Kursusarbejde: kvantegeneratorer. Fysik rapport "kvantegeneratorer"

Baltic State Technical University
"Voenmekh" opkaldt efter. D. F. Ustinova
Afdeling I4
"Radio-elektroniske styresystemer"

Enheder til modtagelse og konvertering af signaler
Kurser om emnet
« Kvantegeneratorer »

Fuldført:
Peredelsky Oleg
Gruppe I471
Tjekket:
Tarasov A.I.

Sankt Petersborg
2010

1. Introduktion
Dette papir diskuterer principperne for drift af kvantegeneratorer, generatorkredsløb, deres designfunktioner, spørgsmål om frekvensstabilitet af generatorer og principper for modulering i kvantegeneratorer.
1.1 Generel information
Driftsprincippet for kvantegeneratorer er baseret på interaktionen af et højfrekvent felt med atomer eller stofmolekyler. De tillader generering af svingninger med væsentlig højere frekvens og høj stabilitet.
Ved hjælp af kvantegeneratorer er det muligt at skabe frekvensstandarder, der overstiger alle eksisterende standarder i nøjagtighed. Langsigtet frekvensstabilitet, dvs. Stabilitet over en lang periode er estimeret til 10 -9 – 10 -10, og korttidsstabilitet (minutter) kan nå 10 -11.

Lige nu i I dag er kvanteoscillatorer meget brugt som frekvensstandarder i tidsservicesystemer. Kvanteforstærkere, der bruges til at modtage enheder i forskellige radiosystemer, kan øge udstyrets følsomhed betydeligt og reducere niveauet af intern støj.
En af kendetegnene ved kvantegeneratorer, som bestemmer deres hurtige forbedring, er deres evne til at fungere effektivt ved meget høje frekvenser, inklusive det optiske område, dvs. næsten op til frekvenser i størrelsesordenen 10 9 MHz
Optiske rækkeviddegeneratorer gør det muligt at opnå høj strålingsdirektivitet og høj energitæthed i lysstrålen (ca. 10 12 -10 13 W/M 2 ) og et enormt frekvensområde, der muliggør transmission af en stor mængde information.
Brugen af optiske afstandsgeneratorer i kommunikations-, lokaliserings- og navigationssystemer åbner nye muligheder for markant at øge rækkevidden og pålideligheden af kommunikation, opløsningen af radarsystemer i rækkevidde og vinkel samt mulighederne for at skabe højpræcisionsnavigationssystemer.
Optiske rækkeviddegeneratorer bruges i videnskabelig forskning
forskning og industri. Den ekstremt høje koncentration af energi i en smal stråle gør det for eksempel muligt at brænde huller med meget små diametre i superhårde legeringer og mineraler, herunder det hårdeste mineral, diamant.
Kvantegeneratorer skelnes normalt:

af arten af det aktive stof (fast eller gasformig), kvantefænomener, hvori bestemmer anordningernes funktion.

efter driftsfrekvensområde (centimeter- og millimeterområde, optisk område - infrarøde og synlige dele af spektret)

ved metoden til excitation af det aktive stof eller adskillelse af molekyler efter energiniveauer.

Baseret på driftsfrekvensområdet er kvantegeneratorer opdelt i masere Og lasere. Navn maser- forkortelse af udtrykket "mikrobølgeforstærkning ved stimuleret emission af stråling MASER". Navn laser- forkortelse af sætningen "lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling LASER"

