مولد الكم - اسم عام لمصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تعمل على أساس الانبعاث المحفز للذرات والجزيئات.

العاصمة

اعتمادًا على الطول الموجي الذي يصدره المولد الكمي، يمكن تسميته بشكل مختلف:

الليزر (المدى البصري)؛

مازر (نطاق الميكروويف)؛

الماسح (نطاق الأشعة السينية) ؛

غازر (نطاق جاما).

العاصمة

في الواقع، يعتمد تشغيل هذه الأجهزة على استخدام مسلمات بور:

لا يمكن للذرة والأنظمة الذرية أن تبقى إلا لفترة طويلة في حالات ثابتة أو كمومية خاصة، ولكل منها طاقة محددة. في الحالة الثابتة، لا تبعث الذرة موجات كهرومغناطيسية.

يحدث انبعاث الضوء عندما ينتقل الإلكترون من حالة ثابتة ذات طاقة أعلى إلى حالة ثابتة ذات طاقة أقل. طاقة الفوتون المنبعث تساوي فرق الطاقة بين الحالات الثابتة.

الأكثر شيوعًا اليوم هو الليزر، أي مولدات الكم الضوئية. وبالإضافة إلى ألعاب الأطفال، فقد انتشرت على نطاق واسع في مجالات الطب والفيزياء والكيمياء وتكنولوجيا الكمبيوتر وغيرها من الصناعات. لقد ظهر الليزر باعتباره "الحل الجاهز" للعديد من المشاكل.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على مبدأ تشغيل الليزر.

DC4-14

الليزر - مولد كمي بصري يخلق شعاعًا ضوئيًا قويًا ومتماسكًا ومتماسكًا بشكل ضيق. (الشريحتان 1، 2)

( 1. الانبعاث التلقائي والمحفز.

إذا كان الإلكترون في المستوى الأدنى، فإن الذرة سوف تمتص الفوتون الساقط، وينتقل الإلكترون من المستوى E 1 إلى المستوى E2 . هذه الحالة غير مستقرة أيها الإلكترونبشكل عفوي سوف ينتقل إلى المستوى E 1 مع انبعاث الفوتون. يحدث الانبعاث التلقائي تلقائيًا، وبالتالي فإن الذرة سوف تبعث الضوء بشكل غير متسق، بشكل فوضوي، وبالتالي فإن موجات الضوء غير متسقة مع بعضها البعض لا في الطور، ولا في الاستقطاب، ولا في الاتجاه. هذا هو الضوء الطبيعي.

لكن الانبعاث المستحث (القسري) ممكن أيضًا. إذا كان الإلكترون في المستوى الأعلى E 2 (ذرة في حالة مثارة)، فعندما يسقط الفوتون، يمكن أن يحدث انتقال قسري للإلكترون إلى مستوى أدنى عن طريق انبعاث فوتون ثانٍ.

العاصمة

يسمى الإشعاع أثناء انتقال الإلكترون في الذرة من مستوى الطاقة الأعلى إلى المستوى الأدنى مع انبعاث فوتون تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي خارجي (الفوتون الحادث)القسري أو المستحث .

خصائص الانبعاث المحفز:

التردد والطور المتطابقان للفوتونات الأولية والثانوية؛

نفس اتجاه الانتشار

نفس الاستقطاب.

ونتيجة لذلك، ينتج عن الانبعاث المحفز فوتونين توأم متطابقين.

العاصمة

2. استخدام الوسائط النشطة.

تسمى حالة المادة في الوسط الذي تكون فيه أقل من نصف ذراته في حالة مثارةالدولة مع السكان العاديين من مستويات الطاقة . هذه حالة طبيعية للبيئة.

العاصمة

تسمى البيئة التي يكون فيها أكثر من نصف الذرات في حالة مثارةوسط نشط مع عدد عكسي من مستويات الطاقة . (الشريحة 9)

في وسط مع مجموعة عكسية من مستويات الطاقة، يتم تضخيم موجة الضوء. هذه بيئة نشطة.

يمكن مقارنة تكثيف الضوء بنمو الانهيار الجليدي.

العاصمة

للحصول على الوسط النشط، يتم استخدام نظام ثلاثي المستويات.

في المستوى الثالث، يعيش النظام لفترة قصيرة جدًا، وبعد ذلك ينتقل تلقائيًا إلى الحالة E 2 دون انبعاث الفوتون. التحول من الدولة2 في دولة 1 يصاحبه انبعاث الفوتون الذي يستخدم في الليزر.

تسمى عملية انتقال الوسط إلى الحالة العكسيةضخ . في أغلب الأحيان، يتم استخدام تشعيع الضوء (الضخ البصري)، والتفريغ الكهربائي، والتيار الكهربائي، والتفاعلات الكيميائية. على سبيل المثال، بعد وميض مصباح قوي، يدخل النظام في حالة3 ، بعد فترة قصيرة من الزمن في الولاية2 الذي يعيش فيه لفترة طويلة نسبيا. وهذا يخلق الاكتظاظ السكاني على المستوى2 .

العاصمة

3. ردود فعل إيجابية.

من أجل الانتقال من وضع تضخيم الضوء إلى وضع التوليد في الليزر، يتم استخدام التغذية الراجعة.

يتم تنفيذ ردود الفعل باستخدام مرنان بصري، والذي عادة ما يكون زوجًا من المرايا المتوازية. (الشريحة 11)

نتيجة لأحد التحولات العفوية من المستوى الأعلى إلى المستوى الأدنى يظهر الفوتون. عند التحرك نحو إحدى المرايا، يتسبب الفوتون في حدوث سيل من الفوتونات. بعد الانعكاس من المرآة، يتحرك سيل من الفوتونات في الاتجاه المعاكس، مما يؤدي في الوقت نفسه إلى إصدار جميع الذرات الجديدة للفوتونات. ستستمر العملية طالما كانت موجودةعكس السكان مستوى

عكس السكان مستويات الطاقة - حالة عدم التوازن في البيئة، حيث يكون عدد الجزيئات (الذرات والجزيئات) الموجودة في مستويات الطاقة العليا، أي في حالة الإثارة، أكبر من عدد الجزيئات الموجودة في مستويات الطاقة المنخفضة. .

العنصر النشط

ضخ

ضخ

مرنان بصري

تيارات الضوء التي تتحرك في اتجاهات جانبية تترك العنصر النشط بسرعة دون أن يكون لديها وقت لاكتساب طاقة كبيرة. يتم تضخيم موجة الضوء المنتشرة على طول محور الرنان عدة مرات. الجزء السفلي من المرايا مصنوع نصف شفاف، ومنه تخرج موجة الليزر إلى البيئة.

العاصمة

4. ليزر روبي .

الجزء الرئيسي من ليزر روبي هوقضيب روبي. روبي يتكون من الذراتآلو يامع خليط من الذراتكر. إن ذرات الكروم هي التي تعطي الياقوت لونه ولها حالة شبه مستقرة.

العاصمة

يسمى أنبوب مصباح تفريغ الغازمصباح المضخة . يومض المصباح لفترة وجيزة ويحدث الضخ.

يعمل ليزر الياقوت في الوضع النبضي. هناك أنواع أخرى من الليزر: الغاز، أشباه الموصلات... يمكن أن تعمل في الوضع المستمر.

العاصمة

5. خصائص إشعاع الليزر :

أقوى مصدر للضوء.

قوة الشمس = 10 4 واط/سم 2 , قوة الليزر = 10 14 واط/سم 2 .

أحادية اللون استثنائية(موجات أحادية اللون – موجات غير محدودة مكانيًا بتردد واحد محدد وثابت تمامًا) ;

يعطي درجة صغيرة جدًا من تباعد الزوايا؛

التماسك ( أولئك. حدوث منسق في الزمان والمكان للعديد من العمليات التذبذبية أو الموجية) .

DC3

لعملية الليزر

مطلوب نظام الضخ. أي أننا سنعطي الذرة أو النظام الذري بعض الطاقة، وبعد ذلك، وفقًا لمسلمة بور الثانية، ستنتقل الذرة إلى مستوى أعلى بمزيد من الطاقة. والمهمة التالية هي إعادة الذرة إلى مستواها السابق، بينما تبعث الفوتونات كطاقة.

