Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

зический процесс, который в конечном счете обусловливает соб­ ственные тепловые шумы квантовых усилителей.

Мазеры как усилители со сверхнизким уровнем шума целесо­

образно использовать только в случаях, когда остальные шумы в системе, и в том числе шумовой фон источника излучения, доста­ точно малы. Поэтому реализация очень малых потерь в волново­

дах, циркул.яторах, вращающихся сочленениях и других элемен­

тах становите.я определяющей при создании радиосистем. Поми­

мо этого, при конструировании квантового приемника

приходите.я учитывать не только ширину диаграммы и коэффи­

циент направленности излучения, но также боковые и задние ле­

пестки, поскольку через них может поступать на вход тепловое

(шумовое) излучение окружающих предметов, хот.я главный луч

и будет направлен на источник излучения холодного неба. Современные :КПУ работают начина.я с дециметрового и вплоть

до миллиметрового диапазона длин волн, имеют усиление 20 ...

...40 дБ, полосу пропускания до 20 МГц (многорезонаторные уси­ лители) и до 40 МГц (усилители с бегущей волной). :КПУ имеют ма­

лый динамический диапазон: насыщение в резонаторных усили­

телях наступает при мощности входных сигналов 10-9 ••• 10-10 Вт,

а в усилителях бегущей волныпри мощности 10-7 Вт, врем.я

восстановления порядка 0,01 ...0,1 с. Последние два фактора

можно отнести к существенным недостаткам рассматриваемых

усилителей.

:КПУ нашли применение в первую очередь в системах исследо­

вания космического пространства, дл.я управления и св.язи с ис­

кусственными спутниками Земли и другими летательными аппа­ ратами, в системах ПРО для обнаружения баллистических ракет, в РЛС дальнего обнаружения и других областях науки и техники.

18.4. Квантовые генераторы СВЧ-диапазона

Основным достоинством квантовых генераторов СВЧ-диапа­ зона является чрезвычайно высока.я стабильность частоты, много лучшая, чем у других типов генераторов: Однако уровень мощ­ ности излучения этих генераторов крайне мал, поэтому они могут применяться как опорные источники высокостабильных колеба­

ний, корректирующих частоту кварцевых генераторов, а также

использоваться в квантовых стандартах частоты и времени, в навига­

ции, при исследовании космоса и в других областях науки и тех­

ники. В качестве эталона времени принят период колебаний, соот-

типа. Для получения столь высокой стабильности необходима

тщательная магнитная экранировка. Мощность водородного ге­

нератора - 5 • l0-12 Вт, что достаточно для стабилизации частоты

более мощных генераторов. Он работает совместно со специаль­

ными радиотехническими устройствами, служащими для фор­

мирования сетки частот и управления ttтомными часами.

1. Охарактеризуйте особенности активного парамагнитного ве­ щества. Как образуются парамагнитные уровни энергии и :каковы их характеристики?

2. С чем связаны зеемановское расщепление уровней и явление электронного парамагнитного резонанса?

З. Резонаторные :квантовые парамагнитные усилители: устрой­

ство, способы создания инверсии населенностей, особеннос­

ти накачки в трех- и четырехуровневых системах.

4.Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) бегущей волны:

устройство, физические механизмы усиления сигнала, пара­

метры и характеристики.

5. Необходимость охлаждения для работы мазеров. Влияние

криогенных температур на характеристики мазеров.

6.Квантовые генераторы СВЧ-диапазона, особенности созда­

ния инверсной населенности за счет сортировки частиц в не­

однородном магнитном поле. Параметры современных :кван­

товых стандартов частоты.

Глава 19

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

19.1. Общие сведения

Газовые лазеры - наиболее широко используемый вид лазе­ ров. Среди них можно найти лазеры такого типа, которые будут

удовлетворять почти любому требованию.

Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены

тем, что они, как правило, являются источниками излучения

атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн пе­

реходов точно известны. Они определяются атомной структурой

и практически не зависят от условий окружающей среды. Гене­ рация может быть осуществлена в любой части оптического диа­

пазона - от УФ (- 200 нм) до далекой ИК области (- 0,4 мм),

частично захватывая микроволновую область.

Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую одно­

родность среды с низким коэффициентом преломления, что по­

зволяет применять простую математическую теорию для описа­

ния структуры поперечных мод резонатора. Необходимо также

отметить, что линии спонтанного излучения в газовом лазере наи-

о

более узки (l0-8 ••• 10-2 А). Ширина линии генерации газовых ла-

зеров минимальна среди всех видов лазеров и может составлять

десятки герц. Благодаря высокой однородности активной среды в газовых лазерах можно получать наименьший угол расходимости лазерного луча по сравнению с другими типами лазеров (порядка минуты без всякйх дополнительных коллимирующих устройств).

Газовые лазеры можно. разделить на три вида: атомарные,

ионные и молекулярные.

Лазеры на нейтральных атомах являются главным образом

генераторами ближнего ИК и красного излучения, поскольку

для нейтральных атомов энергия, соответствующая лазерным

переходам, составляет обычно 1".2 эВ.

