domeniul microundelor. L-au numit „generator molecular” (trebuia să folosească un fascicul de molecule de amoniac). Aproape simultan, propunerea de a folosi emisia stimulată pentru amplificarea și generarea undelor milimetrice a fost făcută la Universitatea Columbia din SUA de către fizicianul american C. Towns. În 1954, generatorul molecular, numit în curând maser, a devenit realitate. A fost dezvoltat și creat independent și simultan în două puncte de pe glob - la P.N. Academia de Științe Lebedev a URSS (grup condus de N.G. Basov și A.M. Prokhorov) și la Universitatea Columbia din SUA (grup condus de C. Townes). Ulterior, termenul „laser” a venit din termenul „maser” ca urmare a înlocuirii literei „M” (litera inițială a cuvântului Microwave - microunde) cu litera „L” (litera inițială a cuvântului Light - ușoară). Funcționarea atât a unui maser, cât și a unui laser se bazează pe același principiu - principiul formulat în 1951 de V.A. Fabricant. Apariția maserului a însemnat că s-a născut o nouă direcție în știință și tehnologie. La început a fost numită radiofizică cuantică, iar mai târziu a fost numită electronică cuantică.

2. Principiile de funcționare a generatoarelor cuantice.

În generatoarele cuantice, în anumite condiții, are loc o conversie directă a energiei interne a atomilor sau a moleculelor în energia radiației electromagnetice. Această transformare a energiei are loc ca urmare a tranzițiilor cuantice - tranziții energetice, însoțite de eliberarea de cuante (porțiuni) de energie.
În absența unei influențe externe între moleculele (sau atomii) unei substanțe, se face schimb de energie. Unele molecule emit vibrații electromagnetice, trecând de la un nivel de energie superior la unul inferior, iar unele le absorb, făcând tranziția inversă. În general, în condiții staționare, un sistem format dintr-un număr mare de molecule se află în echilibru dinamic, adică. ca urmare a schimbului continuu de energie, cantitatea de energie emisă este egală cu cantitatea absorbită.
Populația nivelurilor de energie, de ex. numărul de atomi sau molecule la diferite niveluri este determinat de temperatura substanţei. Populația nivelurilor N 1 și N 2 cu energie W 1 și W 2 este determinată de distribuția Boltzmann:

(1)

Unde k este constanta Boltzmann;
T este temperatura absolută a substanței.

Într-o stare de echilibru termic, sistemele cuantice au un număr mai mic de molecule la niveluri mai mari de energie și, prin urmare, nu radiază, ci absorb energie doar atunci când sunt iradiate extern. Moleculele (sau atomii) se deplasează apoi la niveluri de energie mai înalte.
În generatoarele și amplificatoarele moleculare care folosesc tranziții între niveluri de energie, este evident necesară crearea unor condiții artificiale în care populația de un nivel energetic superior să fie mai mare. În acest caz, sub influența unui câmp extern de înaltă frecvență de o anumită frecvență, apropiată de frecvența tranziției cuantice, se pot observa radiații intense asociate cu trecerea de la un nivel de energie ridicat la unul scăzut. O astfel de radiație cauzată de un câmp extern se numește indusă.
Câmpul extern de înaltă frecvență al frecvenței fundamentale, corespunzător frecvenței tranziției cuantice (această frecvență este numită cea rezonantă), nu numai că provoacă radiații intense induse, ci și fazează radiația moleculelor individuale, care asigură adăugarea de oscilații și manifestarea efectului de amplificare.
Starea unei tranziții cuantice când populația nivelului superior depășește populația nivelului inferior al tranziției se numește inversată.
Există mai multe modalități de a obține o populație ridicată a nivelurilor superioare de energie (inversarea populației).
În substanțele gazoase, de exemplu, în amoniac, este posibil să se efectueze separarea (sortarea) moleculelor în funcție de diferite stări de energie folosind un câmp electric extern constant.
În solide, o astfel de separare este dificilă; prin urmare, sunt utilizate diferite metode de excitare a moleculelor, de exemplu. metode de redistribuire a moleculelor pe niveluri energetice prin iradiere cu un câmp extern de înaltă frecvență.

O modificare a populației nivelurilor (inversarea populației nivelurilor) poate fi produsă prin iradiere în impulsuri cu un câmp de înaltă frecvență de frecvență de rezonanță de intensitate suficientă. Cu selectarea corectă a duratei pulsului (durata pulsului ar trebui să fie mult mai scurtă decât timpul de relaxare, adică timpul de restabilire a echilibrului dinamic), după iradiere, este posibil să se amplifice semnalul extern de înaltă frecvență pentru un anumit timp după iradiere.
Cea mai convenabilă metodă de excitare, care este în prezent utilizată pe scară largă în generatoare, este metoda de iradiere cu un câmp extern de înaltă frecvență, care diferă semnificativ ca frecvență de oscilațiile generate, sub influența cărora are loc redistribuirea necesară a moleculelor. niveluri de energie.
Funcționarea majorității generatoarelor cuantice se bazează pe utilizarea a trei sau patru niveluri de energie (deși în principiu se poate folosi un număr diferit de niveluri). Să presupunem că generarea are loc datorită trecerii induse de la nivel 3 la nivel 2 (vezi fig. 1).
Pentru ca substanța activă să se amplifice la frecvența de tranziție 3 -> 2, trebuie să facem nivelul populației 3 peste nivelul populației 2. Această sarcină este îndeplinită de un câmp auxiliar de înaltă frecvență cu o frecvență ? vsp care „transferă” o parte din molecule de la nivel 1 la nivel 3. Inversarea populației este posibilă pentru anumiți parametri ai sistemului cuantic și o putere suficientă a radiației auxiliare.
Un oscilator care creează un câmp auxiliar de înaltă frecvență pentru a crește populația de un nivel de energie mai înalt se numește oscilator de schimb sau iluminare de fundal. Acest din urmă termen este asociat cu generatoarele de oscilații ale vizibilului și infraroşu spectre în care sursele de lumină sunt folosite pentru pompare.
Astfel, pentru funcționarea eficientă a unui generator cuantic, este necesar să se selecteze o substanță activă care are un anumit sistem de niveluri de energie, între care ar putea avea loc o tranziție energetică, precum și să se aleagă cea mai potrivită metodă de excitare sau separare a moleculelor. în funcție de nivelurile de energie.

Figura 1. Schema tranzițiilor energetice
în generatoarele cuantice

3. Scheme ale generatoarelor cuantice
Generatoarele și amplificatoarele cuantice se disting prin tipul de substanță activă folosită în ele. În prezent, au fost dezvoltate două tipuri de dispozitive cuantice, în care sunt utilizate substanțe active gazoase și solide.
capabile de radiații induse intense.

3.1 Generatoare moleculare cu separarea moleculelor în funcție de nivelurile de energie.

Să luăm în considerare mai întâi un generator cuantic cu o substanță activă gazoasă, în care, cu ajutorul unui electric câmpuri, se realizează separarea (sortarea) moleculelor situate la niveluri energetice ridicate și scăzute. Acest tip de generator cuantic este denumit în mod obișnuit generator de fascicule moleculare.