مع وجود طاقة كافية للمصباح، يتم نقل معظم أيونات الكروم إلى حالة مثارة.

تسمى عملية نقل الطاقة إلى الجسم العامل بالليزر لتحويل الذرات إلى حالة مثارة بالضخ.

الفوتون المنبعث في هذه الحالة يمكن أن يسبب انبعاث محفز لفوتونات إضافية، والذي بدوره سوف يسبب انبعاث محفز)

DC15

الأساس المادي لعملية الليزر هو الظاهرة. وجوهر الظاهرة هو أن الفوتون المثار قادر على أن ينبعث تحت تأثير فوتون آخر دون امتصاصه، إذا كان الأخير يساوي فرق الطاقة

ينبعث مازر ميكروويف، مقاس - الأشعة السينية ، والغاز – إشعاع جاما.

DC16

مازر - انبعاث مولد الكم

موجات كهرومغناطيسية متماسكة في مدى السنتيمتر (موجات الميكروويف).

يتم استخدام الماسرز في التكنولوجيا (على وجه الخصوص، في الاتصالات الفضائية)، وفي الأبحاث الفيزيائية، وكذلك كمولدات كمية ذات تردد قياسي.

العاصمة

بدلاً (أشعة الليزر) - مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك في نطاق الأشعة السينية، بناءً على تأثير الانبعاث المحفز. وهو نظير للموجة القصيرة لليزر.

العاصمة

تشمل تطبيقات الأشعة السينية المتماسكة البحث في البلازما الكثيفة، والفحص المجهري للأشعة السينية، والتصوير الطبي بدقة الطور، واستكشاف سطح المواد، والأسلحة. يمكن أن يكون ليزر الأشعة السينية الناعم بمثابة ليزر دفع.

العاصمة

ويستمر العمل في حقل الغاز، حيث لم يتم إنشاء نظام ضخ فعال.

يتم استخدام الليزر في قائمة كاملة من الصناعات :

6. تطبيق الليزر : (الشريحة 16)

في علم الفلك الراديوي لتحديد المسافات إلى أجسام النظام الشمسي بأقصى قدر من الدقة (محدد الموقع الضوئي)؛

معالجة المعادن (القطع واللحام والصهر والحفر)؛

في الجراحة بدلا من مشرط (على سبيل المثال، في طب العيون)؛

للحصول على صور ثلاثية الأبعاد (التصوير المجسم)؛

الاتصالات (خاصة في الفضاء)؛

تسجيل وتخزين المعلومات؛

في التفاعلات الكيميائية.

لإجراء تفاعلات نووية حرارية في مفاعل نووي؛

الأسلحة النووية.

العاصمة

وهكذا، دخلت المولدات الكمومية بقوة في الحياة اليومية للبشرية، مما جعل من الممكن حل العديد من المشاكل التي كانت ملحة في ذلك الوقت.

معنى المولدات الكمية ومضخمات الصوت في قاموس كولير

المولدات والمضخمات الكمومية

مولدات ومضخمات الموجات الكهرومغناطيسية بناءً على ظاهرة الإشعاع القسري (المستحث). تم اقتراح مبدأ التشغيل لمولد كمي بالموجات الدقيقة يُسمى "مازر" (اختصار للكلمات الإنجليزية "تضخيم الموجات الدقيقة عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع"، والتي تعني "تضخيم الموجات الدقيقة بسبب الانبعاث المحفز") في عام 1954 من قبل تشارلز تاونز. (يقوم المبدأ نفسه على مكبرات الصوت الكمومية الضوئية ومولدات الليزر.) نظرًا لأن تردد الإشعاع عند مخرج المولد الكمي يتم تحديده من خلال مستويات طاقة ثابتة ومنفصلة للذرات أو جزيئات الوسط النشط المستخدم في مثل هذا المولد، فقد تم قيمة محددة بدقة وثابتة.

الانبعاث التلقائي والمحفز. يتم إطلاق أو امتصاص طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي على شكل "أجزاء" منفصلة تسمى الكوانتا أو الفوتونات، وطاقة الكم الواحد تساوي h؟، حيث h هو ثابت بلانك، و؟ - تردد الإشعاع. عندما تمتص الذرة كمية من الطاقة، فإنها تنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، أي. ويقفز أحد إلكتروناتها إلى مدار أبعد عن النواة. من المعتاد أن نقول أن الذرة في هذه الحالة تدخل في حالة مثارة.

يمكن للذرة التي تجد نفسها في حالة مثارة أن تطلق طاقتها المخزنة بطرق مختلفة. إحدى الطرق الممكنة هي إطلاق كمية تلقائيًا بنفس التردد، وبعد ذلك تعود إلى حالتها الأصلية. هذه هي عملية الإشعاع التلقائي (الانبعاث)، الموضحة تخطيطيًا في الشكل. 1، ب. على الترددات العالية، أي. عند الأطوال الموجية القصيرة المقابلة للضوء المرئي، يحدث الانبعاث التلقائي بسرعة كبيرة. عادة ما تفقد الذرة المثارة، التي تمتص فوتونًا من الضوء المرئي، الطاقة المكتسبة من خلال الانبعاث التلقائي في أقل من جزء من المليون من الثانية. تتأخر عملية البث التلقائي عند الترددات المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للذرة أن تدخل في حالة متوسطة، حيث تفقد جزءًا فقط من طاقتها في شكل فوتون ذو طاقة أقل ينبعث منها.

هناك عملية أخرى تجعل الذرة المثارة تطلق هذه الطاقة المخزنة. إذا سقط إشعاع بتردد معين على الذرة (كما في الشكل 1، ج)، فإنه يجبر الذرة على إصدار فوتون والانتقال إلى مستوى أدنى. وهكذا يصل فوتون واحد ويغادر اثنان. يحدث الانبعاث المحفز دائمًا بنفس التردد وبنفس المرحلة مثل الموجة الواردة، وبالتالي، بمرور الذرة المثارة، تزيد الموجة من شدتها.

لذلك، فإن موجة التردد المقابل، التي تمر عبر وسيلة يوجد فيها فائض من الذرات المثارة، يتم تضخيمها بسبب طاقة الانبعاث المحفز لهذه الذرات. ومع ذلك، إذا كانت هناك ذرات غير مستثارة في الوسط، فيمكنها امتصاص طاقة الموجة. من الواضح أن التضخيم الناتج عن الانبعاث المحفز هو عكس الامتصاص، وغلبة إحدى العمليات على الأخرى تعتمد على الذرات الأكثر في مسار الموجة - المثارة أو غير المثارة.

حقيقة أنه إلى جانب الانبعاث التلقائي يجب أن يكون هناك أيضًا انبعاث قسري، افترض ألبرت أينشتاين في عام 1916، متقبلًا حدوث العمليات الثلاث: الامتصاص، والانبعاث المحفز، والانبعاث التلقائي. واستنادًا إلى الاعتبارات الإحصائية، اشتق معادلة تصف طيف تردد الإشعاع المنبعث من مادة ما. تم اقتراح استخدام الانبعاث المحفز لإنشاء مولدات الموجات الكهرومغناطيسية من قبل تشارلز تاونز في الولايات المتحدة الأمريكية، وبشكل مستقل عنه، من قبل الفيزيائيين الروس إن جي باسوف وأ.م. وقد حصل الثلاثة على جائزة نوبل في الفيزياء (1964) لهذا العمل.

مضخم الكم. كما نوقش أعلاه، يمكن تضخيم الإشعاع ببساطة عن طريق تمريره عبر وسط نشط مناسب. ومع ذلك، فإن الربح غالبا ما يكون ضئيلا - حوالي 1٪. لزيادة الكسب، من الضروري إبقاء الإشعاع على اتصال بالوسط النشط لفترة أطول. للقيام بذلك، يمكنك وضع الوسيط النشط في غرفة ذات جدران عاكسة. ثم تنعكس الموجة المستعرضة من جدار إلى آخر، وتزداد قليلاً مع كل تمريرة. عندما يتم تكثيفه بما فيه الكفاية، يمكن إطلاق جزء من الإشعاع من الغرفة كمخرج.