1.2 Skabelsehistorie
Historien om skabelsen af maseren skulle begynde i 1917, da Albert Einstein først introducerede begrebet stimuleret emission. Dette var det første skridt mod laseren. Det næste skridt blev taget af den sovjetiske fysiker V.A. Fabrikant, som i 1939 påpegede muligheden for at bruge stimuleret emission til at forstærke elektromagnetisk stråling, når den passerer gennem stoffet. Ideen udtrykt af V.A. Fabrikant, antog brugen af mikrosystemer med omvendt population af niveauer. Senere, efter afslutningen af den store patriotiske krig, blev V.A. Fabrikant vendte tilbage til denne idé og indsendte, baseret på sin forskning, i 1951 (sammen med M.M. Vudynsky og F.A. Butaeva) en ansøgning om opfindelsen af en metode til at forstærke stråling ved hjælp af stimuleret emission. Der er udstedt et certifikat for denne ansøgning, hvori der under overskriften "Opfindelsens emne" står: "En metode til forstærkning af elektromagnetisk stråling (ultraviolet, synlig, infrarød og radiobølgelængder), kendetegnet ved, at den forstærkede stråling er passeret gennem et medium, hvori de ved hjælp af hjælpestråling eller på anden måde skaber en overkoncentration af atomer, andre partikler eller deres systemer ved de øvre energiniveauer svarende til exciterede tilstande sammenlignet med ligevægtstilstanden."
Oprindeligt blev denne metode til at forstærke stråling implementeret i radioområdet, eller mere præcist i ultrahøjfrekvensområdet (mikrobølgeområdet). I maj 1952 ved All-Union Conference on Radio Spectroscopy, sovjetiske fysikere (nu akademikere) N.G. Basov og A.M. Prokhorov lavede en rapport om den grundlæggende mulighed for at skabe en strålingsforstærker i mikrobølgeområdet. De kaldte det en "molekylær generator" (det skulle bruge en stråle af ammoniakmolekyler). Næsten samtidig blev forslaget om at bruge stimuleret emission til at forstærke og generere millimeterbølger fremsat på Columbia University i USA af den amerikanske fysiker Charles Townes. I 1954 blev en molekylær oscillator, snart kaldet en maser, en realitet. Den blev udviklet og skabt uafhængigt og samtidigt to steder på kloden - på P.N. Physics Institute. Lebedev Academy of Sciences i USSR (gruppe ledet af N.G. Basov og A.M. Prokhorov) og ved Columbia University i USA (gruppe ledet af C. Townes). Efterfølgende kom udtrykket "laser" fra udtrykket "maser" som et resultat af at erstatte bogstavet "M" (startbogstavet i ordet Microwave - microwave) med bogstavet "L" (startbogstavet i ordet Light - lys). Driften af både en maser og en laser er baseret på samme princip - princippet formuleret i 1951 af V.A. Fabrikant. Maserens udseende betød, at en ny retning inden for videnskab og teknologi blev født. Først blev det kaldt kvanteradiofysik, og senere blev det kendt som kvanteelektronik.

2. Driftsprincipper for kvantegeneratorer.

I kvantegeneratorer observeres under visse forhold en direkte omdannelse af atomers eller molekylers indre energi til energien fra elektromagnetisk stråling. Denne energitransformation sker som et resultat af kvanteovergange - energiovergange ledsaget af frigivelse af kvanter (dele) af energi.
I mangel af ekstern påvirkning udveksles energi mellem molekyler (eller atomer) af et stof. Nogle molekyler udsender elektromagnetiske vibrationer, der bevæger sig fra et højere energiniveau til et lavere, mens andre absorberer dem, hvilket gør den omvendte overgang. Generelt er et system bestående af et stort antal molekyler under stationære forhold i dynamisk ligevægt, dvs. Som et resultat af en kontinuerlig udveksling af energi er mængden af udsendt energi lig med den absorberede mængde.
Befolkningen af energiniveauer, dvs. antallet af atomer eller molekyler placeret på forskellige niveauer bestemmes af stoffets temperatur. Populationen af niveauerne N 1 og N 2 med energierne W 1 og W 2 er bestemt af Boltzmann-fordelingen:

(1)

Hvor k– Boltzmann konstant;
T– stoffets absolutte temperatur.

