Содержание статьи

    КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

    КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ – электронные устройства для получения и / или усиления когерентных электромагнитных волн (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ), работа которых основана на явлении вынужденного излучения. Излучение создают связанные электроны, входящие в состав атомов и молекул рабочего вещества. Их поведение подчиняется законам квантовой механики, в отличие от свободных электронов, движение которых в вакууме и элементах схем «обычной» радиоэлектроники хорошо описывает механика классическая.

    Вынужденное излучение возникает в результате одновременного, согласованного по частоте и направлению испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул вещества под действием внешнего поля. Оно может происходить в широком диапазоне частот – от радиоволн до ультрафиолета и гамма-излучения.

    Квантовая механика, созданная в начале 20 в., показала, что электроны в атомах могут занимать только вполне определенные энергетические уровни Е0, Е1, Е2 …. Уровень Е0, соответствующий наименьшей энергии, называется основным, остальные – возбужденными. Под действием кванта электромагнитного излучения электрон может перейти с одного уровня на другой, причем Е2 Е1 = hn, где n – частота излучения, h = 6,626Ч10–34 ДжЧс постоянная Планка. Если переход осуществляется с низкого уровня на более высокий, происходит поглощение кванта излучения. Обратный переход сопровождается его испусканием, причем частота и фаза возникшей и первичной волн в точности совпадают. Это излучение называется вынужденным.

    Таким образом, в результате вынужденного излучения каждый квант, действующий на возбужденный атом, молекулу или ион, удваивается. И если количество возбужденных атомов вещества больше, чем его атомов в основном состоянии (такое положение называется инверсной населенностью, а само вещество – активным), вещество начинает усиливать проходящую сквозь него электромагнитную волну.

    Вещество не только может усиливать электромагнитные волны, но одновременно и поглощает их. Величина усиления зависит от соотношения между числом актов вынужденного излучения и величиной потерь. Чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Его можно повысить, если заставить электромагнитную волну проходить активное вещество многократно, увеличивая число излученных квантов. Для этого вещество помещают в полость, ограниченную отражающими стенками – резонатор. Волну вводят в резонатор через отверстие связи в его стенке, и сквозь нее же выводят усиленное излучение, увеличивая тем самым потери. Поэтому коэффициент усиления такого квантового усилителя будет расти при уменьшении отверстия связи.

    Если отверстие связи и поглощение внутри резонатора сделать очень малыми, приращение энергии волны за счет усиления станет больше ее потерь. Тогда амплитуда любого случайно возникшего в резонаторе электромагнитного колебания станет быстро возрастать – квантовый усилитель превратится в квантовый генератор электромагнитного излучения. Квантовые генераторы оптического диапазона называются лазерами. Квантовые усилители, атомные и молекулярные генераторы, работающие в радиодиапазоне, нередко объединяют общим термином «мазеры», аббревиатурой английской фразы «Microwave amplification by stimulated emission of radiation» – усиление микроволн (волн сантиметрового диапазона) при помощи вынужденного излучения.

    Квантовые молекулярные генераторы, отличающиеся чрезвычайно высокой стабильностью (относительная погрешность Dn/n Ј 10–11) используются в качестве стандартов частоты и времени.

    Квантовые усилители нашли широкое применение в радиоастрономии. Чувствительность радиотелескопов нельзя повышать только за счет увеличения размеров приемной антенны – их ограничивает прочность материалов и стоимость сооружения. Кроме того, слабое излучение космического объекта приходит на фоне значительных шумов. От них можно избавиться, увеличивая время наблюдения и накапливая полезный сигнал. Применение квантовых усилителей, настроенных на его частоту, позволяет подавить шумы и увеличить скорость накопления сигнала в десятки раз.

    Понятие вынужденного излучения сформулировал в 1916 А.Эйнштейн и показал, что это излучение должно быть когерентным. Однако возможность применить его для усиления и генерации электромагнитных волн стали серьезно рассматривать только в начале 50-х.