في نطاق الميكروويف (التردد العالي للغاية)، أي. عندما يكون الطول الموجي في حدود 0.1 إلى 100 سم، تكون أبعاد الكاميرا عادةً قابلة للمقارنة مع الطول الموجي. تسمى الحجرة التي يتم ضبطها على التردد المطلوب عن طريق تغيير أبعادها (يجب أن يكون طولها مساويًا لطول الموجة) بمرنان التجويف.

إذا كان الطول الموجي للإشعاع حوالي 1 مم أو أقل، فمن الصعب تصنيع مثل هذا الرنان. ومع ذلك، من الممكن صنع مرنان تجويفي للضوء المرئي بالأشعة تحت الحمراء أو الموجة القصيرة بحيث يكون طوله أطول بكثير من الطول الموجي، على سبيل المثال، على شكل لوحتين مرآة متوازيتين (الشكل 2). في مثل هذا الجهاز، ستبقى الموجة المستعرضة على الصفائح، والتي تنعكس بالتناوب من المرايا، في الوسط النشط وتنمو بسبب الانبعاث المحفز. إن الموجة التي تنتشر في أي اتجاه آخر تترك الرنان بسرعة دون أي تضخيم تقريبًا.

يعد هذا الإجراء الاتجاهي لنظام مكون من لوحتين متوازيتين مهمًا بشكل خاص للمولدات الكمومية للإشعاع الكهرومغناطيسي ذات الأطوال الموجية القصيرة جدًا. في هذه الحالة، يجب أن يكون الكسب في الوسط النشط كبيرًا بما يكفي بحيث أنه عندما تنتقل الموجة من لوحة إلى أخرى، فإنها تعوض بشكل أكبر عن الخسائر الحتمية التي تتكبدها عندما تنعكس من المرآة. يؤدي النمو المستمر للموجة إلى إنشاء تذبذبات كهرومغناطيسية رنانة في الفجوة بين المرايا. لا يتم تضخيم الموجات التي تنتشر في أي اتجاه آخر بما يكفي لتعويض الخسائر. وعلى الرغم من أن غرفة مغلقة بهذا الحجم يمكن أن تنشئ وتحافظ على ملايين الأنواع المختلفة من الاهتزازات ومجموعاتها المتغيرة بسرعة، فإن نظامًا مكونًا من لوحين متوازيين يختار منهما فقط الموجات المستعرضة (والباقي يتم تخميده). نظرًا لأن مثل هذا النظام مناسب بشكل خاص لعزل التذبذبات ذات الطول الموجي القصير المحدد، فإنه يستخدم على نطاق واسع في المولدات الكمومية في نطاق الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي - الليزر.

لكي يهرب بعض الضوء من تجويف الليزر، يجب أن تكون إحدى اللوحات شفافة، أي. فينقل جزء من الضوء الساقط عليه ويعكس الضوء بأطوال موجية أخرى. يشكل الضوء الذي يمر عبر اللوحة الشفافة شعاعًا موجهًا بشكل ضيق. تم اقتراح جهاز الليزر هذا بواسطة Townes و A. Shavlov.

ومن الممكن أيضًا إخراج الإشعاع من خلال ثقب صغير في أحد الجدران العاكسة. تُستخدم هذه الدائرة غالبًا في المذبذبات الكمومية ذات الطول الموجي السنتيمتري (الميكروويف). في الليزر، لا يوفر مثل هذه الاتجاهية العالية لشعاع الإخراج.

بيئة نشطة. من أجل امتصاص الرنين وتضخيمه بسبب الانبعاث المحفز، من الضروري أن تمر الموجة عبر مادة يتم "ضبط" ذراتها أو أنظمة ذراتها على التردد المطلوب. بمعنى آخر، فإن الفرق في مستويات الطاقة E2 – E1 لذرات المادة يجب أن يكون مساوياً لتردد الموجة الكهرومغناطيسية مضروباً في ثابت بلانك:

علاوة على ذلك، لكي يتغلب الانبعاث المحفز على الامتصاص، يجب أن يكون هناك عدد أكبر من الذرات عند مستوى الطاقة العلوي مقارنة بالمستوى الأدنى. هذا عادة لا يحدث. علاوة على ذلك، فإن أي نظام من الذرات، متروك لنفسه لفترة طويلة بما فيه الكفاية، يأتي إلى التوازن مع بيئته عند درجة حرارة منخفضة، أي. يصل إلى حالة من أدنى مستويات الطاقة. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتم إثارة بعض ذرات النظام عن طريق الحركة الحرارية. عند درجة حرارة عالية لا متناهية، ستمتلئ جميع الحالات الكمومية بالتساوي. ولكن بما أن درجة الحرارة دائمًا محدودة، فإن النسبة الغالبة من الذرات تكون في الحالة الأدنى، وكلما ارتفعت الحالات، كانت أقل امتلاءً. إذا كانت هناك ذرات في الحالة الأدنى عند درجة الحرارة المطلقة T، فإن عدد الذرات في الحالة المثارة، التي تتجاوز طاقتها طاقة الحالة الأدنى بكمية E، يُعطى بواسطة توزيع بولتزمان:

حيث k هو ثابت بولتزمان.

نظرًا لوجود عدد أكبر دائمًا من الذرات في الحالات الأدنى في ظل ظروف التوازن مقارنةً بالذرات الأعلى، ففي مثل هذه الظروف يكون الامتصاص هو السائد دائمًا بدلاً من التضخيم بسبب الانبعاث المحفز. لا يمكن إنشاء فائض من الذرات في حالة مثارة معينة والحفاظ عليها إلا عن طريق نقلها بشكل مصطنع إلى هذه الحالة، وبشكل أسرع من عودتها إلى التوازن الحراري. النظام الذي يوجد فيه فائض من الذرات المثارة يميل إلى التوازن الحراري، ويجب الحفاظ عليه في حالة عدم التوازن عن طريق خلق مثل هذه الذرات فيه.

مولد الكم ثلاثي المستويات. تم اقتراح طريقة إنشاء والحفاظ على فائض من الذرات في حالة مثارة للغازات (طريقة النظام ثلاثي المستويات) بواسطة N.G Basov وA.M Prokhorov، وبالنسبة للمواد الصلبة - بواسطة N. Blombergen. تم إنشاء أول مضخم كمي ثلاثي المستويات بواسطة D. Scoville وJ.Feer وG.Seidel. يتم عرض النظام ثلاثي المستويات بشكل تخطيطي في الشكل. 3. في البداية، تكون جميع الذرات في المستوى الأدنى E1، والمستويان E2 وE3 فارغان. مسافة الطاقة بين المستويين E2 وE3 لا تساوي المسافة بين المستويين E1 وE2. ينتج المصباح أو المولد "الضخ" (اعتمادًا على النطاق الذي نتحدث عنه - التردد البصري أو الراديوي) إشعاعًا بتردد يتوافق مع الانتقال من المستوى الأدنى إلى المستوى العلوي. وبامتصاص هذا الإشعاع تثار الذرات وتنتقل من المستوى الأدنى إلى المستوى الأعلى. نظرًا لعدم وجود ذرات في البداية في المستوى المتوسط ​​E2، يوجد المزيد منها في المستوى E3. عندما يتراكم عدد كافٍ من الذرات عند المستوى E3، يبدأ التوليد بتردد يتوافق مع الانتقال من المستوى الأعلى إلى المستوى المتوسط. لكي يحدث التوليد الكمي بشكل مستمر، يجب أن يصبح المستوى E2 فارغًا بسرعة، أي. يجب إزالة الذرات منه بشكل أسرع من إنشائها بسبب الانبعاث المحفز من مستوى E3. يمكن استنفاد مستوى E2 من خلال عمليات مختلفة، مثل الاصطدامات مع الذرات الأخرى ونقل الطاقة إلى الشبكة البلورية (إذا كان الوسط النشط صلبًا). وفي جميع الأحوال تتحول الطاقة إلى حرارة، لذا فإن تبريد الجهاز ضروري.