Figura 2. Diagrama unui generator molecular bazat pe un fascicul de amoniac
1 – sursa de amoniac; 2- grila; 3 - diafragma; 4 - rezonator; 5 - dispozitiv de sortare

Generatoarele moleculare implementate practic folosesc gaz amoniac (formula chimică NH 3), în care radiația moleculară asociată cu tranziția între diferite niveluri de energie este foarte pronunțată. În intervalul de frecvență a microundelor, cea mai intensă radiație se observă în timpul tranziției energetice corespunzătoare frecvenței f n= 23 870 MHz ( ? n= 1,26 cm). O diagramă simplificată a unui generator care funcționează cu amoniac în stare gazoasă este prezentată în Figura 2.
Elementele principale ale dispozitivului, conturate în Figura 2 printr-o linie punctată, în unele cazuri sunt plasate într-un sistem special răcit cu azot lichid, care asigură temperatura scăzută a substanței active și toate elementele necesare pentru a obține un nivel scăzut de zgomot și stabilitate ridicată a frecvenței generatorului.
Moleculele de amoniac părăsesc rezervorul la o presiune foarte scăzută, măsurată în unități de milimetri de mercur.
Pentru a obține un fascicul de molecule care se deplasează aproape paralel pe direcția longitudinală, amoniacul este trecut printr-o diafragmă cu un număr mare de canale înguste direcționate axial. Diametrul acestor canale este ales să fie suficient de mic în comparație cu calea liberă medie a moleculelor. Pentru a reduce viteza de mișcare a moleculelor și, în consecință, a reduce probabilitatea de coliziune și radiații spontane, adică neinduse, care conduc la zgomot de fluctuație, diafragma este răcită cu heliu lichid sau azot.
Pentru a reduce probabilitatea de ciocnire a moleculelor, ar fi posibil să mergem nu pe calea reducerii temperaturii, ci pe calea reducerii presiunii, cu toate acestea, în acest caz, numărul de molecule din rezonator care interacționează simultan cu cel mare. -câmpul de frecvență al acestuia din urmă ar scădea, iar puterea cedată de moleculele excitate câmpului de înaltă frecvență al rezonatorului ar scădea.
Pentru a utiliza gazul ca substanță activă a unui generator molecular, este necesară creșterea numărului de molecule care se află la un nivel energetic mai ridicat, față de numărul lor determinat de echilibrul dinamic la o anumită temperatură.
În generatorul de tipul în cauză, acest lucru se realizează prin sortarea moleculelor cu energie scăzută din fasciculul molecular folosind așa-numitul condensator cvadrupol.
Un condensator cvadrupolar este format din patru tije longitudinale metalice de profil special (Figura 3a), conectate în perechi printr-unul cu un redresor de înaltă tensiune, care au același potențial, dar alternativ în semn. Câmpul electric rezultat al unui astfel de condensator pe axa longitudinală a generatorului este egal cu zero datorită simetriei sistemului și atinge valoarea sa maximă în spațiul dintre tijele adiacente (Figura 3b).

Figura 3. Diagrama unui condensator cvadrupolar

Procesul de sortare a moleculelor se desfășoară după cum urmează. S-a stabilit că moleculele dintr-un câmp electric își schimbă energia internă cu creșterea intensității câmpului electric, energia nivelurilor superioare crește și energia nivelurilor inferioare scade (Figura 4).

Figura 4. Dependența nivelului de energie de intensitatea câmpului electric:

nivelul energetic superior
nivel energetic mai scăzut

Acest fenomen se numește efectul Stark. Datorită efectului Stark, moleculele de amoniac, atunci când se deplasează în câmpul unui condensator cvadrupol, încercând să-și reducă energia, adică să dobândească o stare mai stabilă, sunt separate: molecule ale energiei superioare.nivelurile tind să părăsească regiunea unui câmp electric puternic, adică se deplasează spre axa condensatorului, unde câmpul este zero, iar moleculele nivelului inferior, dimpotrivă, se deplasează în regiunea unui câmp puternic, adică, îndepărtați-vă de axa condensatorului, apropiindu-vă de plăcile acestuia din urmă. Ca rezultat, fasciculul molecular nu este doar în mare măsură eliberat de moleculele de nivel inferior de energie, ci și destul de bine focalizat.
După trecerea prin dispozitivul de sortare, fasciculul molecular intră într-un rezonator reglat la frecvența tranziției energetice utilizată în generator. f n= 23 870 MHz .
Câmpul de înaltă frecvență al rezonatorului cavitate determină emisia indusă de molecule asociate cu trecerea de la nivelul de energie superior la cel inferior. Dacă energia emisă de molecule este egală cu energia consumată în rezonator și transferată la sarcina externă, atunci în sistem se stabilește un proces oscilator staționar și dispozitivul considerat poate fi folosit ca generator de oscilații stabil în frecvență.

Procesul de stabilire a oscilațiilor în generator decurge după cum urmează.
Moleculele care intră în rezonator, care sunt predominant la nivelul energetic superior, fac spontan (spontan) o tranziție la nivelul inferior, în timp ce emit cuante de energie de energie electromagnetică și excită rezonatorul. Inițial, această excitare a rezonatorului este foarte slabă, deoarece tranziția energetică a moleculelor este aleatorie. Câmpul electromagnetic al rezonatorului, acționând asupra moleculelor fasciculului, provoacă tranziții induse, care la rândul lor măresc câmpul rezonatorului. Astfel, crescând treptat, câmpul rezonatorului va afecta din ce în ce mai mult fasciculul molecular, iar energia eliberată în timpul tranzițiilor induse va spori câmpul rezonatorului. Procesul de creștere a intensității oscilațiilor va continua până la producerea saturației, la care câmpul rezonatorului va fi atât de puternic încât în ​​timpul trecerii moleculelor prin rezonator va provoca nu numai tranziții induse de la nivelul superior la cel inferior, ci și tranziții parțial inverse asociate cu absorbția energiei electromagnetice. În acest caz, puterea eliberată de moleculele de amoniac nu mai crește și, în consecință, o creștere suplimentară a amplitudinii oscilației devine imposibilă. Modul de generare staționară este setat.
Prin urmare, aceasta nu este o simplă excitare a rezonatorului, ci un sistem auto-oscilant care include feedback, care se realizează prin câmpul de înaltă frecvență al rezonatorului. Radiația moleculelor care zboară prin rezonator excită un câmp de înaltă frecvență, care, la rândul său, determină radiația indusă a moleculelor, fazarea și coerența acestei radiații.
În cazurile în care nu sunt îndeplinite condițiile de autoexcitare (de exemplu, densitatea fluxului molecular care pătrunde în rezonator este insuficientă), acest dispozitiv poate fi folosit ca amplificator cu un nivel foarte scăzut de zgomot intern. Câștigul unui astfel de dispozitiv poate fi ajustat prin modificarea densității fluxului molecular.
Rezonatorul cu cavitate al unui generator molecular are un factor de calitate foarte înalt, măsurat în zeci de mii. Pentru a obține un astfel de factor de calitate, pereții rezonatorului sunt prelucrați cu atenție și argintiți. Orificiile pentru intrarea si iesirea moleculelor, care au un diametru foarte mic, actioneaza simultan ca filtre de inalta frecventa. Sunt ghiduri de undă scurte, a căror lungime de undă critică este mai mică decât lungimea de undă intrinsecă a rezonatorului și, prin urmare, energia de înaltă frecvență a rezonatorului practic nu scapă prin ele.
Pentru reglarea fină a rezonatorului la frecvența de tranziție, se folosește un element de reglare în acesta din urmă. În cel mai simplu caz, acesta este un șurub, a cărui imersare în rezonator modifică oarecum frecvența acestuia din urmă.
Mai târziu se va arăta că frecvența generatorului molecular este oarecum „strânsă” atunci când frecvența de acordare a rezonatorului este schimbată. Adevărat, frecvența de tragere este mică și este estimată la valori de ordinul 10 -11, dar nu pot fi neglijate din cauza cerințelor ridicate impuse generatoarelor moleculare. Din acest motiv, într-un număr de generatoare moleculare, doar diafragma și sistemul de sortare sunt răcite cu azot lichid (sau aer lichid), iar rezonatorul este plasat într-un termostat, a cărui temperatură este menținută constantă printr-un dispozitiv automat pentru în fracţii de grad. Figura 5 prezintă schematic un dispozitiv de acest tip de generator.
Puterea generatoarelor moleculare asupra amoniacului nu depășește de obicei 10 -7 mar,
prin urmare, în practică, acestea sunt utilizate în principal ca standarde de frecvență foarte stabile. Stabilitatea frecvenței unui astfel de generator este estimată prin valoare
10 -8 - 10 -10. În decurs de o secundă, generatorul asigură o stabilitate a frecvenței de ordinul 10 -13 .
Unul dintre dezavantajele semnificative ale proiectării generatorului considerat este nevoia de pompare continuă și menținere a fluxului molecular.