I en tilstand af termisk ligevægt har kvantesystemer færre molekyler ved højere energiniveauer, og derfor udsender de ikke, men absorberer kun energi, når de udsættes for ekstern bestråling. I dette tilfælde bevæger molekyler (eller atomer) sig til højere energiniveauer.
I molekylære oscillatorer og forstærkere, der anvender overgange mellem energiniveauer, er det naturligvis nødvendigt at skabe kunstige forhold, hvorunder befolkningen med et højere energiniveau vil være højere. I dette tilfælde kan der under påvirkning af et eksternt højfrekvent felt af en bestemt frekvens, tæt på frekvensen af kvanteovergangen, observeres intens stråling forbundet med overgangen fra et højt til et lavt energiniveau. Sådan stråling forårsaget af et eksternt felt kaldes induceret stråling.
Et eksternt højfrekvent felt af grundfrekvensen svarende til kvanteovergangsfrekvensen (denne frekvens kaldes resonansfrekvensen) forårsager ikke kun intens stimuleret stråling, men faserer også strålingen fra individuelle molekyler, som giver tilføjelse af vibrationer og manifestation af forstærkningseffekten.
Tilstanden af en kvanteovergang, når befolkningen på det øvre niveau overstiger befolkningen på det nedre overgangsniveau, kaldes inverteret.
Der er flere måder at opnå en høj population af de øvre energiniveauer på (populationsinversion).
I gasformige stoffer, såsom ammoniak, er det muligt at adskille (sortere) molekyler i forskellige energitilstande ved hjælp af et eksternt konstant elektrisk felt.
I faste stoffer er en sådan adskillelse vanskelig, så der anvendes forskellige metoder til excitation af molekyler, dvs. metoder til omfordeling af molekyler på tværs af energiniveauer ved bestråling med et eksternt højfrekvent felt.

En ændring i populationen af niveauer (inversion af populationen af niveauer) kan frembringes ved pulserende bestråling med et højfrekvent felt med en resonansfrekvens af tilstrækkelig intensitet. Med det korrekte valg af pulsvarigheden (pulsvarigheden skal være meget mindre end afslapningstiden, dvs. tiden til at genoprette dynamisk ligevægt), er det efter bestråling muligt at forstærke det eksterne højfrekvente signal i nogen tid.
Den mest bekvemme excitationsmetode, der i øjeblikket er meget udbredt i generatorer, er metoden til bestråling med et eksternt højfrekvent felt, som adskiller sig væsentligt i frekvens fra de genererede vibrationer, under påvirkning af hvilken den nødvendige omfordeling af molekyler på tværs af energiniveauer forekommer.
Driften af de fleste kvantegeneratorer er baseret på brugen af tre eller fire energiniveauer (selvom der i princippet kan bruges et andet antal niveauer). Lad os antage, at generation sker på grund af en induceret overgang fra niveauet 3 pr niveau 2 (se fig. 1).
For at det aktive stof skal forstærkes ved overgangsfrekvensen 3 -> 2, behov for at lave befolkningsniveau 3 over befolkningsniveau 2. Denne opgave udføres af et højfrekvent hjælpefelt med en frekvens ? vsp som "kaster" nogle af molekylerne fra niveauet 1 pr niveau 3. Populationsinversion er mulig med visse parametre i kvantesystemet og tilstrækkelig hjælpestrålingseffekt.
En generator, der skaber et ekstra højfrekvent felt for at øge befolkningen med et højere energiniveau, kaldes en pumpe eller baggrundslysgenerator. Det sidste led er forbundet med oscillationsgeneratorer af synlige og infrarød spektre, hvor lyskilder bruges til pumpning.
For at udføre den effektive drift af en kvantegenerator er det således nødvendigt at vælge et aktivt stof, der har et bestemt system af energiniveauer, mellem hvilke en energiovergang kan forekomme, og også at vælge den mest passende metode til excitation eller separation af molekyler ind i energiniveauer.

Figur 1. Diagram over energiovergange
i kvantegeneratorer

3. Kredsløb af kvantegeneratorer
Kvantegeneratorer og forstærkere er kendetegnet ved typen af aktivt stof, der anvendes i dem. I øjeblikket er der primært udviklet to typer kvanteanordninger, som bruger gasformige og faste aktive stoffer
i stand til intens induceret stråling.

3.1 Molekylær generatorer med adskillelse af molekyler efter energiniveauer.

Lad os først overveje en kvantegenerator med et gasformigt aktivt stof, hvori ved hjælp af en elektrisk felter udføres adskillelse (sortering) af molekyler placeret ved høje og lave energiniveauer. Denne type kvanteoscillator kaldes normalt en molekylær stråleoscillator.