عن طريق الضخ، لا يمكن نقل أكثر من نصف الذرات من المستوى E1 إلى E3، حيث أن تأثير الانبعاث المحفز يجبرها على العودة إلى المستوى الأدنى. ولكن إذا انتقلت الذرات من المستوى E3 بسرعة إلى المستوى E2 بسبب الاصطدامات أو العمليات الأخرى، فيمكن أن يستمر ضخها إلى المستوى العلوي مع الانتقال اللاحق إلى المستوى المتوسط. وبهذه الطريقة، يمكن ضخ أكثر من نصف الذرات (وحتى جميعها) إلى المستوى E3. ثم يكون هناك عدد أكبر من الذرات في المستوى المتوسط ​​مقارنة بالمستوى الأدنى، ويبدأ التوليد بتردد يتوافق مع الانتقال، ويتم استخدام كلا الدائرتين لمولد كمي ومضخم كمي ثلاثي المستويات، ويتم اختيار واحدة أو أخرى اعتمادًا على خصائص المواد المتاحة مع الرنين عند الترددات المطلوبة. بشكل عام، من المرغوب فيه أن يكون للوسط النشط، رغم تلبية جميع المتطلبات الأخرى، أصداء عالية. إذا كان من المفترض استخدام المولد الكمي كمعيار للتردد، فيجب أن تكون الأصداء حادة أيضًا. مثل هذه الأصداء هي سمة من سمات أطياف الذرات والجزيئات الحرة في الغازات. عادةً ما تكون رنينات المواد الصلبة واسعة جدًا، على الرغم من أن أيونات العناصر الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية، مثل الكروم، في البلورات لها أطياف مناسبة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون الياقوت (أكسيد الألومنيوم)، الذي يتم فيه استبدال نسبة معينة من أيونات الألومنيوم بأيونات الكروم، بمثابة وسط نشط لمولد كمي ثلاثي المستويات في نطاق الموجات الميكروية. وأظهر ميمان أن الياقوت مناسب أيضًا لصنع الليزر. وفي كلتا الحالتين، يتم استخدام مستويات الطاقة لأيونات الكروم.

الليزر. الليزر عبارة عن مولدات كمومية بصرية تنتج إشعاعًا في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء من الطيف (حيث تكون الأطوال الموجية أقل من 1 مم). من حيث الكثافة، تتفوق هذه المولدات بشكل كبير على جميع أنواع مصادر الإشعاع المماثلة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يقع إشعاعها الناتج على نطاق ترددي ضيق جدًا وله شكل شعاع غير متباعد تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تركيز أشعة الليزر في بقعة صغيرة جدًا، حيث تكون كثافة الطاقة الضوئية وقوة المجال الكهربائي هائلة مقارنة بما يمكن أن تنتجه مصادر الضوء الأخرى. يكون الإشعاع الناتج أحادي اللون تقريبًا بالكامل، والأهم من ذلك، متماسك، أي. متطابق تمامًا مع الطور وخالي من الاضطراب الفوضوي للضوء العادي. انظر أيضًا الليزر.

مولد الكم الجزيئي. استخدم المولد الكمي الأول، الذي طوره جوردون وزيجر وتاونز، غرفة مفرغة تحتوي على شعاع من جزيئات الأمونيا. تمت إزالة جزيئات الحزمة، التي كانت في حالة طاقة أقل، من الحزمة عن طريق تحويلها في مجال كهربائي غير منتظم. تم تركيز الجزيئات ذات أعلى مستويات الطاقة في مرنان تجويفي، حيث حدث الانبعاث المحفز (الشكل 4).

ينتج المولد الكمي ذو الحزمة الجزيئية إشعاعًا بتردد خرج محدد بشكل حاد. ويرجع ذلك جزئيًا إلى وجود عدد قليل نسبيًا من الجزيئات في الشعاع ولا يمكنها التأثير على بعضها البعض. نظرًا لقلة عدد الجزيئات، تكون طاقة الخرج صغيرة أيضًا.

ليزر تفريغ الغاز. الوسيط النشط لليزر تفريغ الغاز هو خليط من الغازات النبيلة مثل الهيليوم والنيون. تتمتع ذرة الهيليوم بحالة مثارة ذات عمر طويل، ولا يمكن للذرات المثارة إلى هذه الحالة "شبه المستقرة" أن تتخلى عن طاقة الإثارة الخاصة بها عن طريق الانبعاث التلقائي. ومع ذلك، يمكنهم نقله في الاصطدامات الذرية إلى ذرات النيون غير المثارة. وبعد هذا الاصطدام، تجد ذرة الهيليوم نفسها في حالتها الأرضية، وذرة النيون في حالتها المثارة. يحدث التوليد بسبب التحولات القسرية من مستوى الطاقة هذا إلى مستوى أدنى فارغ من ذرات النيون.

طلب. تُستخدم الأجهزة الإلكترونية الكمومية ذات الأنظمة الذرية والجزيئية كوسائط نشطة كمكبرات صوت ومولدات. في الترددات المنخفضة، يتم تنفيذ هذه الوظائف بواسطة الأنابيب المفرغة والترانزستورات. ليس من المستغرب أن تتمكن عائلة الأجهزة الإلكترونية الكمومية من منافسة عدد الأجهزة الإلكترونية القديمة وتنوعها. لقد وجدت الأجهزة الإلكترونية الكمومية عددًا من التطبيقات التي لا تناسبها الأجهزة الإلكترونية الأخرى أو لا تناسبها على الإطلاق. هذه هي وظائف مكبرات الصوت ذات الموجات الدقيقة منخفضة الضوضاء، ومعايير التردد والوقت الأولية، بالإضافة إلى مولدات ومكبرات الصوت للأشعة تحت الحمراء والإشعاع المرئي.

مضخمات الميكروويف منخفضة الضوضاء. الغرض من مكبر الصوت هو تضخيم الإشارات الضعيفة دون تشويهها أو إحداث ضوضاء (مكون فوضوي). تضيف مكبرات الصوت الإلكترونية دائمًا الضوضاء الخاصة بها إلى الإشارة. عند التعامل مع إشارات الراديو الضعيفة للغاية، من المهم أن يُصدر مكبر الصوت أقل قدر ممكن من الضوضاء. هذه هي إشارات الراديو المستلمة من الأجرام السماوية وإشارات الرادار المنعكسة من الأجسام الموجودة على مسافات طويلة. وفي هاتين الحالتين، تُلاحظ الإشارة في مواجهة السماء، مما يؤدي إلى ضوضاء طفيفة فقط. يتيح لك ذلك اكتشاف إشارة ضعيفة جدًا إذا لم تكن محجوبة بضوضاء جهاز الاستقبال نفسه. لا تفي مكبرات الصوت التقليدية بمتطلبات مثل هذه المهمة، وتأتي مكبرات الصوت الكمومية للإنقاذ، ولا تحدث أي ضوضاء تقريبًا. من خلال استبدال مضخم الأنبوب المفرغ عند مدخل جهاز الاستقبال بمضخم كمي، يمكنك زيادة حساسية جهاز الاستقبال في نطاق الميكروويف بمقدار مائة مرة. تعد أجهزة استقبال الموجات الدقيقة ذات المضخمات الكمومية حساسة للغاية لدرجة أنها تستطيع اكتشاف الإشعاع الحراري للكواكب الأخرى وتحديد درجة حرارة سطحها.

