Квантовые генераторы и усилители

Под термином квантовая электроника понимают совокупность радиотехнических и оптических устройств – генераторы, усилители, преобразователи частоты электромагнитных волн, действие которых основано на явлении вынужденного (индуцированного) излучения.

Вынужденное излучение вещества возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Такое излучение может происходить в диапазонах радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения. Перечисленные устройства называют квантовыми (квантовый усилитель, квантовый генератор и т. п.) потому, что в них используются электроны, входящие в состав атомов и молекул кристаллов (связанные электроны); движение таких электронов (как и атомов) подчиняется законам квантовой механики.

Квантовые устройства обладают рядом важных особенностей, Для оценки их особенностей рассмотрим отдельно приборы, работающие в радиодиапазоне (длина волны l>1 мм) и оптические устройства (l<1 мм).

В радиодиапазоне наибольший практический и научный интерес представляют квантовые устройства:

· атомные и молекулярные генераторы;

· квантовые парамагнитные усилители (мазеры).

Основное достоинство атомных и молекулярных генераторов — высокая стабильность частоты (периода) излучаемых электромагнитных волн. Это свойство используется для точного измерения частоты и времени.

Квантовые парамагнитные усилители - «мазеры» (Microwave amplification by stimulated emission of radiation - усиление микроволн с помощью вынужденного излучения) могут усиливать радиоволны с длиной волны в диапазоне от 0,01м до 0,50 м (СВЧ) и отличаются от обычных усилителей (ламповых, полупроводниковых) чрезвычайно высокой чувствительностью. Это позволяет использовать их в радиоастрономии для приема очень слабых сигналов, а также при радиолокации планет.

Излучение оптических квантовых генераторов — лазеров (от первых букв английской фразы: Light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: усиление света с помощью вынужденного излучения) отличается высокой монохрома­тичностью (т. е. стабильностью частоты), направленностью и мощ­ностью излучения. Решающую роль в работе лазеров и мазеров играет обратная связь.

Появление кван­товых генераторов и усилителей радиоволн привело к проникнове­нию квантовых представлений и законов в радиофизику. Одновременно на вооружение оптиков были приняты важные понятия радиофизики, например понятие обратной связи, когерентности, модуляции и др.

Появление мощных лазеров привело к рождению новой области физики — нелинейной оптики. Нелинейная оптика изу­чает оптические эффекты, возникающие при взаимодействии вещества с интенсивным светом, создаваемым лазерами. В обычных условиях при переходе светового луча из одной среды в другую изменяется длина световой волны  (Т — период колебаний световой вол­ны, v — скорость ее распространения в среде, т. н. фазовая скорость), частота же ( ) остается неизменной. Неизменность час­тоты света — один из основных принципов обычной линейной оптики (в которой распространение световой волны описывается линейными уравнениями). При облучении же вещества светом лазера напряженность электрического поля световой волны Е может превышать миллионы В/см. При этом постоянство частоты исчезает, и законы, описывающие распространение волны, становятся нелинейными. В результате этого привычные оптические законы существенно изме­няются. Например, известно, что монохроматический луч, проходя через прозрачную среду, сохраняет свой цвет. Однако красный луч ру­бинового лазера с длиной волны 0,7 мкм, проходя через некоторые про­зрачные кристаллы, частично превращается в ультрафиолетовый (l = 0,35 мкм), т. е. происходит удвоение частоты света. Нелинейные оптические свойства некоторых кристаллов, помимо удвоения частоты, позволяют при определенных условиях плавно изменять частоту света.

Создание лазеров, являющихся источниками согласованного, или когерентного, света дало толчок развитию голографии – метода, позволяющего получить объемное цветное изоб­ражение предметов (их оптические копии).

Таким образом, квантовая электроника – это область физики, исследующая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов, молекул, твердых тел и создающая на основе этих иссле­дований квантовые устройства различных диапазонов длин волн и разных назначений.              