Figura 5. Dispozitivul generatorului molecular
cu stabilizarea automată a temperaturii rezonatorului:
1- sursa de amoniac; 2 - sistem de capilare; 3- azot lichid; 4 - rezonator; 5 - sistem de control al temperaturii apei; 6 - condensator cvadrupolar.

3.2 Generatoare cuantice cu pompare externă

În tipul de generatoare cuantice luate în considerare, atât solidele cât și gazele pot fi utilizate ca substanțe active, în care capacitatea atomilor sau moleculelor excitate de un câmp extern de înaltă frecvență de a induse tranziții energetice este clar exprimată. În domeniul optic, diferite surse de radiație luminoasă sunt folosite pentru a excita (pompa) substanța activă.
Generatoarele optice au o serie de calități pozitive și sunt utilizate pe scară largă în diverse sisteme de comunicații radio, navigație etc.
Ca și în generatoarele cuantice în intervalele de centimetri și milimetri, laserele folosesc de obicei sisteme cu trei niveluri, adică substanțe active în care are loc o tranziție între trei niveluri de energie.
Cu toate acestea, trebuie remarcată o caracteristică care trebuie luată în considerare atunci când alegeți o substanță activă pentru oscilatoare și amplificatoare din domeniul optic.
Din relatie W 2 -W 1 =h? rezultă că pe măsură ce frecvența de operare crește? în oscilatoare și amplificatoare, trebuie utilizată o diferență de nivel de energie mai mare. Pentru generatoare din domeniul optic, aproximativ corespunzător domeniului de frecvență 2 10 7 -9 10 8 MHz(lungime de undă 15-0,33 mk), diferenta de nivel de energie W 2 -W 1 ar trebui să fie cu 2-4 ordine de mărime mai mare decât pentru generatoarele cu rază de centimetri.
Atât solidele cât și gazele sunt utilizate ca substanțe active în generatoarele optice.
Rubinul artificial este utilizat pe scară largă ca substanță activă solidă - cristale de corindon (A1 2 O 3) cu un amestec de ioni de crom (Cr). În plus față de rubin, sunt paharele activate cu neodim (Nd), cristale de tungstat de calciu (СаWO 4) cu un amestec de ioni de neodim, cristale de fluorură de calciu (СаF 2) cu un amestec de ioni de disproziu (Dy) sau uraniu și alte materiale. de asemenea utilizat pe scară largă.
Laserele cu gaz folosesc de obicei amestecuri de două sau mai multe gaze.

3.2.1 Generatoare active solide

Cel mai utilizat tip de generator de gamă optică sunt generatoarele în care rubinul cu un amestec de crom (0,05%) este utilizat ca substanță activă. Figura 6 prezintă o diagramă simplificată a aranjamentului nivelurilor de energie ale ionilor de crom în rubin. Benzile de absorbție pe care este necesară pomparea (excitarea) corespund părților verzi și albastre ale spectrului (lungime de undă 5600 și 4100A). De obicei, pomparea se realizează folosind o lampă cu xenon cu descărcare în gaz, al cărei spectru de emisie este apropiat de cel al soarelui. Ionii de crom, care absorb fotonii de lumină verde și albastră, trec de la nivelul I la nivelurile III și IV. Unii dintre ionii excitați de la aceste niveluri revin la starea fundamentală (la nivelul I), iar majoritatea trec fără emisie de energie la nivelul II metastabil, crescând populația acestuia din urmă. Ionii de crom care au trecut la nivelul II rămân în această stare excitată mult timp. Prin urmare, la al doilea nivel
se pot acumula mai multe particule active decât la nivelul I. Când populația de nivelul II depășește populația de nivelul I, substanța este capabilă să amplifice oscilațiile electromagnetice la frecvența tranziției II-I. Dacă o substanță este plasată într-un rezonator, devine posibil să se genereze oscilații coerente, monocromatice în partea roșie a spectrului vizibil. (? = 6943 A ). Rolul rezonatorului în domeniul optic este îndeplinit prin suprafețe reflectorizante paralele între ele.

Figura 6. Nivelurile de energie ale ionilor de crom în rubin

benzi de absorbție sub pompare optică
tranziții nonradiative
nivel metastabil

Procesul de autoexcitare cu laser se desfășoară calitativ în același mod ca într-un generator molecular. Unii dintre ionii de crom excitați în mod spontan (spontan) ajung la nivelul I, în timp ce emit fotoni. Fotonii care se propagă perpendicular pe suprafețele reflectorizante experimentează reflexii multiple și trec în mod repetat prin mediul activ și sunt amplificați în acesta. Există o creștere a intensității oscilațiilor până la o valoare staționară.
În modul pulsat, anvelopa pulsului de radiație al generatorului de rubin are caracterul de fulgerări de scurtă durată cu o durată de ordinul a zecimii de microsecundă și cu o perioadă de ordinul a câteva microsecunde (Fig. 7, în).
Natura relaxantă (discontinuă) a radiației oscilatorului se explică prin ratele diferite de sosire a ionilor la nivelul II datorită pompării și o scădere a numărului acestora în timpul tranzițiilor induse de la nivelul II la nivelul I.
Figura 7 prezintă oscilograme care explică calitativ procesul
generație într-un laser rubin. Sub influența radiației pompei (Fig. 7, A) există o acumulare de ioni excitați la nivelul II. După un timp populaţia N 2 depășește valoarea de prag și devine posibilă autoexcitarea generatorului. În perioada de emisie coerentă, reaprovizionarea ionilor de nivelul II din cauza pomparii rămâne în urmă consumului lor ca urmare a tranzițiilor induse, iar populația de nivelul II scade. În acest caz, radiația fie slăbește brusc, fie chiar se oprește (ca și în acest caz) până când nivelul II este îmbogățit până la o valoare care depășește valoarea de prag (Fig. 7b) datorită pompei, iar excitarea oscilațiilor devine din nou posibilă. Ca urmare a procesului luat în considerare, la ieșirea laserului vor fi observate o serie de fulgerări de scurtă durată (Fig. 7c).

Figura 7. Oscilograme care explică funcționarea unui laser rubin:
a) puterea sursei de schimb
b) populaţia de nivelul II
c) puterea de ieșire a generatorului

În plus față de rubin, în generatoarele optice sunt folosite și alte substanțe, de exemplu, un cristal de tungstat de calciu și ochelari activați cu neodim.
O structură simplificată a nivelurilor de energie ale ionilor de neodim într-un cristal de tungstat de calciu este prezentată în Figura 8.
Sub acțiunea luminii lămpii pompei, ionii de la nivelul I sunt transferați în stările excitate indicate în diagrama III. Apoi trec la nivelul II fără radiații Nivelul II este metastabil, iar pe acesta are loc acumularea de ioni excitați. Radiație coerentă în domeniul infraroșu cu o lungime de undă ?= 1,06 mk apare în timpul trecerii ionilor de la nivelul II la nivelul IV. Ionii fac tranziția de la nivelul IV la starea fundamentală fără radiații. Faptul că radiațiile apar
la trecerea ionilor la nivelul IV, care se află deasupra nivelului solului,
facilitează excitarea generatorului. Populația nivelului IV este mult mai mică decât cea a nivelului P [de aici rezultă din formula 1] și astfel, pentru a atinge pragul de excitație, un număr mai mic de ioni trebuie transferat la nivelul II și, prin urmare, trebuie să fie mai puțină energie de pompare. fi cheltuit.

Figura 8. Structura simplificată a nivelurilor ionilor de neodim în tungstat de calciu (CaWO 4 )

Sticla activată cu neodim are, de asemenea, o diagramă similară a nivelului de energie. Laserele care utilizează sticlă activată emit la aceeași lungime de undă? = 1,06 microni.
Solidele active sunt realizate sub formă de tije lungi, rotunde (mai rar dreptunghiulare), ale căror capete sunt lustruite cu grijă și sunt aplicate acoperiri reflectorizante sub formă de pelicule multistrat dielectrice speciale. Pereţii de capăt plan-paraleli formează un rezonator în care se stabileşte regimul de reflexie multiplă a oscilaţiilor radiate (apropiat de regimul undelor staţionare), care contribuie la amplificarea radiaţiei induse şi asigură coerenţa acesteia. Rezonatorul poate fi format și din oglinzi exterioare.
Oglinzile dielectrice multistrat au o absorbție intrinsecă scăzută și fac posibilă obținerea celui mai înalt factor de calitate al rezonatorului. În comparație cu oglinzile metalice formate dintr-un strat subțire de argint sau alt metal, oglinzile dielectrice multistrat sunt mult mai dificil de fabricat, dar cu mult superioare ca durabilitate. Oglinzile metalice se defectează după câteva clipuri și, prin urmare, nu sunt folosite în modelele moderne cu laser.
În primele modele de lasere, lămpile cu xenon elicoidale pulsate au fost folosite ca sursă de pompă. În interiorul lămpii se afla o tijă de substanță activă.
Un dezavantaj serios al acestui design al generatorului este utilizarea scăzută a energiei luminoase a sursei de schimb. Pentru a elimina acest neajuns, generatoarele focalizeaza energia luminoasa a sursei pompei cu ajutorul unor lentile sau reflectoare speciale. A doua cale este mai simplă. Reflectorul este de obicei realizat sub forma unui cilindru eliptic.
Figura 9 prezintă o diagramă a unui generator de rubin. O lampă pentru iluminare, care funcționează în modul pulsat, este situată în interiorul unui reflector eliptic care concentrează lumina lămpii pe o tijă de rubin. Lampa este alimentată de un redresor de înaltă tensiune. În intervalele dintre impulsuri, energia sursei de înaltă tensiune este acumulată într-un condensator cu o capacitate de aproximativ 400 microf. În momentul aplicării impulsului de aprindere de pornire cu o tensiune de 15 kV, scoasă din înfășurarea secundară a transformatorului step-up, lampa se aprinde și continuă să ardă până când se epuizează energia stocată în condensatorul redresorului de înaltă tensiune.
Pentru a crește puterea de pompare, în jurul tijei de rubin pot fi instalate mai multe lămpi cu xenon, a căror lumină este concentrată pe tija de rubin cu ajutorul reflectoarelor.
Pentru cel prezentat în fig. 23.10 al generatorului, pragul de energie al pompei, adică energia de la care începe generarea, este de aproximativ 150. J. Cu capacitatea de stocare indicată pe diagramă Cu = 400 microf o astfel de energie este furnizată la o tensiune sursă de aproximativ 900 LA.

Figura 9. Oscilator Ruby cu un reflector eliptic pentru a focaliza lumina lămpii pompei:

reflector
spirală de aprindere
lampă cu xenon
rubin

Datorită faptului că spectrul surselor de pompă este mult mai larg decât banda utilă de absorbție a cristalului, energia sursei pompei este utilizată foarte slab și, prin urmare, este necesară creșterea semnificativă a puterii sursei pentru a asigura o putere suficientă a pompei pentru generare într-o bandă de absorbție îngustă. Desigur, acest lucru duce la o creștere puternică a temperaturii cristalului. Pentru a preveni supraîncălzirea, pot fi folosite filtre a căror bandă de transmisie coincide aproximativ cu banda de absorbție a substanței active sau poate fi utilizat un sistem de răcire forțată a cristalului, de exemplu, folosind azot lichid.
Utilizarea ineficientă a energiei pompei este principalul motiv pentru eficiența relativ scăzută a laserelor. Generatoarele pe bază de rubin în modul pulsat fac posibilă obținerea unei eficiențe de aproximativ 1%, generatoarele pe sticlă - până la 3-5%.
Laserele Ruby funcționează predominant în modul pulsat. Trecerea la modul continuu este limitată de supraîncălzirea rezultată a cristalului de rubin și a surselor de pompare, precum și de arderea oglinzilor.
În prezent, cercetările sunt în desfășurare asupra laserelor care utilizează materiale semiconductoare. Ca element activ, folosesc o diodă semiconductoare cu arseniură de galiu, a cărei excitare (pompare) este efectuată nu prin energie luminoasă, ci printr-un curent de mare densitate trecut prin diodă.
Dispozitivul elementului activ al laserului este foarte simplu (vezi Figura 10) Este format din două jumătăți dintr-un material semiconductor R- și n-tip. Jumătatea inferioară a materialului de tip n este separată de jumătatea superioară a materialului de tip p printr-un plan district tranziție. Fiecare dintre plăci este echipată cu un contact pentru conectarea diodei la o sursă de pompare, care este o sursă de curent continuu. Fețele de capăt ale diodei, strict paralele și lustruite cu grijă, formează un rezonator acordat la frecvența oscilațiilor generate corespunzătoare unei lungimi de undă de 8400 A. Dimensiunile diodei sunt de 0,1. x 0,1 x 1,25 mm. Dioda este plasată într-un criostat cu azot lichid sau heliu și prin aceasta trece un curent de pompă, a cărui densitate este district tranziția atinge valorile 10 4 -10 6 a/cm2 În acest caz, radiația de oscilații coerente ale intervalului infraroșu are loc cu o lungime de undă ? = 8400A.