معايير التردد والساعات الذرية. الذرات وأنظمة الذرات، كما ذكرنا سابقًا، يمكنها امتصاص وإصدار الإشعاع فقط عند ترددات أو أطوال موجية معينة. غالبًا ما تتشكل هذه الأصداء على شكل قمم، مما يسمح بقياس ترددها بدقة عالية. الترددات المقابلة هي سمة لبعض الذرات والجزيئات، وعلى عكس المعايير التي وضعها الإنسان، لا تتغير مع مرور الوقت. لذلك، يمكن أن تكون مثل هذه الأصداء بمثابة معايير للتردد، والطول الموجي، والوقت. يمكن التحقق من تردد المذبذب الإلكتروني الخارجي للمعايرة حتى ضد رنين الامتصاص. تنتج المولدات الكمومية إشعاعات ذات تردد مرجعي مباشرة. عندما يتم تكوين المولد الكمي بشكل صحيح، يكون التردد عند مخرجه ثابتًا. يمكن استخدامه لمراقبة تقدم ساعة دقيقة أو جهاز أكثر تعقيدًا مصمم لقياس الفترات الزمنية بدقة عالية. الوسيط النشط لأحد أكثر المولدات الكمومية دقة هو الهيدروجين الذري (النظام مشابه لتصميم أول مولد كمي - مازر - بحزمة جزيئية من الأمونيا). وتبلغ دقة ترددها 10-10%، وهو ما يعادل خطأ في "معدل الساعة" يساوي ثانية واحدة خلال 30 ألف سنة.

كولير. قاموس كولير. 2012

انظر أيضًا التفسيرات والمرادفات ومعاني الكلمة وما هي المولدات والمضخمات الكمية باللغة الروسية في القواميس والموسوعات والكتب المرجعية:

• الكم
  الأرقام الكمية، أعداد صحيحة أو كسرية تحدد القيم الفيزيائية المنفصلة المحتملة. الكميات التي تميز الأنظمة الكمومية (النواة الذرية، الذرة، الجزيء و...
• الكم في القاموس الموسوعي الروسي الكبير:
  QUANTUM CLOCK (الساعة الذرية)، جهاز لقياس الوقت يحتوي على مذبذب كوارتز يتم التحكم فيه بواسطة معيار التردد الكمي. دور "البندول" في الكون ...
• الكم في القاموس الموسوعي الروسي الكبير:
  معايير التردد الكمي، أجهزة القياس الدقيق لتردد التذبذب، الأساسية. على قياس تردد التحولات الكمومية (في الموجات الميكروية والأطياف الضوئية) ...
• الكم في القاموس الموسوعي الروسي الكبير:
  التحولات الكمية، التحولات المفاجئة للنظام الكمي (الذرة، الجزيء، النواة الذرية، البلورة) من حالة واحدة محتملة إلى ...
• الالكترونيات الكمومية
  الإلكترونيات، مجال فيزياء يدرس طرق تضخيم وتوليد التذبذبات الكهرومغناطيسية بناءً على استخدام تأثير الانبعاث المحفز، بالإضافة إلى خصائص ...
• مولدات الآلات الكهربائية والمحركات الكهربائية: مولدات التيار المستمر في قاموس كوليير:
  إلى مقالة مولدات الآلات الكهربائية ونظرية المحركات الكهربائية. في الشكل. يُظهر الشكل 1 أ دورة من السلك ABCD تدور في اتجاه عقارب الساعة حول المحور ...
• المولدات الكهربائية: مولدات التيار المتناوب المتزامن في قاموس كوليير:
  إلى المقال مولدات الآلات الكهربائية والمحركات الكهربائية كما ذكرنا سابقًا، يتم تحفيز المجال المغناطيسي المتناوب في ملف من الأسلاك يدور في مجال مغناطيسي ثابت. ...
• معايير التردد الكمي
  
• اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. العلوم التقنية في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  العلوم علوم وتكنولوجيا الطيران في روسيا ما قبل الثورة، تم بناء عدد من الطائرات ذات التصميم الأصلي. يا م. ابتكر طائراته الخاصة (1909-1914) ...
• اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. الأدب والفن في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  والفن الأدب يمثل الأدب السوفييتي متعدد الجنسيات مرحلة جديدة نوعيًا في تطور الأدب. ككل فني محدد، يوحده كيان اجتماعي وأيديولوجي واحد...
• قياسات الراديو في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  قياسات الكميات الكهربائية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية وعلاقاتها التي تميز تشغيل أجهزة الهندسة الراديوية في مدى الترددات من دون الصوتية إلى الموجات فوق الصوتية. ...
• آلة العاصمة في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  آلة التيار، آلة كهربائية يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ذات تيار مباشر (مولد) أو تحويل عكسي (محرك). ...
• التحولات الكمية في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  الكم، انظر التحولات الكمومية ...
• مولدات الضوء البارامترية في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  مولدات الضوء، مصادر الإشعاع البصري المتماسك، العنصر الرئيسي فيها هو بلورة غير خطية حيث يتم توجيه موجة ضوئية قوية ذات تردد ثابت بشكل حدودي ...
• المولد الجزيئي في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  مولد، جهاز يتم فيه توليد تذبذبات كهرومغناطيسية متماسكة بسبب التحولات الكمومية القسرية للجزيئات من حالة الطاقة الأولية إلى الحالة ...
• أرقام كمية في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  الأعداد الصحيحة (0، 1، 2،...) أو أنصاف الأعداد الصحيحة (1/2، 3/2، 5/2،...) أرقام تحدد القيم المنفصلة المحتملة للكميات الفيزيائية التي تميز الكم. ..
• معايير التردد الكمي في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  معايير التردد، الأجهزة التي تستخدم الكم...
• التحولات الكمية في الموسوعة السوفييتية الكبرى TSB:
  التحولات، التحولات المفاجئة للنظام الكمي (الذرة، الجزيء، النواة الذرية، الصلبة) من حالة إلى أخرى. وأهمها ك...
• الساعة الكمومية
  
• معايير التردد الكمي في المعجم الموسوعي الحديث:
  
• التحولات الكمية في المعجم الموسوعي الحديث:
  التحولات المفاجئة للنظام الكمي (الذرة، الجزيء، النواة الذرية، البلورة) من حالة محتملة إلى أخرى. يمكن أن تكون التحولات الكمومية إشعاعية...
• الساعة الكمومية
  (الساعة الذرية)، جهاز لقياس الوقت يحتوي على مذبذب كوارتز يتم التحكم فيه بواسطة معيار التردد. تلعب الذرات دور "البندول" في الساعة الكمومية. تكرار...
• معايير التردد الكمي في المعجم الموسوعي:
  أجهزة لقياس تردد الإشعاع بدقة أثناء التحولات الكمومية (في الموجات الدقيقة والأطياف الضوئية) للذرات أو الأيونات أو الجزيئات من ...
• المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية: المحركات الكهربائية ذات التيار المستمر في قاموس كوليير:
  إلى المقالة مولدات الآلات الكهربائية والمحركات الكهربائية تعمل مولدات التيار المستمر بشكل مرضي كمحركات، وبنفس المعلمات الاسمية، لا ...
• مولدات الآلات الكهربائية والمحركات الكهربائية في قاموس كوليير:
  الآلات الدورانية التي تحول إما الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (المولدات) أو الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (المحركات). يعتمد تشغيل المولدات على مبدأ...
• معايير التردد الكمي في المعجم التوضيحي الحديث TSB:
  أجهزة للقياس الدقيق لتردد الاهتزازات، تعتمد على قياس تردد التحولات الكمومية (في الموجات الميكروية والأطياف الضوئية) للذرات أو الأيونات أو ...
• هرمجدون في دليل أسرار الألعاب والبرامج والمعدات والأفلام وبيض عيد الفصح:
  1. أثناء التصوير، حصل المخرج مايكل باي على إذن للتصوير في عدة مواقع ضمن ممتلكات وكالة ناسا. شاهد مشهد إقلاع المركبات الفضائية...
• فظيع في موسوعة جلاكتيكا لأدب الخيال العلمي:
  مكبرات الصوت الأخلاقية، والحماة الأخلاقية للرجال الأذكياء من الجيل السادس عشر والأجيال اللاحقة؛ منع محاولات تشويش (تقويض) الشوستراس التي تقوم بها العناصر الإجرامية والمنشقة"، ...
• الرنين المغناطيسي في المعجم الموسوعي الكبير :
  الامتصاص الانتقائي بواسطة المغناطيس الحديدي لطاقة المجال الكهرومغناطيسي عند ترددات (عادة في النطاق الراديوي) يتزامن مع التردد الطبيعي لمبادرة العزم المغناطيسي للمغناطيس الحديدي (انظر لارمور ...
• المضخم في المعجم الموسوعي الكبير :
  في التكنولوجيا - جهاز يتم فيه زيادة معلمات الطاقة للإشارة (التأثير) باستخدام طاقة المصدر المساعد. وفقا...
• جهاز القياس الحراري في المعجم الموسوعي الكبير :
  يعمل على قياس التيار (أقل شيوعًا الجهد والطاقة) ؛ هو جهاز قياس كهرومغناطيسي يقيس القوة الدافعة الكهربائية للمحول الحراري والتدفئة ...
• كتلة الجمع في المعجم الموسوعي الكبير :
  جهاز حوسبة تناظري تنتج مخرجاته قيمة متناسبة مع مجموع قيم الإدخال. تعد كتل الجمع الإلكترونية هي الأكثر شيوعًا كجزء من الألغام المضادة للمركبات...
• راديو في المعجم الموسوعي الكبير :
  بالاشتراك مع هوائي (خارجي أو مدمج) يتم استخدامه لاستقبال إشارات الراديو. أمثلة: جهاز استقبال البث، والتلفزيون، وراديو الرادار. العناصر الرئيسية: التردد الانتقائي…
• كتلة الوظائف غير الخطية في المعجم الموسوعي الكبير :
  (في تكنولوجيا الكمبيوتر) عقدة AVM، ترتبط إشارة الخرج الخاصة بها بإشارة الدخل من خلال علاقة غير خطية معينة. الأجهزة ذات الاعتماد الوظيفي الخطي هي ...

