Принцип действия квантовых генераторов

                    1. Принципы работы  квантовых генераторов. 

Принцип действия квантовых генераторов  основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. Они позволяют генерировать  колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности. В квантовых  генераторах при определенных условиях наблюдается непосредственное преобразование внутренней энергии атомов или молекул  в энергию электромагнитного  излучения. Это преобразование энергии  происходит в результате квантовых  переходов – энергетических переходов, сопровождающихся выделением квантов(порций) энергии. 
      При отсутствии внешнего воздействия между  молекулами( или атомами) вещества происходит обмен энергией. Часть молекул  излучает электромагнитные колебания, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий, часть – поглощает, совершая обратный переход. В целом в стационарных условиях система, состоящая из огромного числа молекул, находится в динамическом равновесии, т.е. в результате непрерывного обмена энергией количество излученной энергии равно количеству поглощенной. 
В состоянии  теплового  равновесия  квантовые  системы имеют меньшее количество молекул на более высоких энергетических уровнях, и поэтому   они не излучают, а лишь поглощают энергию при внешнем облучении. Молекулы (или атомы) при этом переходят на более высокие энергетические уровни. 
      В молекулярных генераторах и усилителях, использующих переходы между энергетическими уровнями, очевидно, необходимо создать искусственные условия, при которых населенность более высокого энергетического уровня будет выше. В этом случае под влиянием внешнего высокочастотного поля определенной частоты, близкой к частоте квантового перехода, может наблюдаться интенсивное излучение, связанное с переходом с высокого на низкий энергетический уровень. Такое излучение, вызванное внешним полем, называется индуцированным.  
      Внешнее высокочастотное поле основной частоты, соответствующей частоте квантового перехода (эту частоту называют резонансной), не только вызывает интенсивное индуцированное излучение, но и осуществляет  фазирование излучения отдельных молекул, что обеспечивает сложение колебаний и проявление эффекта усиления.Состояние  квантового  перехода,  когда населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего уровня перехода называется инвертированным. Существует  несколько способов для получения высокой населенности верхних энергетических уровней(инверсии населенностей).В газообразных веществах, например в  аммиаке, можно осуществить разделение (сортировку) молекул по различным  энергетическим состояниям  с помощью  внешнего постоянного электрического поля.  
      В твердых телах такое разделение затруднительно, поэтому используются различные методы возбуждения молекул, т.е. методы перераспределения молекул по энергетическим уровням путем облучения внешним высокочастотным полем.  
 Изменение населенности уровней (инверсию населенности уровней) можно произвести путем импульсного облучения высокочастотным полем резонансной частоты достаточной интенсивности. При правильном подборе длительности импульса (длительность импульса должна быть много меньше времени релаксации, т. е. времени восстановления динамического равновесия) после облучения некоторое время можно осуществлять усиление внешнего высокочастотного сигнала.  
Наиболее  удобным методом возбуждения, широко используемым в настоящее время  в генераторах, является метод облучения  внешним высокочастотным    полем,    существенно отличающимся по частоте от генерируемых колебаний, под действием которого и происходит необходимое перераспределение молекул по энергетическим уровням. 
     Одной из особенностей квантовых генераторов, определяющей их быстрое совершенствование, является их способность эффективно работать на весьма высоких частотах, включая оптический диапазон, т. е. практически до частот порядка 109   Мгц. Генераторы оптического диапазона позволяют  получить высокую направленность излучения, высокую плотность энергии в световом пучке (порядка 1012—1013 вт/м2) и огромный частотный диапазон,  допускающий передачу большого объема информации.Применение  генераторов оптического диапазона  в системах связи, локации и навигации, открывает новые перспективы существенного повышения дальности и надежности связи, разрешающей способности радиолокационных систем по дальности и углу, а также перспективы создания навигационных систем высокой точности. 
Генераторы оптического диапазона находят применение при научных исследованиях  
исследованиях и в промышленности. Чрезвычайно высокая концентрация энергии в узком пучке позволяет, например, прожигать отверстия очень малого диаметра в сверхтвердых сплавах и минералах, включая самый твердый минерал- алмаз. 
      Квантовые генераторы обычно различают:

по характеру активного вещества (твердого или газообразного), квантовые явления в котором определяют работу приборов. 
по диапазону рабочих частот (сантиметровый и миллиметровый диапазон, оптический диапазон – инфракрасный и видимый участки спектра) 
по методу возбуждения активного вещества или разделению молекул по энергетическим уровням.

