5.9. Квантові генератори.

Для створення електромагнітних коливань НВЧ в квантових генераторах використовується внутрішня енергія мікрочастинок - атомів, молекул та іонів.

Квантові генератори називають лазерами. Слово "лазер" скла­дено в початкових літер англійської назви квантового генератора підсилювач світла за рахунок створення стимульованого випромінюван­ні.

Принцип дії квантового генератора полягає витому, що при розгляді електронної структури речовини зміна енергії мікрочасток (атомів, молекул, іонів, електронів) проходить не безперервно, а, дискретно - порціями, які називають квантами . Мікросистеми, в яких елементарні частки взаємодіють між собою, називають квантовими сис­темами. Перехід квантової системи з одного енергетичного рівня Е1 в другий Е2 супроводжується випромінюванням чи поглинанням кванта електромагнітної енергії hυ = Е2-Е1, де h - постійна План­ка, υ - частота. Енергія W кванта залежить від частоти електромагнітного поля і визначається по формулі W= . Інтервал між двома енергетичними рівнями назива­ють переходом.

Мал. 5.17. Енергетичні рівні мікросистеми.

На мал. 5.17 показано кілька переходів, кожному з яких відповідає різна енергія кванта W2-W1, W3-W4, W3- W2, Це, в свою чергу, означає, що набуває конкретного значення :

Відомо, що найбільш стійким станом всякої системи, в тому числі і атома чи молекули, є стан з найменшою енергією. Тому кожна система прагне зайняти і зберегти стан з найменшою енергією. Таким чином, при нормальному стані електрон рухається по найбільш близькій до ядра орбіті. Такий стан атома називається основним або стаціонар­ним.

Під дією зовнішніх факторів - нагрівання, освітлення, електро­магнітного поля - енергетичний стан атома може змінюватися.

Якщо атом, наприклад, водню, взаємодіє з електромагнітним по­лом, він поглинає енаргіт E2-Е1= hυ і його електрон переходить на більш високий енергетичний рівень. Такий стан атома називається збудженим. В ньому атом може знаходитися деякий дуже малий час, який називається часом життя збудженого атома. Після цього електрон повер­тається на нижчий рівень, тобто, в основний стійкий стан, віддаваючи надлишок енергії п вигляді випромінюваного кванта енергії фотона.

Випромінюваний електромагнітної енергії при переході квантової системи із збудженого стану в основне без зовнішнього впливу назива­ється мимовільним або спонтанним. При спонтанному випромінюванні фо­тони спускаються в будь-які моменти часу, в будь-якому напрямку , з будь-якою поляризацією. Тому воно називається некогерентним. Одначе під дією зовнішнього електромагнітного поля електрон може бути по­вернутий на нижній енергетичний рівень ще до закінчення часу життя атома в збудженому стані. Якщо, наприклад, два фотони впливають на буджений атом, то при визначених умовах електрон атома повертається на нижній рівень, випромінюючи квант енергії в вигляді фотона. При цьому всі три фотони мають загальну фазу, напрямок і поляризацію ви­промінювання,

В результаті енергія електромагнітного випромінювання виявляється збільшеною.

Випромінювання електромагнітної енергії квантовою системою при зниженні II енергетичного рівня під дією зовнішнього електромаг­нітного поля називається вимушеним, індукованим чи стимульованим.

Індуковане випромінювання співпадав по частоті, фазі і напрям­ку з зовнішнім опроміненням. Звідси таке випромінювання називається когерентним (когерентність -зцеплення, зв'язок).

Оскільки стимулювання переходу системи на більш низький енерге­тичний рівень енергія зовнішнього поля не витрачається, то електро­магнітне поле підсилюється і його енергія зростає на значення енергії випромінюваного кванта. Це явище використовується для підсилен­ня і генерування коливань з допомогою квантових приладів.

На даний час лазери виготовляються з напівпровідникових мате­ріалів.

Напівпровідниковим лазером називають напівпровідниковий прилад, в якому проходить безпосереднє перетворення електричної енергії в енергію випромінювання оптичного діапазону. Для роботи лазера, тобто, для того, щоб лазер створював електромагнітні коливання, необхідно, щоб в його речовині збуджених часток було більше, ніж незбуджених. Але в нормальному стані напівпровідника на більш високих енергетичних рівнях при будь-якій температурі число електронів менше, ніж на більш низьких рівнях. Тому в нормальному стані напівпровідник погли­нає електромагнітну енергію.