كانت النجاحات التي تحققت في تطوير وبحث مكبرات الصوت والمذبذبات الكمومية في النطاق الراديوي بمثابة الأساس لتنفيذ اقتراح تضخيم وتوليد الضوء بناءً على الانبعاثات المحفزة وأدت إلى إنشاء مذبذبات كمومية في النطاق البصري. تعد المذبذبات الكمومية الضوئية (OQOs) أو الليزر هي المصادر الوحيدة للضوء القوي أحادي اللون. تم اقتراح مبدأ تضخيم الضوء باستخدام الأنظمة الذرية لأول مرة في عام 1940 من قبل V.A. الشركة المصنعة. ومع ذلك، فإن تبرير إمكانية إنشاء مولد كمي بصري لم يتم تقديمه إلا في عام 1958 من قبل C. Townes وA. Shavlov بناءً على الإنجازات التي تم تحقيقها في تطوير الأجهزة الكمومية في النطاق الراديوي. تم تحقيق أول مولد كمي بصري في عام 1960. وكان عبارة عن ليزر يحتوي على بلورة ياقوتية كمادة عاملة. تم إنشاء الانعكاس السكاني فيه بواسطة طريقة الضخ ثلاثية المستويات، والتي تستخدم عادةً في مكبرات الصوت الكمومية المغنطيسية.

حاليًا، تم تطوير العديد من مولدات الكم الضوئية المختلفة، والتي تختلف في المواد العاملة (يتم استخدام البلورات والنظارات والبلاستيك والسوائل والغازات وأشباه الموصلات) وطرق إنشاء الانعكاس السكاني (الضخ البصري، والتفريغ في الغازات، والتفاعلات الكيميائية، وما إلى ذلك). .

يغطي إشعاع مولدات الكم الضوئية الموجودة نطاق الطول الموجي من الأشعة فوق البنفسجية إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة من الطيف المجاور للموجات المليمترية. على غرار المولد الكمي في النطاق الراديوي، يتكون المولد الكمي البصري من جزأين رئيسيين: مادة عاملة (نشطة)، يتم فيها بطريقة أو بأخرى

يتم إنشاء انقلاب للسكان ونظام الرنين (الشكل 62). كما هو الأخير، يتم استخدام الرنانات المفتوحة من نوع مقياس التداخل Fabry-Perot في أشعة الليزر، والتي تتكون من نظام من مرآتين تقعان على مسافة من بعضهما البعض.

تعمل المادة العاملة على تعزيز الإشعاع البصري بسبب الانبعاث المستحث للجزيئات النشطة. يحدد نظام الرنين، الذي يسبب المرور المتكرر للإشعاع المستحث بصريًا الناتج عبر الوسط النشط، التفاعل الفعال للمجال معه. إذا اعتبرنا الليزر نظامًا ذاتي التذبذب، فإن المرنان يوفر ردود فعل إيجابية نتيجة لعودة جزء من الإشعاع المنتشر بين المرايا إلى الوسط النشط. لكي تحدث تذبذبات، يجب أن تكون الطاقة التي يستقبلها الليزر من الوسط النشط مساوية أو تتجاوز الطاقة المفقودة في الرنان. وهذا يعادل حقيقة أن شدة موجة التوليد بعد المرور عبر وسط التضخيم، والانعكاس من المرايا -/ و2، والعودة إلى المقطع العرضي الأصلي، يجب أن تظل دون تغيير أو تتجاوز القيمة الأولية.

عند المرور عبر الوسط النشط، تزداد شدة الموجة 1^ يتغير وفقا للقانون الأسي (تجاهل التشبع) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ]، وعندما تنعكس من المرآة فإنها تتغير زمرة واحدة ( ت -معامل انعكاس المرآة)، لذلك يمكن كتابة شرط حدوث التوليد على النحو التالي:

أين ل - طول الوسط النشط العامل؛ ص 1 و ص 2 - معاملات انعكاس المرايا 1 و 2؛ a u هو كسب الوسط النشط؛ ب 0 - ثابت التوهين مع مراعاة فقدان الطاقة في المادة العاملة نتيجة للتشتت بسبب عدم التجانس والعيوب.

I. مرنانات المولدات الكمومية الضوئية

أنظمة الليزر الرنانة، كما ذكرنا سابقًا، هي رنانات مفتوحة. حاليًا، يتم استخدام الرنانات المفتوحة ذات المرايا المسطحة والكروية على نطاق واسع. من السمات المميزة للرنانات المفتوحة أن أبعادها الهندسية أكبر بعدة مرات من الطول الموجي. مثل الرنانات المفتوحة الحجمية، لديها مجموعة من أنواع التذبذبات الخاصة بها، والتي تتميز بتوزيع مجال معين في لهم والترددات الخاصة. الأنواع الطبيعية لتذبذبات الرنان المفتوح هي حلول لمعادلات المجال التي تلبي الشروط الحدودية على المرايا.

هناك عدة طرق لحساب الرنانات المجوفة التي تسمح للشخص بالعثور على أنواع الاهتزازات الخاصة به. تم تقديم نظرية دقيقة وأكثر اكتمالًا للرنانات المفتوحة في أعمال L.A. Vaivestein.* وقد تم تطوير طريقة مرئية لحساب أنواع التذبذبات في الرنانات المفتوحة في أعمال A. Fox وT. Lee.

(113)

يتم استخدامه فيه. حساب عددي يحاكي عملية تحديد أنواع التذبذبات في الرنان نتيجة الانعكاس المتعدد من المرايا. في البداية، يتم تعيين توزيع المجال التعسفي على سطح إحدى المرايا. ومن ثم، وباستخدام مبدأ هويجنز، يتم حساب توزيع المجال على سطح مرآة أخرى. يتم أخذ التوزيع المتعلم على أنه التوزيع الأصلي ويتم تكرار الحساب. بعد انعكاسات متعددة، يميل توزيع سعة وطور المجال على سطح المرآة إلى قيمة ثابتة، أي. الحقل الموجود على كل مرآة يعيد إنتاج نفسه دون تغيير. يمثل توزيع المجال الناتج النوع الطبيعي من التذبذب للرنان المفتوح.

