ГЛАВА IV. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

В настоящее время все более широкое применение в САР находят квантовые усилители и генераторы. Квантовый усилитель представляет собой устройство, усиливающее электромагнитные волны за счет индуцированного излучения в среде с отрицательной температурой. Квантовый генератор — это источник монохроматического электромагнитного излучения, работа которого основана на использовании индуцированного излучения электромагнитных волн квантовыми системами.

В отличие от обычных электронных усилителей и генераторов, основанных на принципах классической электроники, в квантовых усилителях и генераторах используются эффекты взаимодействия электромагнитных волн с веществом, сопровождающиеся изменением внутренней энергии атомов, молекул, ионов.

Первый молекулярный генератор когерентного излучения в микроволновом диапазоне на основе использования индуцированных переходов в квантовых системах был создан советскими физиками

Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1954 г. [1].

Дальнейшее развитие возникшей новой области физики — квантовой радиофизики — привело к созданию парамагнитных квантовых усилителей сантиметрового и дециметрового диапазонов, генераторов частоты высокой стабильности на молекулярных и атомных пучках, нашедших широкое применение в технике.

Особенно важным достижением, послужившим новым толчком в развитии квантовой радиофизики, явилось создание в 1960 г. квантовых генераторов оптического и инфракрасного диапазонов, использующих в качестве активного вещества твердые тела (кристаллы) и газы.

Принципиально новые возможности открылись в 1962 г. после создания полупроводниковых квантовых генераторов. Полупроводниковые квантовые генераторы оптического диапазона преобразуют энергию электрического тока в когерентное излучение с коэффициентом полезного действия, близким к 100%. Они имеют небольшие габаритные размеры и массу.

Большой интерес представляют оптические квантовые усилители слабых сигналов. Оптические квантовые усилители играют важную роль как приемники оптических когерентных сигналов, несущих информацию.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ КВАНТОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ И ГЕНЕРАТОРОВ

Квантовые усилители и генераторы классифицируют по диапазону работы и по используемому активному веществу.

В зависимости от диапазона работы квантовые усилители и генераторы подразделяются на две группы: 1) квантовые усилители и генераторы радиодиапазона; 2) квантовые усилители и генераторы оптического и инфракрасного диапазона электромагнитных волн.

Как будет показанб далее, между этими двумя типами квантовых усилителей и генераторов имеются и принципиальные конструктивные различия.

По типу активного вещества квантовые усилители и генераторы радиодиапазона подразделяются на:

1) молекулярные генераторы, в которых усиление, самовозбуждение и поддержание режима генерации происходит за счет энергии поступающих в резонатор активных частиц (молекул, атомов);

2) Царамагнитные квантовые усилители, использующие для усиления индуцированные переходы между уровнями парамагнитных ионов. Активное вещество является твердым телом — парамагнитными кристаллами.

Оптические и инфракрасные квантовые генераторы и усилители делятся на четыре группы:

квантовые, усилители и генераторы на твердом теле;

газовые квантовые усилители и генераторы;

полупроводниковые квантовые генераторы;

жидкостные квантовые генераторы.

В квантовых усилителях и генераторах оптического и инфракрасного диапазонов используются оптические уровни примесных ионов в парамагнитных и диамагнитных кристаллах.

Для выяснения физической сущности явлений, лежащих в основе построения квантовых усилителей и генераторов, необходимо коротко остановиться на процессе взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

При прохождении электромагнитной энергии через вещество электромагнитные волны могут взаимодействовать с молекулами, атомами и ионами. Поскольку внутренняя энергия частиц (молекул, атомов, ионов) квантована, обмен энергией между полем и частицами

может происходить только дискретными порциями. Под действием электромагнитного лоля возможно как увеличение, так и уменьшение внутренней энергии частиц.