Figur 2. Diagram af en molekylær generator, der anvender en ammoniakstråle
1 - kilde til ammoniak; 2- mesh; 3 - membran; 4 - resonator; 5 – sorteringsenhed

I praktisk implementerede molekylære generatorer anvendes ammoniakgas (kemisk formel NH 3), hvor molekylær stråling forbundet med overgangen mellem forskellige energiniveauer er meget udtalt. I det ultrahøje frekvensområde observeres den mest intense stråling under energiovergangen svarende til frekvensen f n= 23.870 MHz ( ? n= 1,26 cm). Et forenklet diagram over en generator, der arbejder på ammoniak i gasform, er vist i figur 2.
Hovedelementerne i enheden, som er skitseret med stiplede linjer i figur 2, er i nogle tilfælde placeret i et specielt system, der er afkølet med flydende nitrogen, som sikrer den lave temperatur af det aktive stof og alle de elementer, der er nødvendige for at opnå et lavt støjniveau og højt stabiliteten af generatorens frekvens.
Ammoniakmolekyler forlader reservoiret ved meget lavt tryk, målt i enheder af millimeter kviksølv.
For at opnå en stråle af molekyler, der bevæger sig næsten parallelt i længderetningen, føres ammoniak gennem en membran med et stort antal smalle aksialt rettede kanaler. Diameteren af disse kanaler er valgt til at være ret lille sammenlignet med den gennemsnitlige frie vej for molekylerne. For at reducere bevægelseshastigheden af molekyler og derfor reducere sandsynligheden for kollisioner og spontan, dvs. uinduceret stråling, der fører til fluktuationsstøj, afkøles membranen med flydende helium eller nitrogen.
For at reducere sandsynligheden for kollisioner af molekyler kunne man ikke gå langs med faldende temperatur, men langs med faldende tryk, men dette ville reducere antallet af molekyler i resonatoren, der samtidigt interagerer med højfrekvente felt af sidstnævnte, og kraften afgivet af exciterede molekyler til resonatorens højfrekvente felt ville falde.
For at bruge gas som et aktivt stof i en molekylær generator er det nødvendigt at øge antallet af molekyler placeret på et højere energiniveau mod deres antal bestemt af dynamisk ligevægt ved en given temperatur.
I en generator af denne type opnås dette ved at frasortere lavenerginiveaumolekyler fra molekylstrålen ved hjælp af en såkaldt kvadrupolkondensator.
En quadrupol kondensator er dannet af fire langsgående metalstænger af en speciel profil (figur 3a), der er forbundet parvis gennem en til en højspændingsensretter, som har samme potentiale, men skiftende i fortegn. Det resulterende elektriske felt af en sådan kondensator på generatorens længdeakse, på grund af symmetrien af systemet, er lig med nul og når sin maksimale værdi i rummet mellem tilstødende stænger (figur 3b).

Figur 3. Quadrupole kondensatorkredsløb

Processen med at sortere molekyler forløber som følger. Det er blevet fastslået, at molekyler placeret i et elektrisk felt ændrer deres indre energi med stigende elektrisk feltstyrke; energien i de øvre niveauer stiger, og de lavere niveauer falder (figur 4).

Figur 4. Energiniveauers afhængighed af elektrisk feltstyrke:

øvre energiniveau

lavere energiniveau

Dette fænomen kaldes Stark-effekten. På grund af Stark-effekten adskilles ammoniakmolekyler, når de bevæger sig i feltet af en quadrupol kondensator, der forsøger at reducere deres energi, dvs. opnå en mere stabil tilstand: molekyler af den øvre energiniveauer har en tendens til at forlade området for et stærkt elektrisk felt, dvs. de bevæger sig mod kondensatorens akse, hvor feltet er nul, og molekylerne på det lavere niveau tværtimod bevæger sig ind i området for et stærkt felt, dvs. de bevæger sig væk fra kondensatorens akse og nærmer sig pladerne på sidstnævnte. Som et resultat af dette er den molekylære stråle ikke kun stort set befriet for molekyler af det lavere energiniveau, men også ret godt fokuseret.
Efter at have passeret gennem sorteringsanordningen, kommer den molekylære stråle ind i en resonator, der er indstillet til frekvensen af energiovergangen, der bruges i generatoren f n= 23.870 MHz .
Det højfrekvente felt af en hulrumsresonator forårsager stimuleret emission af molekyler forbundet med en overgang fra et øvre energiniveau til et lavere. Hvis energien, der udsendes af molekylerne, er lig med den energi, der forbruges i resonatoren og overføres til en ekstern belastning, etableres en stationær oscillerende proces i systemet, og den pågældende enhed kan bruges som en generator af frekvensstabile svingninger.