يعتمد حساب A. Fox وT. Lee على صيغة Kirchhoff التالية، وهي تعبير رياضي لمبدأ Huygens، والذي يسمح للمرء بإيجاد القاع عند نقطة المراقبة أبواسطة حقل معين على بعض السطح Sb

حيث Eb هو المجال عند النقطة B على السطح S ب؛ ك-رقم الموجة؛ ر - المسافة بين النقاط أو في؛ س - الزاوية بين الخط الذي يربط النقاط أو في،وعادي على السطح بينالي الشارقة

ومع زيادة عدد التمريرات فإن معدل التدفق على المرايا يميل إلى التوزيع الثابت، والذي يمكن تمثيله على النحو التالي:

أين الخامس (خ ،ذ) - دالة توزيع تعتمد على الإحداثيات الموجودة على سطح المرايا ولا تتغير من انعكاس إلى انعكاس؛

y هو ثابت معقد مستقل عن الإحداثيات المكانية.

استبدال الصيغة (112) في التعبير (III). نحصل على المعادلة التكاملية

وله حل فقط لقيم معينة تسمى [جاما] = [جاما دقيقة]. القيم الذاتية,وظائف فمن , إرضاء المعادلة التكاملية، تميز هيكل مجال أنواع مختلفة من تذبذبات الرنان، والتي تسمى مستعرضالاهتزازات ويتم تعيينها على أنها اهتزازات من النوع تيممنرمز تيميشير إلى أن المياه داخل الرنان قريبة من الكهرومغناطيسية المستعرضة، أي. عدم وجود مكونات ميدانية على طول اتجاه انتشار الموجة. الفهارس مويشير n إلى عدد التغييرات في اتجاه المجال على طول جوانب المرآة (للمرايا المستطيلة) أو على طول الزاوية وعلى طول نصف القطر (للمرايا المستديرة). يوضح الشكل 64 تكوين المجال الكهربائي لأبسط أنواع التذبذبات العرضية للرنانات المفتوحة ذات المرايا المستديرة. تتميز الأنواع الجوهرية من تذبذبات الرنانات المفتوحة ليس فقط بالتوزيع العرضي للمجال، ولكن أيضًا بتوزيعه على طول محور الرنانات، وهي موجة واقفة وتختلف في عدد أنصاف الموجات التي تتناسب على طول طول الرنان. ولأخذ ذلك في الاعتبار، تم إدخال مؤشر ثالث في تعيين أنواع الاهتزاز أ، يصف عدد الموجات النصفية التي تتلاءم مع محور الرنان.

مولدات الكم الضوئية ذات الحالة الصلبة

تستخدم مذبذبات الكم الضوئية ذات الحالة الصلبة، أو ليزر الحالة الصلبة، بلورات أو عوازل غير متبلورة كوسيلة كسب نشطة. الجسيمات العاملة، التي تحدد التحولات بين حالات الطاقة توليدها، هي، كقاعدة عامة، أيونات ذرات المجموعات الانتقالية في الجدول الدوري. غالبًا ما تكون الأيونات Na 3+، Cr 3+، Ho 3+، Pr 3+ مستخدم. تشكل الجسيمات النشطة أجزاء أو وحدات مئوية من إجمالي عدد ذرات الوسط العامل، لذلك يبدو أنها تشكل "محلولًا" ضعيف التركيز وبالتالي تتفاعل قليلاً مع بعضها البعض. مستويات الطاقة المستخدمة هي مستويات الجسيمات العاملة، المنقسمة والموسعة بواسطة المجالات الداخلية القوية غير المتجانسة للمادة الصلبة. غالبًا ما تستخدم بلورات اكسيد الالمونيوم (Al2O3) وعقيق الإيتريوم والألومنيوم كأساس لوسط الكسب النشط. ياج(Y3Al5O12)، ماركات مختلفة من الزجاج، الخ.

يتم إنشاء الانعكاس السكاني في المادة العاملة لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة بطريقة مشابهة لتلك المستخدمة في مكبرات الصوت البارامغناطيسية. ويتم تنفيذها باستخدام الضخ البصري، أي. تعرض المادة لأشعة ضوئية عالية الشدة.

كما تظهر الدراسات، فإن معظم الوسائط النشطة الموجودة حاليًا والمستخدمة في ليزر الحالة الصلبة يتم وصفها بشكل مرضٍ من خلال اثنين من الطاقة المثالية الرئيسية المخططات:ثلاثة وأربعة مستويات (الشكل 71).

دعونا نفكر أولاً في طريقة إنشاء الانعكاس السكاني في الوسائط الموصوفة بمخطط ثلاثي المستويات (انظر الشكل 71، أ). في الحالة الطبيعية، يتم ملء المستوى الرئيسي السفلي فقط 1 (مسافة الطاقة بين المستويات أكبر بكثير من كيلو طن)، حيث أن التحولات 1->2، و1->3) تنتمي إلى النطاق البصري. الانتقال بين المستويين 2 و 1 قيد التشغيل. مستوى 3 مساعد ويستخدم لإنشاء انعكاس لزوج العمل من المستويات. إنها في الواقع تحتل نطاقًا واسعًا من قيم الطاقة المسموح بها، وذلك بسبب تفاعل الجسيمات العاملة مع المجالات داخل البلورات.

تستخدم المولدات الكمومية الطاقة الداخلية للأنظمة الدقيقة - الذرات والجزيئات والأيونات - لإنشاء تذبذبات كهرومغناطيسية.

تسمى المولدات الكمومية أيضًا بالليزر. تتكون كلمة الليزر من الحروف الأولى من الاسم الإنجليزي للمولدات الكمومية - وهي مضخم ضوئي عن طريق إنشاء إشعاع محفز.

مبدأ تشغيل المولد الكمي هو كما يلي. عند النظر في هيكل الطاقة للمادة، تبين أن التغيير في طاقة الجسيمات الدقيقة (الذرات والجزيئات والأيونات والإلكترونات) لا يحدث بشكل مستمر، ولكن بشكل منفصل - في أجزاء تسمى الكميات (من الكمية اللاتينية).

تسمى الأنظمة الدقيقة التي تتفاعل فيها الجسيمات الأولية مع بعضها البعض بالأنظمة الكمومية.

يصاحب انتقال النظام الكمي من حالة طاقة إلى أخرى انبعاث أو امتصاص كمية من الطاقة الكهرومغناطيسية hv: E 2 - Ei=hv، أين ه 1 و ه 2 - حالات الطاقة: ح - ثابت بلانك. الخامس - التردد.

ومن المعروف أن الحالة الأكثر استقرارًا في أي نظام، بما في ذلك الذرة والجزيء، هي الحالة ذات الطاقة الأقل. لذلك، يميل كل نظام إلى احتلال حالة ذات طاقة أقل والحفاظ عليها. وبالتالي، في الحالة الطبيعية، يتحرك الإلكترون في المدار الأقرب إلى النواة. تسمى حالة الذرة هذه بالأرضية أو الثابتة.

تحت تأثير العوامل الخارجية - التدفئة والإضاءة والمجال الكهرومغناطيسي - يمكن أن تتغير حالة طاقة الذرة.

فإذا تفاعلت ذرة الهيدروجين مثلاً مع مجال كهرومغناطيسي، فإنها تمتص الطاقة ه 2 -ه 1 = الجهد العالي وينتقل إلكترونه إلى مستوى طاقة أعلى. هذه الحالة من الذرة تسمى متحمس. ويمكن للذرة أن تبقى فيه لفترة قصيرة جدًا، تسمى عمر الذرة المثارة. بعد ذلك، يعود الإلكترون إلى المستوى الأدنى، أي إلى الحالة الأرضية المستقرة، متخليًا عن الطاقة الزائدة على شكل طاقة كمية منبعثة - فوتون.

يُطلق على انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية أثناء انتقال النظام الكمي من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية دون تأثير خارجي اسم عفوي أو عفوي. في الانبعاث التلقائي، تنبعث الفوتونات في أوقات عشوائية، في اتجاه عشوائي، مع استقطاب عشوائي. ولهذا السبب يطلق عليه غير متماسكة.