Состояние системы частиц (атомов и молекул) можно характеризовать с помощью системы дискретных уровней энергии (рис. IV. 1). Число частиц, находящихся на данном уровне, называется населенностью уровня. Если число частиц, имеющих энергию будет соответственно то числа будут населенностями уровней

При переходе частиц с некоторого уровня с энергией на уровень с энергией если — излучается, а при — поглощается квант электромагнитной энергии, частота которого определяется из соотношения

где — постоянная Планка, равная .

Рис. IV. 1. Схема уровней энергии частиц

При взаимодействии электромагнитного излучения, частота которого близка к частоте с веществом частицы последнего могут поглощать кванты излучения и переходить в более высокое энергетическое состояние (на уровень с более высокой энергией).

Кроме того, частицы, находящиеся на уровне с более высокой энергией (в возбужденном состоянии), могут переходить на более низкий уровень с испусканием кванта электромагнитного излучения. Если частица находится в возбужденном состоянии, переход с верхнего уровня на нижний возможен как при действии электромагнитного поля, так и без действия последнего. В первом случае происходит так называемый индуцированный (вынужденный) переход на нижний энергетический уровень, во втором — спонтанный переход на нижний энергетический уровень, связанный с взаимодействием с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Обычно частицы имеют большое число уровней энергии и при переходах с одного уровня на другой испускаются кванты различной частоты.

При отсутствии электромагнитного поля в условиях термодинамического равновесия устанавливается такое распределение частиц по энергиям, при котором населенности уровней определяются соотношением Больцмана:

где — постоянная Больцмана и Т — абсолютная температура.

Из уравнения (IV.2) следует, что на более высоком уровне энергии находится меньше частиц, чем на более низком. Для пары уровней можно определить некоторое свое значение температуры Т.

Очевидно, все системы, описываемые уравнением (IV.2), можно разделить на два класса:

1) системы, у которых для двух энергетических уровней имеет место неравенство при

2) системы, у которых при

Для первого класса систем эффективная температура, определенная по уравнению (IV.2), будет положительной, в то время как для систем второго класса она будет отрицательной величиной.

Системы, у которых для каких-нибудь двух определенных уровней энергии населенность верхнего уровня выше, чем нижнего, принято называть системами с отрицательной температурой. Вещество, находящееся в состоянии с отрицательной температурой, обладает и отрицательным поглощением. Очевидно, что состояния с отрицательной температурой являются неравновесными и могут быть получены лишь при воздействии внешнего поля.

Системы первого и второго классов по различному взаимодействуют с электромагнитным излучением. При взаимодействии внешнего электромагнитного поля с системами первого класса будут происходить переходы частиц как с верхнего уровня на нижний, так и с нижнего на верхний, причем вероятности переходов равны. Однако вследствие того, что в равновесном состоянии на верхнем уровне всегда находится меньшее число частиц, чем на нижнем, переходы с нижнего уровня на верхний будут преобладать, т. е. равновесная система будет поглощать кванты электромагнитной энергии, увеличивая таким образом число частиц на верхнем уровне энергии.

При взаимодействии излучения определенной частоты, поляризации и направления распространения с системами второго класса будут происходить индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. Таким образом будет увеличиваться число квантов электромагнитного поля. Поэтому, чтобы система работала как усилитель проходящего через нее электромагнитного излучения, необходимо, чтобы т. е. система должна находиться в состоянии с отрицательной температурой.

Если в системе возможны переходы с частотой между несколькими парами уровней, то условие усиления запишется в виде

где — вероятность перехода частицы из состояния в состояние с испусканием кванта.

Здесь суммирование производится по всем парам индексов при

Для получения генерации в средах с отрицательной температурой необходимо обеспечить в системе условия автоколебательного

режима, что может быть достигнуто путем введения обратной связи. В этом случае часть энергии возвращается снова в квантовую систему и вызывает индуцированные переходы в последующие моменты времени. Обратная связь в активной среде (веществе) с отрицательной температурой приводит к непрерывному поддержанию в системе колебательного режима.