Figura 10. Dispozitivul elementului activ al laserului pe o diodă semiconductoare.

margini lustruite
a lua legatura
planul de joncțiune p-n
a lua legatura

Emisia de cuante de energie într-un semiconductor este posibilă atunci când electronii trec din banda de conducție la niveluri libere din banda de valență - de la niveluri de energie mai înalte la cele inferioare. În acest caz, doi purtători de curent „dispar” - un electron și o gaură.
Atunci când o cuantă de energie este absorbită, un electron din banda de valență trece în banda de conducție și se formează doi purtători de curent.
Pentru ca amplificarea (precum și generarea) oscilațiilor să fie posibilă, numărul de tranziții cu eliberare de energie ar trebui să prevaleze asupra tranzițiilor cu absorbție de energie. Acest lucru se realizează într-o diodă semiconductoare cu puternic dopată R- și n-regiuni când i se aplică o tensiune directă, așa cum se arată în Figura 10. Când joncțiunea este polarizată în direcția înainte, electronii din n- zone difuzate în p- regiune. Datorită acestor electroni, populația benzii de conducere crește brusc R-conductor, și poate depăși concentrația de electroni din banda de valență.
Difuzia orificiilor din R- în n- regiune.
Deoarece difuzia purtătorilor are loc la o adâncime mică (de ordinul a câțiva microni), nu întreaga suprafață a feței de capăt a diodei semiconductoare participă la radiație, ci doar regiunile direct adiacente planului de interfață. R- și n- zone.
Într-un mod pulsat de acest tip, laserele care funcționează în heliu lichid au o putere de aproximativ 300 mar cu o durată de aproximativ 50 ns si vreo 15 mar cu durata 1 Domnișoară. În modul continuu, puterea de ieșire poate ajunge la 10-20 mW la o putere a pompei de aproximativ 50 mW.
Oscilațiile sunt emise numai din momentul în care densitatea de curent în joncțiune atinge valoarea de prag, care pentru galiu arsenic este de aproximativ 10 4 a/cm 2 . O astfel de densitate mare se obține prin alegerea unei zone mici district tranzițiile corespund de obicei unui curent prin diodă de ordinul mai multor amperi.

3.2.2 Generatoare cu substanță activă gazoasă

În generatoarele cuantice din domeniul optic, substanța activă este de obicei un amestec de două gaze. Cel mai comun este un laser cu gaz bazat pe un amestec de heliu (He) și neon (Ne).
Locația nivelurilor de energie ale heliului și neonului este prezentată în Figura 11. Secvența tranzițiilor cuantice într-un laser cu gaz este următoarea. Sub acțiunea oscilațiilor electromagnetice ale unui generator de înaltă frecvență într-un amestec de gaze închis într-un tub de sticlă de cuarț, are loc o descărcare electrică, care duce la tranziția atomilor de heliu din starea fundamentală I la starea II (2 3 S) și III (2 1 S). Când atomii de heliu excitați se ciocnesc cu atomii de neon, are loc un schimb de energie între ei, în urma căruia atomii de heliu excitați transferă energie atomilor de neon, iar populația nivelurilor de neon 2S și 3S crește semnificativ.
etc.................

În generatoarele cuantice, energia internă a microsistemelor - atomi, molecule, ioni - este folosită pentru a crea oscilații electromagnetice.

Generatoarele cuantice sunt numite și lasere. Cuvântul laser este alcătuit din literele inițiale ale numelui englezesc de generatoare cuantice - un amplificator de lumină prin crearea de radiații stimulate.

Principiul de funcționare al unui generator cuantic este următorul. Luând în considerare structura energetică a materiei, s-a demonstrat că modificarea energiei microparticulelor (atomi, molecule, ioni, electroni) nu are loc continuu, ci discret - în porțiuni numite cuante (din latinescul cuantum - cantitate).

Microsistemele în care particulele elementare interacționează între ele se numesc sisteme cuantice.

Tranziția unui sistem cuantic de la o stare de energie la alta este însoțită de emisia sau absorbția unui cuantum de energie electromagnetică. hv: E 2 - Ei \u003d hv, Unde E 1 și E 2 - stari energetice: h - constanta lui Planck; v - frecventa.

Se știe că starea cea mai stabilă a oricărui sistem, inclusiv un atom și o moleculă, este starea cu cea mai mică energie. Prin urmare, fiecare sistem tinde să ocupe și să mențină starea cu cea mai scăzută energie. Prin urmare, în stare normală, electronul se mișcă pe cea mai apropiată orbită de nucleu. Această stare a atomului se numește stare fundamentală sau staționară.

Sub influența factorilor externi - încălzire, iluminare, câmp electromagnetic - starea energetică a atomului se poate schimba.

Dacă un atom, de exemplu, hidrogenul interacționează cu un câmp electromagnetic, atunci acesta absoarbe energie E 2 -E 1 = hv iar electronul său ajunge la un nivel de energie mai înalt. Această stare a atomului se numește excitat. Un atom poate rămâne în el pentru o perioadă foarte scurtă de timp, numită durata de viață a unui atom excitat. După aceea, electronul revine la nivelul inferior, adică la starea principală stabilă, eliberând excesul de energie sub forma unui cuantum de energie emis - un foton.

Radiația de energie electromagnetică în timpul tranziției unui sistem cuantic de la o stare excitată la starea fundamentală fără influență externă se numește spontană sau spontană. În emisia spontană, fotonii sunt emiși în momente aleatorii, într-o direcție arbitrară, cu o polarizare arbitrară. De aceea se numește incoerent.

Cu toate acestea, sub acțiunea unui câmp electromagnetic extern, electronul poate fi readus la nivelul de energie inferior chiar înainte de expirarea duratei de viață a atomului în starea excitată. Dacă, de exemplu, doi fotoni acționează asupra unui atom excitat, atunci în anumite condiții electronul atomului revine la nivelul inferior, emițând un cuantic sub formă de foton. În acest caz, toți cei trei fotoni au o fază, direcție și polarizare comune a radiației. Ca rezultat, energia radiației electromagnetice crește.

Emisia de energie electromagnetică de către un sistem cuantic cu o scădere a nivelului său de energie sub acțiunea unui câmp electromagnetic extern se numește forțată, indusă sau stimulată.

Radiația indusă coincide ca frecvență, fază și direcție cu iradierea externă. Prin urmare, o astfel de radiație se numește coerentă (coerență - din latinescul cogerentia - aderență, conexiune).

Deoarece energia câmpului extern nu este cheltuită pentru stimularea tranziției sistemului la un nivel energetic inferior, câmpul electromagnetic este amplificat și energia lui crește cu valoarea energiei cuantumului emis. Acest fenomen este folosit pentru a amplifica și genera oscilații folosind dispozitive cuantice.

În prezent, laserele sunt fabricate din materiale semiconductoare.

Un laser semiconductor este un dispozitiv semiconductor care convertește direct energia electrică în energie de radiație optică.

Pentru funcționarea unui laser, adică pentru ca laserul să creeze oscilații electromagnetice, este necesar să existe mai multe particule excitate în substanța sa decât cele neexcitate.

Dar în starea normală a unui semiconductor la niveluri mai mari de energie la orice temperatură, numărul de electroni este mai mic decât la niveluri inferioare. Prin urmare, în stare normală, semiconductorul absoarbe energia electromagnetică.

Prezența electronilor la un nivel sau altul se numește populația nivelului.

Starea unui semiconductor în care există mai mulți electroni la un nivel de energie mai mare decât la un nivel inferior se numește stare de inversare a populației. O populație inversată poate fi creată în diverse moduri: prin injectarea purtătorilor de sarcină cu pornirea directă a joncțiunii p-n, prin iradierea semiconductorului cu lumină etc.

Sursa de energie, creând o inversiune a populației, efectuează lucru prin transferarea energiei către materie și apoi către câmpul electromagnetic. Într-un semiconductor cu populație inversată se poate obține o emisie stimulată, deoarece are un număr mare de electroni excitați care își pot renunța la energia.