ومع ذلك، تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي خارجي، يمكن إرجاع الإلكترون إلى مستوى الطاقة الأدنى حتى قبل انتهاء عمر الذرة في الحالة المثارة. على سبيل المثال، إذا كان هناك فوتونان يعملان على ذرة مثارة، ففي ظل ظروف معينة يعود إلكترون الذرة إلى المستوى الأدنى، وينبعث منه كمًا على شكل فوتون. في هذه الحالة، جميع الفوتونات الثلاثة لها مرحلة مشتركة واتجاه واستقطاب للإشعاع. ونتيجة لذلك، تزداد طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

يُطلق على انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية من نظام كمي عندما ينخفض ​​مستوى طاقته تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي خارجي اسم قسري أو مستحث أو محفز.

يتزامن الإشعاع المستحث في التردد والطور والاتجاه مع الإشعاع الخارجي. ومن ثم يسمى هذا الإشعاع متماسكًا (تماسك - من اللاتينية cogerentia - تماسك، اتصال).

وبما أن طاقة المجال الخارجي لا يتم إنفاقها على تحفيز انتقال النظام إلى مستوى طاقة أقل، فإن المجال الكهرومغناطيسي يتعزز وتزداد طاقته بقيمة طاقة الكم المنبعثة. تُستخدم هذه الظاهرة لتضخيم وتوليد التذبذبات باستخدام الأجهزة الكمومية.

حاليًا، يُصنع الليزر من مواد شبه موصلة.

ليزر أشباه الموصلات هو جهاز أشباه الموصلات يتم فيه تحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة إشعاعية في النطاق البصري.

لكي يعمل الليزر، أي أن يُحدث الليزر ذبذبات كهرومغناطيسية، من الضروري أن يكون في مادته جسيمات مثارة أكثر من الجسيمات غير المثارة.

ولكن في الحالة الطبيعية لأشباه الموصلات، عند مستويات الطاقة الأعلى عند أي درجة حرارة، يكون عدد الإلكترونات أقل منه في المستويات الأدنى. لذلك، في حالته الطبيعية، يمتص أشباه الموصلات الطاقة الكهرومغناطيسية.

ويسمى وجود الإلكترونات عند مستوى معين بسكان المستوى.

تسمى حالة أشباه الموصلات التي يوجد فيها عدد أكبر من الإلكترونات عند مستوى طاقة أعلى من المستوى الأدنى بحالة الانقلاب السكاني. يمكن إنشاء مجموعة مقلوبة بطرق مختلفة: استخدام حقن حاملات الشحنة عند التبديل المباشر إلى تقاطع p-n، عن طريق تشعيع أشباه الموصلات بالضوء، وما إلى ذلك.

يقوم مصدر الطاقة، الذي يخلق انعكاسًا سكانيًا، بالعمل عن طريق نقل الطاقة إلى المادة ثم إلى المجال الكهرومغناطيسي. في أشباه الموصلات ذات السكان المقلوبين، يمكن الحصول على الانبعاث المحفز، لأنه يحتوي على عدد كبير من الإلكترونات المثارة التي يمكن أن تتخلى عن طاقتها.

إذا تم تشعيع أشباه الموصلات ذات الكثافة السكانية المقلوبة بتذبذبات كهرومغناطيسية بتردد يساوي تردد الانتقال بين مستويات الطاقة، فإن الإلكترونات من المستوى العلوي تضطر إلى الانتقال إلى المستوى الأدنى، مما ينبعث منها الفوتونات. في هذه الحالة، يحدث انبعاث متماسك محفز. تم تعزيزه. من خلال إنشاء دائرة ردود فعل إيجابية في مثل هذا الجهاز، نحصل على ليزر - مذبذب ذاتي للتذبذبات الكهرومغناطيسية في النطاق البصري.

لتصنيع أجهزة الليزر، يتم استخدام زرنيخيد الغاليوم في أغلب الأحيان، والذي يُصنع منه مكعب يبلغ طول جوانبه بضعة أعشار المليمتر.

الفصل 4. استقرار تردد المرسل

مولد الكم

مولد الكم- اسم عام لمصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تعمل على أساس الانبعاث المحفز للذرات والجزيئات. اعتمادًا على الطول الموجي الذي يصدره المولد الكمي، يمكن تسميته بشكل مختلف: ليزر، مازر، رازر، غازر.

تاريخ الخلق

يعتمد المولد الكمي على مبدأ الانبعاث المحفز الذي اقترحه أ. أينشتاين: عندما يكون النظام الكمي متحمسًا وفي نفس الوقت يكون هناك إشعاع بتردد يتوافق مع التحول الكمي، فإن احتمال انتقال النظام إلى طاقة أقل يزداد المستوى بما يتناسب مع كثافة فوتونات الإشعاع الموجودة بالفعل. وقد أشار الفيزيائي السوفييتي V. A. Fabrikant إلى إمكانية إنشاء مولد كمي على هذا الأساس في أواخر الأربعينيات.

الأدب

لاندسبيرج جي إس. كتاب الفيزياء الابتدائي. المجلد 3. التذبذبات والأمواج. بصريات. الفيزياء الذرية والنووية. - 1985.

Herman J., Wilhelmi B. "الليزر لتوليد نبضات ضوئية فائقة القصر" - 1986.

مؤسسة ويكيميديا.

• 2010.
• نوتكر ستاتررر

إعادة التركيب

تعرف على ما هو "مولد الكم" في القواميس الأخرى:- مولد كهربائي ماج. الموجات التي تستخدم فيها ظاهرة الانبعاث المحفز (انظر الإلكترونيات الكمية). نطاق الراديو K. g، بالإضافة إلى مكبر الصوت الكمي، يسمى. مازر. تم إنشاء أول K. g في نطاق الميكروويف في عام 1955. الوسيط النشط فيه ... الموسوعة الفيزيائية

تعرف على ما هو "مولد الكم" في القواميس الأخرى:- مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك، الذي يعتمد تأثيره على انبعاث الفوتونات المحفز بواسطة الذرات والأيونات والجزيئات. تسمى المولدات الكمومية في المدى الراديوي بالميزر، والمولدات الكمومية في المدى البصري... ... القاموس الموسوعي الكبير

مولد الكم- مصدر إشعاع متماسك يعتمد على استخدام الانبعاث المحفز والتغذية المرتدة. ملاحظة: تنقسم المولدات الكمية حسب نوع المادة الفعالة وطريقة الإثارة وغيرها من الخصائص، مثلا الشعاع والغاز... دليل المترجم الفني

تعرف على ما هو "مولد الكم" في القواميس الأخرى:- مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك أحادي اللون (المدى البصري أو الراديوي) الذي يعمل على أساس الانبعاث المحفز للذرات والجزيئات والأيونات المثارة. غازات بلورية ... موسوعة البوليتكنيك الكبيرة

مولد الكم- جهاز لتوليد إشعاع كهرومغناطيسي متماسك. التماسك هو حدوث منسق في الزمان والمكان للعديد من العمليات التذبذبية أو الموجية، والذي يتجلى عند إضافتها، على سبيل المثال. في حالة التدخل.. موسوعة التكنولوجيا

مولد الكم- مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك، الذي يعتمد تأثيره على انبعاث الفوتونات المحفز بواسطة الذرات والأيونات والجزيئات. تسمى المولدات الكمومية في المدى الراديوي بالميزر، والمولدات الكمومية في المدى البصري ... ... القاموس الموسوعي

مولد الكم- وضع مولدات الطاقة T sritis Standartizacija ir Metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių Bangų generatorius، kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų، molekulių، jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. السمات: الإنجليزية. الكم... ... Penkiakalbis aiškinamasis Metrologijos terminų žodynas

مولد الكم- kvantinis generatorius Statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. مولد الكم vok. المولد الكمي، م روس. مولد الكم، م برانك. مذبذب كمي، م … نهاية فيزيكوس žodynas

مولد الكم- مولد للموجات الكهرومغناطيسية يستخدم ظاهرة الانبعاث المحفز (انظر الانبعاث المحفز) (انظر إلكترونيات الكم). K. g. نطاق الراديو ذو الترددات العالية جدًا (الميكروويف) بالإضافة إلى مكبر الصوت الكمي لهذا ... ... الموسوعة السوفيتية الكبرى