Processen med at etablere oscillationer i generatoren forløber som følger.
Molekyler, der kommer ind i resonatoren, som overvejende er på det øvre energiniveau, laver spontant (spontant) en overgang til det lavere niveau, udsender energikvanta af elektromagnetisk energi og exciterer resonatoren. I starten er denne excitation af resonatoren meget svag, da molekylernes energiovergang er tilfældig. Resonatorens elektromagnetiske felt, der virker på strålens molekyler, forårsager inducerede overgange, som igen øger resonatorens felt. Resonatorfeltet vil således, gradvist stigende, i stigende grad påvirke den molekylære stråle, og den energi, der frigives under inducerede overgange, vil styrke resonatorfeltet. Processen med at øge intensiteten af svingninger vil fortsætte, indtil mætning opstår, på hvilket tidspunkt resonatorfeltet vil være så stort, at det under passagen af molekyler gennem resonatoren vil forårsage ikke kun inducerede overgange fra det øvre niveau til det nedre, men delvis også omvendte overgange forbundet med absorption af elektromagnetisk energi. I dette tilfælde øges den kraft, der frigives af ammoniakmolekyler, ikke længere, og derfor bliver en yderligere stigning i amplituden af vibrationer umulig. En stationær genereringstilstand etableres.
Derfor er dette ikke en simpel excitation af resonatoren, men et selvoscillerende system, inklusive feedback, som udføres gennem resonatorens højfrekvente felt. Bestrålingen fra molekyler, der flyver gennem resonatoren, exciterer et højfrekvent felt, som igen bestemmer den stimulerede emission af molekyler, faseringen og sammenhængen af denne stråling.
I tilfælde, hvor selvexciteringsbetingelserne ikke er opfyldt (for eksempel er tætheden af den molekylære flux, der passerer gennem resonatoren, utilstrækkelig), kan denne enhed bruges som en forstærker med et meget lavt niveau af intern støj. Forstærkningen af en sådan enhed kan justeres ved at ændre den molekylære fluxtæthed.
Kavitetsresonatoren i en molekylær generator har en meget høj kvalitetsfaktor, målt i titusindvis. For at opnå en så høj kvalitetsfaktor er resonatorvæggene omhyggeligt bearbejdet og forsølvet. Hullerne til ind- og udgang af molekyler, som har en meget lille diameter, fungerer samtidig som højfrekvente filtre. De er korte bølgeledere, hvis kritiske bølgelængde er mindre end resonatorens naturlige bølgelængde, og derfor slipper resonatorens højfrekvente energi praktisk taget ikke ud gennem dem.
For at finjustere resonatoren til overgangsfrekvensen bruger sidstnævnte en form for tuning-element. I det enkleste tilfælde er det en skrue, hvis nedsænkning i resonatoren lidt ændrer frekvensen af sidstnævnte.
I fremtiden vil det blive vist, at frekvensen af den molekylære oscillatoren er noget "forsinket", når resonatorafstemningsfrekvensen ændres. Det er rigtigt, at frekvensforsinkelsen er lille og estimeres til værdier i størrelsesordenen 10 -11, men de kan ikke negligeres på grund af de høje krav, der stilles til molekylære generatorer. Af denne grund er det i en række molekylære generatorer kun membranen og sorteringssystemet, der afkøles med flydende nitrogen (eller flydende luft), og resonatoren placeres i en termostat, hvor temperaturen holdes konstant af en automatisk anordning med en nøjagtighed af brøkdele af en grad. Figur 5 viser skematisk en anordning af denne type generator.
Effekten af molekylære generatorer, der bruger ammoniak, overstiger normalt ikke 10 -7 W,
Derfor bruges de i praksis hovedsageligt som meget stabile frekvensstandarder. Frekvensstabiliteten af en sådan generator estimeres af værdien
10 -8 – 10 -10. Inden for et sekund giver generatoren frekvensstabilitet i størrelsesordenen 10 -13.
En af de væsentlige ulemper ved det overvejede generatordesign er behovet for kontinuerlig pumpning og vedligeholdelse af det molekylære flow.

