Квантовые усилители

Источником лазерного излучения являются оптические квантовые генераторы (ОКГ), которые по агрегатному состоянию рабочего вещества подразделяются на газовые, жидкостные и на твердом теле. В технологии пайки используются в основном твердотельные лазеры, работающие на длине волны Л=1,06 мкм. Это связано с распространенностью твердотельных лазеров и простотой управления их энергетическими и оптическими характеристиками.

В последние десятилетия широкое развитие получил новый раздел науки и техники — оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах. Следует отметить, что первооткрывателями физических основ оптоэлектроники являются советские ученые — академики, лауреаты Нобелевской премии Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, создавшие оптические квантовые генераторы на основе р-п-перехода.

В радиотехнических вузах на первых курсах студенты глубоко изучают электричество, магнетизм, основные законы электромагнитного поля. Для решения современных и перспективных задач, возникающих перед радиоинженерами, очень важно хорошо знать строение вещества и, особенно физику твердого тела и квантовую механику. С использованием принципов, рассматриваемых в этих областях, работают многие электронные приборы и устройства — усилители, генераторы, преобразователи колебаний, а также особый класс генераторов — квантовые генераторы, имеющие чрезвычайно высокую стабильность частоты колебаний. В последние годы получили развитие новые и очень важные направления: акусто- и оптоэлектроника, основанные на использовании явлений взаимодействия электромагнитной волны со средой распространения.

Наоборот, квантовые усилители СВЧ в перевозбужденном режиме могут работать в качестве квантовых генераторов. Сначала были созданы (в 1954 г.) именно квантовые генераторы СВЧ-диапазона. Квантовые генераторы оптического диапазона были созданы в 1960 г. Генерация СВЧ-колебаний осуществляется также с

Источники оптического излучения подразделяются на тепловые и люминесцентные. К первым относятся лампы накаливания, ко вторым — газоразрядные лампы, электролюминофоры, оптические квантовые генераторы и светодиоды.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное когерентное излучение. Для генерации когерентного излучения необходимо прежде всего в активном веществе создать инверсную населенность уровней, т. е. такое резко неравновесное состояние, при котором концентрация электронов на высшем энергетическом уровне превышает их концентрацию на более низком

Источники оптических излучений. Источники оптического излучения подразделяются на тепловые и люминесцентные. К первым относятся лампы накаливания, ко вторым — газоразрядные лампы, электролюминофоры, оптические квантовые генераторы и светодиоды. Следует отметить, что во многих случаях источником излучения является сам объект излучения (например, в оптических пирометрах для измерения температуры, люксметрах и экспонометрах для измерения освещенности, и т. п.).

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное и когерентное излучение. Наибольшее

являются генераторы того или иного типа. При промышленных частотах на электрических станциях в настоящее время в качестве генераторов применяют вращающиеся электрические машины. Для промышленных и повышенных частот генерирование переменной э. д. с. осуществляют также с помощью ионных и полупроводниковых преобразователей постоянного тока в переменный, именуемых инверторами. При повышенных и высоких частотах используют преобразователи с электронными приборами, например ламповые генератор^!. Наконец, для генерирования колебаний с частотами, приближающимися к частотам оптического диапазона, а также лежащими в оптическом диапазоне, используются квантовые генераторы, именуемые мазерами и лазерами.

Источники оптических излучений. Источники оптического излучения подразделяются на тепловые и люминесцентные. К первым относятся лампы накаливания, ко вторым — газоразрядные лампы, электролюминофоры, оптические квантовые генераторы и светодиоды. Следует отметить, что во многих случаях источником излучения является сам объект излучения (например, в оптических пирометрах для измерения температуры, люксметрах и экспонометрах для измерения освещенности, и т. п.).

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное и когерентное излучение. Наибольшее

На СВЧ и более высоких частотах, а частично н на УВЧ, сейчас широко применяются так называемые квантовые усилители, в которых увеличение мощности сигнала достигается за счет энергии возбужденных атомов, молекул или ионов. В квантовых усилителях используются также и полупроводниковые приборы. С освоением в радиотехнике диапазона оптических волн квантовые усилители стали применяться для усиления лазерного излучения.

Наоборот, квантовые усилители СВЧ в перевозбужденном режиме могут работать в качестве квантовых генераторов. Сначала были созданы (в 1954 г.) именно квантовые генераторы СВЧ-диапазона. Квантовые генераторы оптического диапазона были созданы в 1960 г. Генерация СВЧ-колебаний осуществляется также с

Квантовые усилители служат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных атомов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей производят жидким гелием в криостатах.

Квантовые усилители служат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных атомов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей производят жидким гелием в криоста-тах.

§ 12.5. КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ*

Квантовые усилители СВЧ диапазона используются обычно для усиле-

Под действием мощной накачки на частоте ю13 населенность уровней EI и Е3 становится одинаковой и равной (п3.-)- п^/2 = 1,0008 п2* Как видим, уровень Е3 оказывается инверсно заселенным относительно уровня ?2, но разность в заселении этих уровней чрезвычайно мала и не может привести к сколько-нибудь высоким коэффициентам усиления. Аналогичные оценки, проведенные для Т ~ 4,2 К (жидкий гелий), показывают, что при этой температуре (п 3 + Ч- «i)/2 = 1,07«2. Таким образом, понижение температуры рабочего нещества с комнатной до к4 К повышает инверсную заселенность на два порядка. Этим объясняется тот факт, что квантовые усилители СВЧ диапазона работают, как правило, при температуре жидкого гелия и используются в стационарных установках: в высокочувствительных приемниках радиолокационных и радиотелескопических систем, в системах связи и т. д. Основным их преимуществом является исключительно низкий уровень собственных шумов. По величине отношения сигнал/шум они примерно в 1000 раз превышают обычные усилители СВЧ диапазона. Это позволяет с их помощью принимать сигналы, не улавливаемые обычной электронной аппаратурой.

Используются различные способы получения инверсной заселенности рабочих уровней. Наиболее широкое применение получили парамагнитные квантовые усилители, основанные на явлении парамагнитного резонанса в твердых телах, описанном в § 11.7. В качестве рабочего вещества в этих усилителях используются диамагнитные кристаллы, содержащие небольшие количества парамагнитной примеси. К таким веществам относится, в частности, рубин,, представляющий собой окись алюминия (А1аО3), содержащий при-

§ 12.5. Когерентное излучение. Квантовые усилители и генераторы . 333

пежиме квантовые усилители на рубине могут эффективно работать на частотах от 6 до 40 ГГц.

По сравнению с резонаторными приборами квантовые усилители бегущей волны имеют ряд преимуществ. Замедляющая система может иметь полосу пропускания, значительно превышающую ширину линии использованного парамагнитного кристалла, и тогда полоса пропускания определяется свойствами самого кристалла. Согласно ф-ле (8.16) при обычных коэффициентах усиления 20—30 дБ полоса усилителя составляет примерно 1/3 ширины линии кристалла. Поэтому усилители бегущей волны имеют большую полосу, чем резонаторные приборы.