Вионных газовых лазерах энергия излучения квантов зна­ чительно больше - 2... 5 эВ и более, поэтому ионные газовые лазеры генерируют видимое и УФ-излучение.

Вмолекулярных лазерах используются колебательные и

вращательные уровни молекул, для которых энергия переходов

составляет сотые и десятые доли эВ, что соответствует излуче­ нию в далеком ИК и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

19.2. Процессы создания инверсии населенностей в газовых лазерах

Свойства газовых лазеров зависят от величины давления и

природы газа, от взаимного расположения и времени жизни ра­

бочих уровней, от энергии и плотности свободных электронов, от размеров объема, где расположен газ, от способа подведения энергии и ряда других факторов (см. п. 15.2). Можно указать

следующие механизмы создания инверсии населенности в газо­

вых лазерах: неупругие столкновения частиц 1-го и 2-го рода в

газовом разряде, оптическ~я накачка, диссоциация молекул,

фотодиссоциация. В большинстве случаев в газовых лазерах на­

качка осуществляется за счет газового разряда, создаваемого в

активной среде, где располагаются электроды. Основные физи­

ческие процессы в газовом разряде рассмотрены в гл. 15. Здесь будут перечислены и просуммированы те положения, которые доминируют при получении инверсии населенностей.

Из всего большого разнообразия видов разряда в газе (см.

п. 15.2) в техн»ке газовых лазеров наиболее часто используются

тлеющие и дуговые разряды, в которых можно выделить три ха­

рактерные области: прикатодную, прианоДную и область поло­

жительного столба (см. п. 15.2). Напомним, что положительный столб отличается от приэлектродных областей небольшим гра­

диентом потенциала и отсутствием объемного заряда. В плазме положительного столба в основном и создается инверсия насе­

ленностей, поскольку в этой области присутствуют как электро­

ны, так и нейтральные возбужденные и невозбужденные атомы, молекулы и ионы, как положительные, так и отрицательные.

Все частицы в плазме положительного столба находятся в не­

прерывном хаотическом движении, а заряженные частицы еще

участвуют и в непрерывном дрейфовом движении. В процессе своего движения частицы взаимодействуют (соударяются) друг с другом, обмениваются энергией, в результате чего и происхо­

дит возбуждение и ионизация атомов и молекул. Процессы взаимодействия между частицами в плазме разряда принято де­

лить на две группы: упругие и неупругие.

За счет упругих взаимодействий энергия от заряженных час­ тиц передается нейтральным, а направленное движение частиц

превращается в хаотическое. Поэтому средняя энергия хаоти­

ческого движения частиц в плазме возрастает и, следовательно,

их температура оказывается выше, чем температура окружаю­

щей среды, однако увеличение средней энергии различно для

разных частиц.

Среди неупругих процессов взаимодействия 1-го рода наибо­

лее существенными являются следующие: прямое электронное

возбуждение, ступенчатое электронное возбуждение, ионизация атома (см. п. 15.2). При прямом электронном возбуждении воз­

бужденные состояния атомов заселяются при малой концентра­

ции электронов в разряде. При ступенчатом возбуждении засе-

ляются возбужденные состояния атомов при достаточно большой концентрации электронов в газовом разряде. Ионизация приве­ дет к увеличению количества заряженных частиц в плазме. Все эти три неупругих процесса являются процессами 1-го рода, так

как в результате взаимодействия суммарная кинетическая энер­

гия частиц убывает (см. п. 15.2).

При взаимодействии медленного электрона с возбужденным атомом возможно соударение 2-го рода, при этом атом отдаст свою внутреннюю энергию и перейдет в невозбужденное состоя­ ние. Результатом этого процесса является обеднение возбуж­

денных состояний. Другим эффективным процессом неупругих

соударений 2-го рода являются соударения нейтральных и воз­

бужденных атомов в смеси различных газов, когда невозбуж­ денный атом одного газа сталкивается с возбужденным атомом другого газа и в результате этого происходит передача возбуж­ дения. Результатом такого процесса является дополнительное

заселение возбужденных состояний за счет взаимодействия с

,атомами буферного газа. Вероятность этого процесса тем выше,

чем ближе .друг к другу расположены энергетические уровни,

между которыми осуществляется обмен возбуждениями, т. е. в

'идеальном случае эти уровни должны иметь одно и то же значе­

ние энергии.

Перечисленные процессы далеко не исчерпывают все многооб­ разие явлений в плазме положительного столба. Однако они по­

зволяют в первом приближении трактовать механиЗмы создания

инверсии населенностей в наиболее распространенных видах га­ зовых лазеров. В заключение подчеркнем роль упругих и неупру­ гих процессов в создании инверсии населенностей. Инверсия на­

селенностей непосредственно обязана неупругим соударениям.

Упругие же столкновения определяют среднюю энергию хаоти­

ческого перемещения электронов (электронную температуру) в

газовом разряде, которая определяет вероятность и значение се­

чения возбуждения или ионизации. Сечения процессов немоно­

тонно зависят от электронной температуры.

19.З. Атомарные газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер

Первым газовым лазером непрерывного действия был лазер,

в котором в качестве активной среды использовалась смесь двух газов - гелия и неона. Схематическое устройство Не-Ne лазера