По рабочему диапазону частот квантовые генераторы подразделяются на мазеры и  лазеры. Название мазер - сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation MASER) . Название лазер - сокращение фразы «Усиление света с помощью вынужденного излучения» (light amplification by stimulated emission of radiation LASER)

В настоящее время получили развитие главным образом два вида квантовых приборов, в которых применяются газообразные и твердые активные вещества способные    к  интенсивному   индуцированному излучению. Рассмотрим один из них. 

                        

                   2.Оптические квантовые генераторы на твердом теле

В оптических квантовых генераторах на твердом теле,   или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды   используются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими частицами, переходы меяду энергетическими состояниями которых определяют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na3+, Cr3+, Но3+, Pr3+ . Активные частицы составляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентрации и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными    внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливающей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.

Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом,   аналогичным используемому в парамагнитных усилителях. Она   осуществляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием   на вещество светового излучения высокой интенсивности.

Как показывают исследования, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых-  в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описываются двумя основными идеализированными энергетическими схемами: трех- и четырехуровневой (рис.71).

Рассмотрим вначале   метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энергетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1—>2, и 1—>3) принадлежат оптическому диапазону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабочей пары уровней. Он в действительности занимает широкую полосу допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.

Для создания инверсии рабочее вещество облучают интенсивным светом с частотным спектром, соответствующим переходу между уровнями 1—>3. С уровня 3 атомы переходят на уровень 2, . Этот переход, как правило, является безизлучательным. Энергия при этом идет на нагревание рабочего тела. При достаточной интенсивности накачки на уровне 2. удается получить больше атомов, чем их остается на основном уровне, т.е. возникает инверсия населенностей для рабочей пары уровней.

В активных средах, описываемых четырехуровневой    схемой (см .рис. 71,б), переход 3-2 является рабочим, верхний  уровень  так же, как в трехуровневой схеме, представляет    собой широкую полосу. Второй уровень находится от основного на энергетическом расстоянии, значительно большем kT. Поэтому при термодинамическом равновесии он практически не заселен. Большинство частиц, попавших на уровень 4 , затем переходит    безизлучательным путем на уровень 3 , что при соответствующих  условиях приводит к инверсии населенностей для пары уровней 3-2.

В четырехуровневой системе по сравнению  с  трехуровневой легче создать инверсию населенностей, так как нижний  рабочий уровень не заселен. Для этого необходимо перевести незначительное количество частиц с основного уровня на верхний рабочий. В трехуровневой системе для получения инверсии требуется  перебросить на верхний рабочий уровень с основного по крайней мере половину частиц.

На рис.72, а приведена схема ОКГ на твердом теле. Она включает оптический резонатор, рабочее тело 1 , лампу накачки 2 с отражателем 3 , систему ее питания и зажигания разряда.  Оптический резонатор образован зеркалами r1 и r2. Обычно в них используются многослойные интерференционные диэлектрические  отражающие покрытия, в которых показатель преломления переменно меняется от слоя к слою. Слои наносят вакуумным напылением или химическим путем, они имеют толщину, равную четверти длины волны в диэлектрике на рабочей частоте. С увеличением количества слоев коэффициент отражения возрастает. При n=15  и  больше он превышает 99%.

Иногда в качестве отражающих покрытий используются серебряные пленки, но они позволяют получать коэффициент  отражения не выше 95-96% и в отличие от интерференционных  диэлектрических покрытий имеют большое поглощение, а потому часто выгорают в процессе работы. Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным для вывода энергии. Коэффициент пропускания выходного зеркала выбирается так, чтобы вывести из ОКГ максимальную энергию. При малом коэффициенте пропускания будет   выводиться лишь незначительная доля энергии из резонатора. В случае большого пропускания ухудшаются условия возбуждения колебаний. При некотором пропускании выходного зеркала генерация  срывается, так как не выполняются пороговые условия. Оптимальный коэффициент пропускания, при котором выводится максимальная  энергия генерации, зависят от качества кристалла, его длины,   энергии накачки. Оптимальное пропускание выходного зеркала для  большинства твердотельных ОКГ составляет 20-60%.

Рабочее тело выполняют в форме стержня с хорошо   обработанными торцевыми поверхностями, имеющими   плоскопараллельную или сферическую форму. Точность отклонения обработки  торцевых поверхностей от заданной формы лежит в пределах десятых долей длины волны. Параллельность плоских торцов выдерживается с точностью до нескольких угловых минут.

Иногда вместо внешних зеркал используются отражающие  покрытия, нанесенные непосредственно на торцы рабочего тела. Боковая поверхность рабочих стержней частично или полностью делается матовой, чтобы предотвратить возбуждение типов  колебаний, распространяющихся с отражением от боковых поверхностей.