Figur 5. Design af en molekylær generator
med automatisk stabilisering af resonatortemperaturen:
1- kilde til ammoniak; 2 - kapillærsystem; 3- flydende nitrogen; 4 - resonator; 5 - vandtemperaturkontrolsystem; 6 – quadrupol kondensator.

3.2 Kvantegeneratorer med ekstern pumpning

I den pågældende type kvantegeneratorer kan både faste stoffer og gasser anvendes som aktive stoffer, hvor evnen til energiinducerede overgange af atomer eller molekyler exciteret af et eksternt højfrekvent felt kommer tydeligt til udtryk. I det optiske område bruges forskellige kilder til lysstråling til at excitere (pumpe) det aktive stof.
Optiske rækkeviddegeneratorer har en række positive egenskaber og er meget udbredt i forskellige radiokommunikationssystemer, navigation mv.
Som i centimeter- og millimeterbølgekvantegeneratorer bruger lasere normalt tre-niveau-systemer, det vil sige aktive stoffer, hvori der sker en overgang mellem tre energiniveauer.
Der skal dog bemærkes en egenskab, der skal tages i betragtning, når man vælger et aktivt stof til generatorer og forstærkere i det optiske område.
Fra forholdet W 2 –W 1 =h? Det følger, at når driftsfrekvensen stiger? i oscillatorer og forstærkere er det nødvendigt at bruge en højere forskel i energiniveauer. For optiske områdegeneratorer svarende tilnærmelsesvis til frekvensområdet 2 10 7 -9 10 8 MHz(bølgelængde 15-0,33 mk), energiniveauforskel W 2 –W 1 bør være 2-4 størrelsesordener højere end for generatorer med centimeterafstand.
Både faste stoffer og gasser bruges som aktive stoffer i optiske rækkeviddegeneratorer.
Kunstig rubin er meget udbredt som et fast aktivt stof - korundkrystaller (A1 2 O 3) med en blanding af chromioner (Cr). Ud over rubin, glas aktiveret med neodym (Nd), krystaller af calciumwolframat (CaWO 4) med en blanding af neodymioner, krystaller af calciumfluorid (CaF 2) med en blanding af dysprosium (Dy) eller uranioner og andre materialer er også meget brugt.
Gaslasere bruger typisk blandinger af to eller flere gasser.

3.2.1 Generatorer med fast aktivt stof

Den mest udbredte type optiske rækkeviddegeneratorer er generatorer, hvor rubin med en blanding af chrom (0,05%) anvendes som det aktive stof. Figur 6 viser et forenklet diagram over arrangementet af energiniveauer af chromioner i rubin. Absorptionsbåndene, hvor det er nødvendigt at pumpe (excitere), svarer til de grønne og blå dele af spektret (bølgelængde 5600 og 4100A). Typisk udføres pumpning ved hjælp af en gasudladnings xenonlampe, hvis emissionsspektrum er tæt på solens. Chromioner, der absorberer fotoner af grønt og blåt lys, bevæger sig fra niveau I til niveau III og IV. Nogle af de exciterede ioner fra disse niveauer vender tilbage til grundtilstanden (til niveau I), og de fleste af dem passerer uden at udsende energi til det metastabile niveau P, hvilket øger befolkningen i sidstnævnte. Chromioner, der er gået til niveau II, forbliver i denne ophidsede tilstand i lang tid. Derfor på andet niveau
det er muligt at akkumulere et større antal aktive partikler end på niveau I. Når populationen af niveau II overstiger populationen af niveau I, er stoffet i stand til at forstærke elektromagnetiske svingninger ved frekvensen af II-I overgangen. Hvis et stof placeres i en resonator, bliver det muligt at generere sammenhængende, monokromatiske vibrationer i den røde del af det synlige spektrum (? = 6943 EN ). Rollen af en resonator i det optiske område udføres af reflekterende overflader parallelt med hinanden.

