Особенности работы и построения квантовых приборов.

Классификация КП

В КП взаимодействие ЭМП происходит с веществом (с электронами, связан-ными с веществом), а не со свободными потоками электронов, как в ЭП и ПП.

Это взаимодействие ЭМП с веществом происходит дискретно, квантами. Частота кванта f₂₁ определяется разностью энергий W₂ – W₁ состояний атома, молекулы:

(7.1)

где h = 6,6·10^-34, Дж·с (или ) – постоянная Планка.

Энергетическое состояние атома, молекулы определяется энергетическими уровнями электронов в них (в соответствии со значениями квантовых чисел: главного, азимутального, радиального, спинового).

Изменение энергетического состояния атома, молекулы может происходить как с уменьшением энергии (с испусканием кванта ЭМП или без излучения), так и с увеличением энергии (с поглощением кванта ЭМП).

Переход в нижнее энергетическое состояние может быть самопроизвольным (спонтанным, соответственно со спонтанным излучением квантов) и вынужден-ным (индуцированным), под действием квантов ЭМП той же частоты, например квантов спонтанных переходов. Интенсивность спонтанных переходов характеризуется коэффициентом спонтанного излучения А₂₁, 1/с, определяемым временем нахождения частицы в данном энергетическом состоянии (средним временем жизни) .

Интенсивность индуцированных переходов «вниз» характеризуется коэф-фициентом индуцированного излучения В₂₁.

Интенсивность переходов в верхнее энергетическое состояние характери-зуется коэффициентом индуцированного поглощения В₁₂. Для увеличения вероятности такого перехода необходима определенная плотность энергии фото-нов w_f. При достаточной плотности энергии w_f В₁₂≈В₂₁ и вероятность индуци-рованных переходов «вверх» и «вниз» одинакова.

Условием преобладания индуцированного излучения над спонтанным в квантовой системе является получение состояния инверсной населенности уровней нижнего N₁ и верхнего N₂, обратной распределению населенности по закону Больцмана:

(7.2)

когда становится N₂>N₁ (соответствует Т<0, т.е. активному состоянию с «отрицательной абсолютной температурой среды»; здесь – постоянная Больцмана). Излучаемая при этом энергия ∆W будет определяться соотношением (при N₂>N₁):

hf₂₁N₂B₂₁w_f – hf₁₂N₁B₁₂w_f = ∆W (7.3)

Если же N₁>N₂, то энергия (– ∆W) поглощается. При N₁=N₂ имеет место просветление среды. При N₂>N₁ по закону Бугера-Ламберта будет происходить усиление света на частоте f₂₁ при прохождении по пути z через активную среду:

, (7.4)

где – натуральный показатель поглощения, который при N₂>N₁ становится отрицательным.

Для получения инверсии населенности уровней необходимо затратить энер-гию на перевод частиц в верхнее энергетическое состояние, откуда они способны переходить в нижнее состояние. Наиболее часто для получения инверсии исполь-зуется трехуровневая схема с процессом «накачки» с первого на третий уровень за счет внешнего источника на частоте f_н=f₁₃, а инверсия создается между уровнем с большим временем жизни и нижележащим уровнем (рис. 7.1, а, б). Чаще реализуется первая схема. Инверсия может быть также создана за счет столкно-вений с атомами вспомогательного газа.

а) б)

Рис. 7.1. Трехуровневые схемы получения инверсной населенности:

на втором уровне при (а); на третьем уровне при (б)

Несмотря на квантованность уровней, их энергия в ансамбле атомов или молекул изменяется от тепловых колебательных движений составляющих частиц, взаимного влияния их полей, соударений, собственных перемещений в момент излучения. Последняя компонента для газовых квантовых систем даёт наиболь-шее изменение частоты за счет эффекта Доплера:

, (7.5)

где υ – скорость в направлении приемника, с – скорость света. Этот эффект приво-дит к существенному расширению спектра линии излучения. Поэтому индуциро-ванное излучение в принципе имеет определенную степень немонохроматичности за счет уширения спектральной линии излучения. Для повышения монохроматич-ности используются резонаторы, служащие одновременно и как цепи положи-тельной обратной связи (ОС) в квантовых генераторах и регенеративных усилителях.

Энергетическое состояние частиц, являющихся электрическими или магнит-ными диполями, определяется также постоянными электрическими (эффект Штарка) и магнитными (эффект Зеемана) полями («расщепление» энергетических уровней). Энергия диполя возрастает или уменьшается в зависимости от положе-ния диполя – против поля или наоборот. Изменение энергий «расщепленных» уровней в магнитном поле используют для построения на парамагнетиках квантовых парамагнитных усилителей СВЧ (КПУ), использующих, например трехуровневую схему получения инверсии. Для получения в них инверсии населенности уровней используется эффект селективного поглощения ЭМП на одной из частот зеемановского перехода (между «расщепленными» подуровнями) – явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и усиления на частоте другого перехода (см. рис. 7.1). В зависимости от используемых систем создания источника внешнего ЭМП в виде цепи ОС (резонатора отражательного или проходного типа, ЗС с бегущей волной) конструируются и соответствующие типы КПУ. Эффект Штарка также используется для получения инверсии за счет сортировки молекул в квантовых системах с электрическими диполями (моле-кулярный генератор на аммиаке NН₃ с квадрупольным электрическим конден-сатором).

Для модуляции ОКГ с целью передачи информации используются методы как внутренней модуляции (воздействие на активное вещество Е и Н-полем на добротность и длину резонатора, вариация накачкой), так и внешней − воздействие на излучение ОКГ (использование эффектов Фарадея, Поккельса, Керра для АМ и ФМ).

Для демодуляции промодулированного излучения ОКГ используют различ-ные типы фото-устройств в зависимости от диапазона модуляции частот (фото-резисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фото-СВЧ-приборы с фотокатодом типа фото-ЛБВ и др.).

В зависимости от типа используемой среды квантовые генераторы (КГ) и квантовые усилители (КУ) можно разделить на разные группы с получением инверсии:

− при использовании электрических диполей вещества в системах взаимо-действия с электрическим полем (на эффекте Штарка – сортировка пучка молекул в неоднородном электрическом поле);

− при использовании магнитных диполей вещества в парамагнитных систе-мах (на эффекте Зеемана и явлении ЭПР);

− в атомных, ионных и молекулярных системах за счет изменения их энерге-тического состояния (без участия Е- или Н-полей).

В зависимости от агрегатного состояния среды КГ и КУ можно разделить на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые, электронные (на реля-тивистских пучках электронов).

В зависимости от диапазона КГ и КУ можно разделить на КГ и КУ СВЧ и КГ и КУ оптического и ИК-диапазона (ОКГ и ОКУ).

Учитывая изложенное, можно построить функциональную классификацию КП (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Функциональная классификация квантовых приборов

В изучаемом курсе «ЭП СВЧ и КП» рассматриваются лишь некоторые из указанных видов КП СВЧ и ОКГ.

КП находят широчайшее применение в системах космической связи, волоконно-оптической связи, в технологических и медицинских целях. Среди КП созданы самые малошумящие – квантовые парамагнитные усилители, самые мощ-ные – квантовые генераторы в тысячи ТВт в импульсе, самые стабильные стандарты частоты ( и менее) и времени. Квантовые принципы, заложенные в современные нанотехнологии, – основа технологий будущего общества.

Технические требования, предъявляемые к КП различного назначения, отли-чаются по многим параметрам. Качественно они соответствуют техническим тре-бованиям, сформулированным ранее для ЭП СВЧ.