Инверсия населенностей в рабочем теле создается  методом оптической накачки. Как отмечено выше, пороговая мощность  накачки имеет величину до сотен ватт на кубический сантиметр рабочего вещества ОКГ. Столь высокая плотность мощности  накачки приводит к сильному нагреванию рабочих тел ОКГ.  Это  вызывает трудности, часто   непреодолимые,  в   реализации  непрерывного режима накачки твердотельных ОКГ. Поэтому ОКГ на    твердом теле, как правило, работают в режиме одиночных или периодически повторяющихся импульсов. Источником накачки служат   газоразрядные лампы. Наиболее часто используются импульсные ксено-новые лампы, обладающие наилучшей эффективностью  преобразования электрической энергии в световое излучение,   спектральный состав которого соответствует линиям поглощения  используемых активных сред.

Лампы конструктивно выполняются в виде прямой или  свитой в спираль трубки с введенными на концах электродами. Для инициации разряда в лампах предусматривается специальный внутренний или внешний поджигающий электрод. Лампы и рабочий стержень размещают внутри отражателя, обеспечивающего эффективность передачи световой энергии накачки в активную среду. При использовании спиральных ламп рабочее тело помещается внутри  них, а отражатель, выполняемый в виде кругового цилиндра,  охватывает лампу.

Более эффективны системы с прямыми лампами и отражателями в виде эллиптического цилиндра (рис.72, б),    обеспечивающего фокусировку излучения ламп на рабочий образец. Для этого рабочее тело и лампы размещаются вдоль фокусных осей цилиндра.(Рис. 72,в  иллюстрирует систему, в которой содержатся несколько ламп и одно рабочее тело.) Столь же эффективной оказывается  более простая система, в которой лампа и активное тело находятся рядом внутри узкого отражателя с круглым или овальным сечением. Отражатель выполняется из серебряной или алюминиевой фольги. В конструкциях систем накачки очень часто предусматриваются охлаждение рабочего тела и ламп путем обдува их воздухом ахи обтекания хладоагентом.

Питание ламп осуществляется от батареи конденсаторов Со (см.рис.72,а ), заряжаемых часто от сети переменного напряжения через повышающий трансформатор Тр. и выпрямительный элемент Д. . Нормальное напряжение заряда конденсаторов   должно быть меньше напряжения самопробоя импульсной лампы накачки. Зажигание разряда в лампе осуществляется подачей на поджигапщий электрод высоковольтного инициирующего импульса от управляющей схемы. На рис.72,а последняя состоит из конденсатора С , заряжаемого от сети через диод Д2, тиратрона с холодным катодом и импульсного трансформатора Тр1. При замыкании кнопки К тиратрон зажигается, конденсатор с разряжается через   первичную обмотку трансформатора и на вторичной обмотке появляется высоковольтный импульс.

                                            3. Рубиновые ОКГ

 Были первыми практически осуществленными оптическими квантовымигенераторами. В настоящее время ОКГ на рубине – наиболее распространенные и широко используемые в практике. Это объясняется следующими достоинствами рубиновых ОКГ: излучение происходит в удобном спектральном диапазоне (в видимой области), обеспечивается большая Энергия генерации.

Рубин — кристаллический минерал, имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной; структура рубина — кристаллическая решетка Al2O3 с внедренными в нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома — чем больше хрома, тем более красный оттенок имеет рубин.

К кристаллам рубина, используемым в технике ОКГ, предъявляются очень жесткие требования по размерам и оптической однородности, поэтому технология выращивания кристаллов рубина для ОКГ претерпела существенное совершенствование.

В рубиновом ОКГ кристаллическая решетка Al2O3 является матрицей, а ионы хрома — активатором. Электронная конфигурация основного состояния трехзарядного иона хрома — 3d3. Вследствие взаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состояние асщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергетических уровней приведена на рис.2.

 

 Два близко расположенных уровня 2-метастабильные долгоживущие состояния. Два широких уровня 3 соответствуют состояниям с малым временем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход 3®2. Этот переход безызлучательный — избыток внутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсное заселение состояний происходит по трехуровневой схеме рис.3 и рис.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Излучение накачки поглощается в криcталле на переходах 1®3. Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуре состояния 3. Он cодержит две широкие (Dl=1000 Ангстрем) полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленую и фиолетовую области спектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимости соответствуют двум ориентациям падающего излучения относительно оптической оси кристалла.