Dacă un semiconductor cu o populație inversată este iradiat cu oscilații electromagnetice cu o frecvență egală cu frecvența tranziției dintre nivelurile de energie, atunci electronii de la nivelul superior merg cu forța către cel inferior, emițând fotoni. În acest caz, are loc o emisie coerentă stimulată. Este întărită. După ce am creat un circuit de feedback pozitiv într-un astfel de dispozitiv, obținem un laser - un autogenerator de oscilații electromagnetice în domeniul optic.

Pentru fabricarea laserelor se folosește cel mai adesea arseniura de galiu, din care se face un cub cu laturile lungi de câteva zecimi de milimetru.

Capitolul 4. STABILIZAREA FRECVENȚEI EMITĂTOARELOR

Succesele obținute în dezvoltarea și cercetarea amplificatoarelor și oscilatoarelor cuantice din gama radio au servit drept bază pentru implementarea propunerii de amplificare și generare de lumină pe baza emisiei stimulate și au condus la crearea oscilatoarelor cuantice în domeniul optic. Generatoarele cuantice optice (OQG) sau laserele sunt singurele surse de lumină monocromatică puternică. Principiul amplificării luminii cu ajutorul sistemelor atomice a fost propus pentru prima dată în 1940 de V.A. Fabricant. Cu toate acestea, justificarea posibilității de a crea un generator cuantic optic a fost dată abia în 1958 de Ch. Townes și A. Shavlov pe baza realizărilor în dezvoltarea dispozitivelor cuantice în domeniul radio. Primul generator cuantic optic a fost realizat în 1960. Era un laser laser cu un cristal de rubin ca substanță de lucru. Crearea inversării populației în ea a fost realizată prin metoda de pompare pe trei niveluri, care este de obicei utilizată în amplificatoarele cuantice paramagnetice.

În prezent, au fost dezvoltate o mare varietate de generatoare cuantice optice care diferă în substanțe de lucru (cristale, pahare, materiale plastice, lichide, gaze, semiconductori sunt utilizate în această calitate) și metode de creare a inversării populației (pompare optică, descărcare în gaze, reacții chimice etc.).

Radiația generatoarelor cuantice optice existente acoperă intervalul de lungimi de undă de la ultraviolet la regiunea infraroșu îndepărtat a spectrului adiacent undelor milimetrice. Similar cu un generator cuantic din domeniul radio, un generator cuantic optic constă din două părți principale: o substanță de lucru (activă), în care într-un fel sau altul

se creează o inversare a populaţiilor, iar sistemul rezonant (Fig. 62). Ca acesta din urmă, în laser sunt utilizați rezonatoare deschise de tip interferometru Fabry-Perot, formate dintr-un sistem de două oglinzi distanțate una de cealaltă.

Substanța de lucru amplifică radiația optică datorită emisiei induse de particule active. Sistemul rezonant, care provoacă trecerea multiplă a radiației induse optice emergente prin mediul activ, determină interacțiunea eficientă a câmpului cu acesta. Dacă luăm în considerare laserul ca un sistem auto-oscilant, atunci rezonatorul oferă feedback pozitiv ca urmare a întoarcerii unei părți din radiația care se propagă între oglinzi la mediul activ. Pentru ca oscilații să apară, puterea din laser, obținută din mediul activ, trebuie să fie egală cu puterea pierderilor din rezonator sau să o depășească. Acest lucru este echivalent cu faptul că intensitatea undei de generare după trecerea prin mediul de amplificare, reflectând din oglinzi -/ și 2 , revenind la secțiunea transversală inițială ar trebui să rămână neschimbată sau să depășească valoarea inițială.

La trecerea prin mediul activ, intensitatea undei 1^ variază exponențial (neglijând saturația) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ] , iar atunci când este reflectat din oglindă, se transformă în G o singura data ( t - coeficient. reflectarea oglinzii), deci condiția pentru apariția generației poate fi scrisă ca

Unde L - lungimea mediului activ de lucru; r 1 și r 2 - coeficienții de reflexie ai oglinzilor 1 și 2; a u - câştigul mediului activ; b 0 - constantă de amortizare, ținând cont de pierderile de energie din substanța de lucru ca urmare a împrăștierii pe neomogenități și defecte.

I. Rezonatoarele generatoarelor cuantice optice

Sistemele laser rezonante, după cum sa menționat, sunt rezonatoare deschise. În prezent, rezonatoarele deschise cu oglinzi plate și sferice sunt cele mai utilizate. O trăsătură caracteristică a rezonatoarelor deschise este că dimensiunile lor geometrice sunt de multe ori mai mari decât lungimea de undă. La fel ca rezonatoarele volumetrice deschise, ele au un set de moduri naturale de oscilație, caracterizate printr-o anumită distribuție a câmpului în ei și frecvențele proprii. Modurile proprii ale unui rezonator deschis sunt soluții ale ecuațiilor de câmp care îndeplinesc condițiile la limită de pe oglinzi.

Există mai multe metode pentru calcularea rezonatoarelor cu cavitate care permit găsirea modurilor proprii. O teorie riguroasă și cea mai completă a rezonatoarelor deschise este dată în lucrările lui L.A. Vaivshtein.* O metodă vizuală pentru calcularea tipurilor de oscilații în rezonatoarele deschise a fost dezvoltată în lucrările lui A. Fox și T. Lee.

(113)

Este folosit în ea. calcul numeric simulând procesul de stabilire a tipurilor de oscilații în rezonator ca urmare a reflexiilor multiple din oglinzi. Inițial, se stabilește o distribuție arbitrară a câmpului pe suprafața uneia dintre oglinzi. Apoi, aplicând principiul Huygens, se calculează distribuția câmpului pe suprafața altei oglinzi. Distribuția rezultată este luată ca cea originală și calculul se repetă. După reflexii multiple, distribuția amplitudinii și fazei câmpului pe suprafața oglinzii tinde către o valoare staționară, adică. câmpul de pe fiecare oglindă se auto-reproduce neschimbat. Distribuția de câmp rezultată este tipul normal de oscilație a unui rezonator deschis.

Calculul lui A. Fox și T. Lee se bazează pe următoarea formulă Kirchhoff, care este o expresie matematică a principiului Huygens, care vă permite să găsiți vatra la punctul de observație. DAR peste un câmp dat pe o suprafață Sb

unde Eb este câmpul în punctul B de pe suprafața S b; k- numărul de undă; R - distanta dintre puncte DARși LA; Q - unghiul dintre linia care leagă punctele DARși LA, si normala la suprafata Sb

Odată cu creșterea numărului de treceri, focarul de pe oglinzi tinde spre o distribuție staționară, care poate fi reprezentată astfel:

Unde V(x ,y) - o funcție de distribuție care depinde de coordonatele de pe suprafața oglinzilor și nu se schimbă de la reflexie la reflexie;

y este o constantă complexă independentă de coordonatele spațiale.