Особый интерес представляет применение в качестве источников излучения лазеров. Принцип их работы заключается в вынужденном испускании когерентного светового излучения активной средой, переведенной за счет внешнего источника энергии в инвертированное состояние и обладающей положительной обратной связью на резонансной частоте. Это означает, что ионы, атомы или молекулы переведены в нестабильное высокоэнергетическое состояние. Они могут спонтанно вернуться в основное состояние, испустив фотон, но для этого они должны быть стимулированы таким же фотоном. В результате возникает лавинный эффект. Для обеспечения требуемой продолжительности этого процесса на концах оптического резонатора устанавливаются зеркала. Фотоны в результате этого генерируются монохроматическими и когерентными.

Лазеры бывают полупроводниковыми, твердотельными, жидкостными, газовыми. Накачка оптического квантового резонатора производится путем облучения активного вещества лампами вспышками, лазером, в результате химических и ядерных реакций и т.п.

Особенностью газовых лазеров является монохроматичность, высокая направленность, большая спектральная плотность излучения.

В твердотельных лазерах в качестве активного вещества используют кристаллические и аморфные диэлектрики (синтетический рубин) в виде цилиндрических стержней, на отполированных торцах которых наносятся зеркальные покрытия. Длина стержня резонатора может составлять, например, 15 см, а КПД = 1%. К недостаткам можно отнести то, что устройства имеют большие размеры.

В первом твердотельном лазере средой, используемой для генерации оптического излучения, был кристалл рубина в форме стержня. Импульсная накачка производилась лампой – вспышкой.

Современные лазеры основаны на использовании в качестве рабочего вещества таких сред, как газ, раствор красителя или полупроводник.        

В настоящее время разработано большое число квантовых генераторов различного конструктивного исполнения, мощности, спектра, характера излучения (импульсные, непрерывные), метода получения инверсной заселенности. Есть лазеры – усилители, используемые в космической связи, в астрофизике для усиления слабых сигналов.

Так как КПД у мощных резонаторов невысок при высокой их рабочей мощности (от 10 квт до  вт), то для того, чтобы резонаторы не перегревались, используют импульсный режим работы, синхронизацию нескольких резонаторов. В жидкостных лазерах активное вещество прокачивают через резонатор для его охлаждения.

Для непрерывного излучения используют четырехуровневую систему накачки энергии в резонаторе.

В полупроводниковых лазерах возбуждение достигается путем инжекции p - n -перехода или гетеро - перехода. Роль оптического резонатора при этом играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных p-n переходу. Такие излучатели отличаются малыми габаритами (размер резонатора в пределах 10 микрометров), компактностью, большим значением КПД (до 100%), токи и напряжения совместимы с интегральными микросхемами, возможна электрическая модуляция интенсивности излучения с частотой до Гц. Создают лазеры с длиной волны от 0,2 до 20 микрометров.

К их недостаткам можно отнести низкую когерентность и направленность излучения, недолговечность, зависимость параметров излучения от температуры, давления, напряженности магнитного поля и других воздействий.

Лазерные светодиоды подвержены неблагоприятному воздействию температуры. Это может привести к изменению длины волны, перескоку моды, изменению состояния стоячей волны внутри объемного резонатора. Линии генерации полупроводниковых лазеров не столь узки. Вид кривой спектра излучения инжекционного лазерного диода аналогичен спектру обычного светодиода, но диапазон неопределенности длин излучаемых волн у них на порядок меньше. При практически одинаковых генерируемых световых потоках яркость лазерного светодиода на несколько порядков выше, чем у обычного светодиода вследствие того, что лазерный светодиод имеет меньшую излучающую область.

Высокий КПД, низковольтное питание, высокое быстродействие, простота конструкции, низкая стоимость определяют широкую область практического использования лазеров для:

· волоконно-оптической связи,

· спектрального анализа состава материалов,

· спектроскопии высокого разрешения,

· оптической системы памяти,

· создания лазерных гироскопов

· создания стандартов частоты и т.п.

Сочетание в измерительных устройствах лазеров с волоконной оптикой обеспечивает передачу сигналов без потерь. При этом световолокна также могут непосредственно использоваться в качестве чувствительных элементов первичных преобразователей измерительной информации.

Существуют и другие типы квантовых генераторов (КГ): например, разер, в настоящее время разрабатывают газер. В лазерах на свободных электронах реализуется эффект Вавилова – Черенкова (разгон частиц в поле с замедлением при переходе на границе раздела сред), с использованием спонтанного эффекта Комптона (рассеяние излучения на движущихся навстречу электронах).    

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Поделиться: