Квантовые генераторы

В квантовых генераторах для создания электромагнитных ко­лебаний используется внутренняя энергия микросистем — атомов, молекул, ионов.

Квантовые генераторы называют еще лазерами. Слово лазер составлено из начальных букв английского названия квантовых генераторов — усилитель света за счет создания стимулированно­го излучения.

Принцип действия квантового генератора состоит в следующем. При рассмотрении энергетической структуры вещества было по­казано, что изменение энергии микрочастиц (атомов, молекул, ио­нов, электронов) происходит не непрерывно, а дискретно — пор­циями, названными квантами (от латинского quantim — количе­ство).

Микросистемы, в которых элементарные частицы взаимодейст­вуют между собой, называются квантовыми системами.

Переход квантовой системы из одного энергетического состоя­ния в другое сопровождается излучением или поглощением кван­та электромагнитной энергии hv: Е₂— Ei=hv, где Е₁ и Е₂ — энер­гетические состояния: h — постоянная Планка; v — частота.

Известно, что наиболее устойчивым состоянием любой систе­мы, в том числе атома и молекулы, является состояние с наимень­шей энергией. Поэтому каждая система стремится занять и со­хранять состояние с наименьшей энергией. Следовательно, в нор­мальном состоянии электрон движется по наиболее близкой к ядру орбите. Такое состояние атома называется основным или ста­ционарным.

Под действием внешних факторов — нагрева, освещения, элек­тромагнитного поля — энергетическое состояние атома может из­меняться.

Если атом, например, водорода взаимодействует с электромаг­нитным полем, то он поглощает энергию Е₂ — E₁ = hv и его элек­трон переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбужденным. В нем атом может находиться некоторое очень малое время, называемое временем жизни возбужденного атома. После этого электрон возвращает­ся на нижний уровень, т. е. в основное устойчивое состояние, от­давая избыток энергии в виде излучаемого кванта энергии — фо­тона.

Излучение электромагнитной энергии при переходе квантовой системы из возбужденного состояния в основное без внешнего воз­действия называется самопроизвольным или спонтанным. При спонтанном излучении фотоны испускаются в случайные моменты времени, в произвольном направлении, с произвольной поляриза­цией. Поэтому оно называется некогерентным.

Однако под действием внешнего электромагнитного поля элек­трон может быть возвращен на нижний энергетический уровень еще до истечения времени жизни атома в возбужденном состоя­нии. Если, например, два фотона воздействуют на возбужденный атом, то при определенных условиях электрон атома возвращается на нижний уровень, излучая квант в виде фотона. При этом все три фотона имеют общую фазу, направление и поляризацию из­лучения. В результате энергия электромагнитного излучения ока­зывается увеличенной.

Излучение электромагнитной энергии квантовой системой при снижении ее энергетического уровня под действием внешнего элек­тромагнитного поля называют вынужденным, индуцированным или стимулированным.

Индуцированное излучение совпадает по частоте, фазе и на­правлению с внешним облучением. Отсюда такое излучение на­зывают когерентным (когерентность—от латинского cogerentia — сцепление, связь).

Так как на стимулирование перехода системы на более низ­кий энергетический уровень энергия внешнего поля не затрачива­ется, то электромагнитное поле усиливается и его энергия возра­стает на значение энергии излучаемого кванта. Это явление ис­пользуется для усиления и генерирования колебаний с помощью квантовых приборов.

В настоящее время лазеры изготовляют из полупроводниковых материалов.

Полупроводниковым лазером называют полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию излучения оптического диапа­зона.

Для работы лазера, т. е. для того, чтобы лазер создавал элек­тромагнитные колебания, необходимо, чтобы в его веществе воз­бужденных частиц было больше, чем невозбужденных.

Но в нормальном состоянии полупроводника на более высо­ких энергетических уровнях при любой температуре количество электронов меньше, чем на более низких уровнях. Поэтому в нор­мальном состоянии полупроводник поглощает электромагнитную энергию.

Наличие электронов на том или ином уровне называется насе­ленностью уровня.

Состояние полупроводника, в котором на более высоком энер­гетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком уровне, называется состоянием с инверсной населенностью. Создавать инверсную населенность можно различными способа­ми: с помощью инжекции носителей заряда при прямом включе­нии р — я-перехода, путем облучения полупроводника светом и т. д.

Источник энергии, создавая инверсию населенностей, выполня­ет работу, передавая энергию веществу и далее электромагнитно­му полю. В полупроводнике с инверсной населенностью можно получить вынужденное излучение, так как в нем имеется боль­шое количество возбужденных электронов, которые могут отдать свою энергию.

Если полупроводник с инверсной населенностью облучить элек­тромагнитными колебаниями частотой, равной частоте перехода между энергетическими уровнями, то электроны с верхнего уров­ня переходят на нижний вынужденно, излучая фотоны. При этом происходит вынужденное когерентное излучение. Оно является усиленным. Создав в таком устройстве цепь положительной обрат­ной связи, получим лазер — автогенератор электромагнитных ко­лебаний оптического диапазона.

Для изготовления лазеров чаще всего используют арсенид гал­лия, из которого изготовляют кубик со сторонами длиной в не­сколько десятых долей миллиметра.

Глава 4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕДАТЧИКОВ

Дата добавления: 2014-01-15