Înlocuirea formulei (112) în expresia (III). obținem ecuația integrală

Are o soluție doar pentru anumite valori [Gamma] = [gamma min.] numite propriile valori, Funcții Vmn , satisfacerea ecuației integrale, caracterizați structura câmpului diferitelor tipuri de oscilații ale rezonatorului, care se numesc transversal oscilații și sunt desemnate ca oscilații de tipul TEMmn Simbol TEM indică faptul că apa din interiorul rezonatorului este aproape de electromagnetică transversală, adică neavând componente de câmp de-a lungul direcției de propagare a undei. Indici mși n indică numărul de schimbări de direcție a câmpului de-a lungul laturilor oglinzii (pentru oglinzi dreptunghiulare) sau de-a lungul unghiului și de-a lungul razei (pentru oglinzile rotunde). Figura 64 prezintă configurația câmpului electric pentru cele mai simple moduri de oscilație transversală ale rezonatoarelor deschise cu oglinzi rotunde. Modurile proprii ale rezonatoarelor deschise sunt caracterizate nu numai prin distribuția câmpului de-a lungul, ci și prin distribuția acestuia de-a lungul axei rezonatoarelor, care este o undă staționară și diferă prin numărul de semi-unde care se potrivesc de-a lungul lungimii rezonatorului. Pentru a ține cont de acest lucru, al treilea indice este introdus în denumirile tipurilor de vibrații A caracterizarea numărului de semi-unde care se potrivesc de-a lungul axei rezonatorului.

Generatoare cuantice optice pe o stare solidă

Generatoarele cuantice optice cu stare solidă sau laserele cu stare solidă folosesc cristale sau dielectrici amorfi ca mediu de amplificare activ. Particulele de lucru, ale căror tranziții între stările de energie determină generarea, de regulă, sunt ioni de atomi din grupele de tranziție ale Tabelului Periodic.Ionii cei mai des utilizați sunt Na 3+, Cr 3+, Ho 3+. , Pr 3+. Particulele active alcătuiesc fracții sau unități dintr-un procent din numărul total de atomi ai mediului de lucru, astfel încât acestea, așa cum ar fi, formează o „soluție” de concentrație scăzută și, prin urmare, interacționează puțin între ele. Nivelurile de energie utilizate sunt nivelurile particulelor de lucru divizate și lărgite de câmpurile interne neomogene puternice ale solidului. Ca bază a mediului activ de amplificare, sunt cele mai des folosite cristale de corindon (Al2O3), granat de ytriu-aluminiu. YAG(Y3Al5O12), diferite mărci de sticlă etc.

Inversarea populației în mediul de lucru al laserelor cu stare solidă este creată printr-o metodă similară cu cea utilizată la amplificatoarele paramagnetice. Se realizează cu ajutorul pompei optice, adică. expunerea la lumină de mare intensitate.

După cum arată studiile, majoritatea mediilor active existente în prezent utilizate în laserele cu stare solidă sunt descrise satisfăcător de două energii idealizate principale. scheme: cu trei și patru niveluri (Fig. 71).

Să luăm mai întâi în considerare metoda de creare a inversării populației în medii descrisă printr-o schemă cu trei niveluri (vezi Fig. 71a). În stare normală, doar nivelul principal inferior este populat. 1 (distanța energetică dintre niveluri este mult mai mare decât kT), deoarece tranzițiile 1->2 și 1->3) aparțin domeniului optic. Tranziția între nivelurile 2 și 1 este operațională. Nivel 3 auxiliar și este folosit pentru a crea o inversare a perechii de niveluri de lucru. Ocupă de fapt o gamă largă de valori energetice admisibile, datorită interacțiunii particulelor de lucru cu câmpurile intracristaline.

generator cuantic

generator cuantic- denumirea generală a surselor de radiații electromagnetice, lucrând pe baza radiației stimulate a atomilor și moleculelor. În funcție de lungimea de undă pe care o emite generatorul cuantic, acesta poate fi numit diferit: laser, maser, raser, gazer.

Istoria creației

Generatorul cuantic se bazează pe principiul emisiei stimulate propus de A. Einstein: atunci când un sistem cuantic este excitat și în același timp există radiații corespunzătoare unei tranziții cuantice, probabilitatea ca sistemul să sară la un nivel de energie mai scăzut crește în proporțional cu densitatea fotonilor de radiație deja prezenți. Posibilitatea de a crea un generator cuantic pe această bază a fost indicată de fizicianul sovietic V. A. Fabrikant la sfârșitul anilor 1940.

Literatură

Landsberg G.S. Manual elementar de fizică. Volumul 3. Oscilații și unde. Optica. Fizica atomică și nucleară. - 1985.

Herman J., Wilhelmy B. „Lasere pentru generarea de impulsuri luminoase ultrascurte” - 1986.

Fundația Wikimedia. 2010 .

• Notker Bâlbâit
• Resinteza

Vedeți ce este „Generatorul cuantic” în alte dicționare:

GENERATOR CUANTUM- generator electric magn. unde, în care se utilizează fenomenul de emisie stimulată (vezi ELECTRONICA CANTICA). K. g. din gama radio, precum și un amplificator cuantic, numit. maser. Primul KG a fost creat în gama de microunde în 1955. Mediul activ din acesta ... Enciclopedia fizică

GENERATOR CUANTUM- o sursă de radiație electromagnetică coerentă, a cărei acțiune se bazează pe emisia stimulată de fotoni de către atomi, ioni și molecule. Generatoarele cuantice ale gamei radio se numesc masere, generatoare cuantice ale gamei optice ... ... Dicţionar enciclopedic mare

generator cuantic- O sursă de radiație coerentă bazată pe utilizarea emisiei stimulate și a feedback-ului. Notă Generatoarele cuantice sunt împărțite în funcție de tipul de substanță activă, metoda de excitare și alte caracteristici, de exemplu, fascicul, gazul ... Manualul Traducătorului Tehnic

GENERATOR CUANTUM- o sursă de radiație electromagnetică monocromatică coerentă (gamă optică sau radio), care acționează pe baza radiației stimulate a atomilor, moleculelor, ionilor excitați. Ca substanță de lucru, gaze, cristaline... Marea Enciclopedie Politehnică

generator cuantic- un dispozitiv pentru generarea de radiații electromagnetice coerente. Coerența este un flux coordonat în timp și spațiu a mai multor procese oscilatorii sau ondulatorii, care se manifestă atunci când sunt adăugate, de exemplu. cu interferențe... Enciclopedia tehnologiei

generator cuantic- o sursă de radiație electromagnetică coerentă, a cărei acțiune se bazează pe emisia stimulată de fotoni de către atomi, ioni și molecule. Generatoarele cuantice ale gamei radio se numesc masere, generatoare cuantice ale gamei optice ... ... Dicţionar enciclopedic

generator cuantic- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: engl. cuantică…… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

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

generator cuantic- un generator de unde electromagnetice care utilizează fenomenul de emisie stimulată (vezi Emisia stimulată) (vezi Electronica cuantică). K. g. din gama radio de frecvențe superînalte (SHF), precum și amplificatorul cuantic al acestui ... ... Marea Enciclopedie Sovietică

GENERATOR CUANTUM- o sursă de radiaţie coerentă electromagnetică (gamă optică sau radio), în care se utilizează fenomenul de radiaţie indusă a atomilor, moleculelor, ionilor excitaţi etc. Marele dicționar politehnic enciclopedic

sursă de coerentă electromagnetică radiatii(gamă optică sau radio), în care este utilizat fenomenul emisie stimulata atomi excitați, molecule, ioni și așa mai departe. Gazele, lichidele, dielectricii solizi și cristalele PP sunt utilizate ca substanțe de lucru în CG. Excitarea in-va de lucru, adică furnizarea de energie necesară pentru munca lui K., este efectuată de un electric puternic. câmp, lumină din exterior sursă, fascicule de electroni etc. Radiația K. g., pe lângă monocromaticitatea ridicată și coerenţă are o focalizare restrânsă și mijloace. putere. Vezi si Laser, Maser, Generator molecular.