Наявність електронів на тому чи іншому рівні називається населеністю рівня. Становище напівпровідника, в якому на більш висо­кому енергетичному рівні знаходиться більше електронів, ніж на більш низькому рівні, називається станом з інверсною населеністю. Створю­вати інверсну населеність можна різними способами : з допомогою ін­жекції носіїв зарядів при прямому ввімкненні р-n переходу, шляхом опромінення напівпровідника світлом і т.д. Джерело енергії, створюю­чи інверсію населеностей, виконує роботу, передаючи енергію речовині і в подальшому електромагнітному полю. В напівпровіднику з інверсною населеністю можна одержати вимушене випромінювання, оскільки в ньо­му є велике число збуджених електронів, які можуть віддати свою енер­гію.

Якщо напівпровідник з інверсною населеністю опромінити електро­магнітними коливаннями з частотою, рівною частоті переходу між енерге­тичними рівнями, то електрони з верхнього рівня перейдуть на нижній вимушено, випромінюючи фотони. При цьому проходить вимушене когерен­тне випромінювання. Воно б підсиленим. Створюючи в такому пристрої коло позитивного зворотнього зв'язку, одержимо лазер - автогенератop електромагнітних коливань оптичного діапазону.

Для виготовлення лазерів частіше всього використовують арсенід галія, з якого виготовляють кубик з сторонами довжиною в кілька де­сятих долей міліметра.

Рубіновий лазер виготовляють зі стержня монокристала синтетич­ного рубіна - окису алюмінію (Al₂ O₃) домішкою хрому ( Сr ). Іони хрому Сr замінюють з кристалі частину (0,5%) трьохвалентних iонів алюмінія Al ³⁺. Діаграма енергетичних рівнів електронів внутрішніх оболочок іонів хрому приведена на мал. 5.18а.

Maл 5.18. Схема розташування енергетичних рівнів і ескіз конструкції рубінового лазера.

Рівні 1 та 3 є короткоживучими, а рівень 2 - довгоживучим (метастабільним). Робочим є перехід між метастабільним 2 та основним 1 рівнями. Оптична накачка енергії полягає в швидкому і інтенсивному перенесенні електронів з рівня ї на рівень 3. Для цього кристал рубі­на освітлюється дуже короткими, але дуже Інтенсивними, спалахами великопотужної лампи накачки. Рубін поглинає синьо-зелону частину спектра випромінювання лампи накачки. В результаті цього електрони з рівня 1 переходять на рівень 3, набуваючи енергію. Оскільки рівень 3 короткоживучий, його надмірна населеність довго не вдержується. Електрони зразу переходять в основному на рівень 2 та накопичуються на ньому, поки не будуть виконані умови самозбудження лазера. Потім з рівня 2 електрони вимушено чи спонтанно переходять на рівень І, випромінюючи фотони з частотою υ₂₁ , яка відповідає червоному світлу.

Для самозбудження необхідний позитивний зворотній зв'язок. Він досягається за рахунок розташування активного елемента між двома па­ралельними один відносно одного високоякісними дзеркалами, як показа­но на мал. 5.18б. Ці дзеркала створюють відкритий оптичний резонатор, в якому можуть багаторазово проходить вподовж активного елемента (стер­жня) лазера. Нехай, наприклад, в середині стержня в результаті спон­танного переходу з другого рівня 2 на перший 1 електрон, віддавши свою енергію в вигляді фотону. Цей фотон, розповсюджуючись вподовж стерж­ня, доходить до дзеркала і відбивається, спрямовуючись в другу сторону. Так виникає самозбудження, після якого автоколивання швидко зроста­ють. Межа наростання їх визначається кінцевим числом часток, які вза­ємодіють з полем або кінцевою потужністю джерела накачки. Вивід енер­гії проводиться через отвір в одному з дзеркал.

Основними параметрами лазера є довжина хвилі випромінювання, вихідна потужність, ККД, енергія, яка випромінюється за час тривалості імпульса ( для імпульсних лазерів).

В квантових генераторах частоти переходів визначаються приро­дою речовини, з якого вони побудовані. Крім того, квантові генерато­ри на пучках молекул володіють високою довгочасною і короткочасною стабільністю частоти, тому можуть бути використані як стандарти час­тоти в народному господарстві. В радіоперддавальних пристроях кванто­ві стандарти можна використовувати в синтезаторах частоти в вигляді опорних генераторів. Беспосередньому використанню квантових стандар­тів частоти перешкоджає їх висока робоча частота і мала вихідна потужність ( 10^-10 В_т).