• la fel ca laserul...

  Începuturile științelor naturale moderne

• - dispozitiv generator cuantic pentru generarea de radiații electromagnetice coerente...

  Enciclopedia tehnologiei

• - un generator cuantic optic este același cu un laser...

  Enciclopedia tehnologiei

• - sursa de el.-magnet coerent. radiații, a căror acțiune se bazează pe emisia stimulată de fotoni de către atomi, ioni și molecule. K. g. banda de radio numită. masere, K. g. optice. gama -lasere...
• la fel ca laserul...

  Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

• - un dispozitiv tehnic pentru generarea în impulsuri sau continuă a radiațiilor monocromatice coerente în domeniul optic al spectrului...

  Dicţionar medical mare

• - o sursa de radiatii electromagnetice coerente, in care se foloseste fenomenul de radiatie indusa a atomilor, moleculelor, ionilor excitati, etc.. Gaze, lichide,...

  Marele dicționar politehnic enciclopedic

• - un generator de unde electromagnetice care folosește fenomenul de radiație stimulată...
• la fel ca laserul...

  Marea Enciclopedie Sovietică

• la fel ca laserul...

  Enciclopedia modernă

• - o sursă de radiație electromagnetică coerentă, a cărei acțiune se bazează pe emisia stimulată de fotoni de către atomi, ioni și molecule...
• la fel ca laserul...

  Dicționar enciclopedic mare

• - QUANTUM, -a, m. În fizică: cea mai mică cantitate de energie emisă sau absorbită de o mărime fizică în starea ei non-staționară. K. energie. K. lumina...

  Dicționar explicativ al lui Ozhegov

• - QUANTUM, cuantic, cuantic. adj. la cuantică. raze cuantice. Mecanica cuantică...

  Dicționar explicativ al lui Ushakov

• - cuantic adj. 1. raport cu substantiv. cuantumul asociat cu acesta 2...

  Dicţionar explicativ al Efremova

• - mp "...

  Dicționar de ortografie rusă

„GENERATOR CANTUM” în cărți

Tranziție cuantică

Din cartea Antisemitismul ca lege a naturii autor Brushstein Mihail

Tranziția cuantică Cei mai noi reformatori, care inventează sisteme sociale exemplare pe hârtie, ar face bine să arunce o privire asupra sistemului social și social în care au trăit primii evrei. Ceea ce sa întâmplat în Sinai poate fi tratat diferit.

Saltului Cuantic

Din cartea Eu and My Big Cosmos autor Klimkevici Svetlana Titovna

Saltul cuantic 589 = Omul poartă energia creatoare a lui Dumnezeu - Iubire = 592 = Marea trezire spirituală - Semnul ciclurilor cosmice = „Coduri numerice”. Cartea 2. Ierarhia Kryon 27 01.2012 „Spațiul timpului - Timpul spațiului...” - cuvinte la trezire. Eu sunt cel care am

4.1. procesor cuantic

Din cartea Quantum Magic autor Doronin Serghei Ivanovici

4.1. procesor cuantic

Saltului Cuantic

Din cartea Legea Atractiei de Hicks Esther

Quantum Leap Jerry: Este ușor să facem un pas mic de unde suntem și să facem puțin mai mult din ceea ce facem, să fim un pic mai mult din noi înșine și să avem puțin mai mult din ceea ce avem acum. Și cum rămâne cu ceea ce se poate numi „salt cuantic”, adică pentru a realiza ceva,

Saltului Cuantic

Din cartea Playing in the Void. Mitologia diversității autor Demchog Vadim Viktorovich

Salt cuantic Rezultatul purificării este realizarea că totul se întâmplă „în palmele noastre”. Metoda care ajută la stabilirea acestui lucru se numește în joc un salt cuantic. Și se bazează pe credulitatea naturală a spațiului care ne privește.Adevărul este că

creierul cuantic

Din cartea Playing in the Void. Carnavalul înțelepciunii nebune autor Demchog Vadim Viktorovich

Creierul cuantic Să începem cu poezia: Sir Charles Sherrington, părintele universal recunoscut al neurofiziologiei, aseamănă creierul „... cu un răzbătut magic auto-întors în care milioane de navete strălucitoare țes un model care se topește în fața ochilor noștri (atenție - „ topindu-ne sub ochii noștri.” – V.D.), mereu

lumea cuantică

de Philip Gardiner

Lumea cuantică Mă inspiră ideea că în univers (de la nivel micro la nivel macro, de la mișcarea cosmică a planetelor la interacțiunea electronilor, de la dioxidul de siliciu microscopic până la piramida egipteană făcută de om) există un universal model, nu

zeu cuantic

Din cartea Porți în alte lumi de Philip Gardiner

Dumnezeul cuantic În timp ce lucram la această carte, mi-am luat o zi liberă de la fizica cuantică și am călătorit la Lichfield, Staffordshire. M-am distrat de minune în frumoasa și ezoterică Catedrală Lichfield, uitându-mă la fațada sa uimitoare.

SALTULUI CUANTIC

Din cartea A șasea rasă și Nibiru autor Byazyrev Georgy

SALT CUANTUM Când atingeți samadhi, sufletul se transformă în Lumină Divină Dragi cititori, știți deja că în 2011 a douăsprezecea planetă a sistemului solar, Nibiru, va fi vizibilă pe cerul nostru. În februarie 2013, Planeta X se va apropia cel mai aproape de Pământ

Anexa III. MINTE: Minte cuantică

Din cartea Puterea tăcerii autor Mindell Arnold

Anexa III. MINTE: Mintea cuantică În paginile următoare voi rezuma câteva dintre numeroasele semnificații pe care le asociez cu termenul „minte cuantică”.O descriere tehnică – și în același timp, populară – a minții cuantice poate fi găsită în cărțile lui Nick Herbert

dualism cuantic

Din cartea Sfârșitul științei: o privire asupra limitelor cunoașterii la sfârșitul erei științei autorul Horgan John

Dualismul cuantic Există un punct asupra căruia Crick, Edelman și aproape toți oamenii de știință sunt de acord: proprietățile minții sunt în esență independente de mecanica cuantică. Fizicienii, filozofii și alți oameni de știință au speculat despre conexiunile dintre mecanica cuantică și conștiință, cel puțin

Mintea cuantică și mintea de proces

Din cartea Process Mind. Un ghid pentru conectarea cu mintea lui Dumnezeu autor Mindell Arnold

Mintea cuantică și mintea de proces Mintea de proces este o dezvoltare a tuturor lucrărilor mele anterioare, și în special a cărții Mintea cuantică, scrisă cu aproximativ zece ani în urmă. În această carte, am discutat despre caracteristicile cuantice ale psihologiei noastre și am arătat cum

ELECTRONI - GAZ CANTUM

Din cartea Cristal viu autor Geguzin Iakov Evseevici

ELECTRONI - GAZ CUANTUM În istoria studiului cristalelor de la începutul secolului nostru, a existat o perioadă în care, printre altele, problema „electronilor într-un metal” era foarte misterioasă, intrigantă, părea – o fundătură. . Judecă singur. Experimentatorii care studiază proprietățile electrice

generator cuantic

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (KV) a autorului TSB

Generator cuantic optic

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (OP) a autorului TSB