Figur 6. Energiniveauer af chromioner i rubin

absorptionsbånd under optisk pumpning

ikke-strålende overgange

metastabilt niveau

Processen med laserselv-excitation forløber kvalitativt på samme måde som i en molekylær generator. Nogle af de exciterede chromioner overføres spontant (spontant) til niveau I og udsender fotoner. Fotoner, der udbreder sig vinkelret på reflekterende overflader, oplever flere refleksioner og passerer gentagne gange gennem det aktive medium og forstærkes i det. Intensiteten af oscillationer stiger til en stationær værdi.
I den pulserede tilstand har kuverten af rubingeneratorens strålingsimpuls karakter af kortvarige blink, der varer i størrelsesordenen tiendedele af et mikrosekund og med en periode af størrelsesordenen adskillige mikrosekunder (fig. 7, V).
Afslapningen (intermitterende) af generatorstrålingen forklares af forskellige hastigheder for ionankomst på niveau II på grund af pumpning og et fald i deres antal under inducerede overgange fra niveau II til niveau I.
Figur 7 viser oscillogrammer, der kvalitativt forklarer processen
generation i en rubinlaser. Under påvirkning af pumpestråling (fig. 7, EN) ophobning af exciterede ioner sker på niveau II. Efter nogen tid befolkningen N 2 vil overskride tærskelværdien, og selv-excitering af generatoren bliver mulig. I perioden med sammenhængende emission halter genopfyldningen af niveau II-ioner på grund af pumpning efter deres forbrug som følge af inducerede overgange, og populationen af niveau II falder. I dette tilfælde svækkes strålingen enten kraftigt eller endda stopper (som i dette tilfælde), indtil niveau II på grund af pumpning beriges til en værdi, der overstiger tærsklen (fig. 7, b), og excitation af svingninger igen bliver mulig. Som et resultat af den betragtede proces vil der blive observeret en række kortvarige blink ved laserudgangen (fig. 7, c).

Figur 7. Oscillogrammer, der forklarer driften af en rubinlaser:
a) pumpekildens effekt
b) niveau II befolkning
c) generatorens udgangseffekt

Ud over rubin anvendes andre stoffer i optiske rækkeviddegeneratorer, for eksempel calciumwolframatkrystal og neodym-aktiveret glas.
En forenklet struktur af energiniveauerne af neodymioner i en calciumwolframatkrystal er vist i figur 8.
Under påvirkning af lys fra en pumpelampe overføres ioner fra niveau I til exciterede tilstande angivet i diagram III. Derefter bevæger de sig uden stråling til niveau P. Niveau II er metastabilt, og exciterede ioner ophobes på det. Kohærent stråling i det infrarøde område med bølgelængde ?= 1,06 mk opstår, når ioner bevæger sig fra niveau II til niveau IV. Ioner foretager overgangen fra niveau IV til grundtilstanden uden stråling. Det faktum, at der opstår stråling
under overgangen af ioner til niveau IV, som ligger over jordoverfladen, betydeligt
letter exciteringen af generatoren. Populationen af niveau IV er betydeligt mindre end niveau P [dette følger af formel 1], og for at nå excitationstærsklen til niveau II skal der overføres færre ioner, og derfor skal der bruges mindre pumpeenergi.

Figur 8. Forenklet struktur af neodymionniveauer i calciumwolframat (CaWO 4 )

Glas doteret med neodym har også et lignende energiniveaudiagram. Lasere, der anvender aktiveret glas, udsender ved samme bølgelængde? = 1,06 mikron.
Aktive faste stoffer er lavet i form af lange runde (mindre ofte rektangulære) stænger, hvis ender er omhyggeligt poleret, og reflekterende belægninger påføres dem i form af specielle dielektriske flerlagsfilm. De plan-parallelle endevægge danner en resonator, hvori der etableres et regime med multipel refleksion af udsendte svingninger (tæt på regimet af stående bølger), hvilket forbedrer den inducerede stråling og sikrer dens sammenhæng. Resonatoren kan også være dannet af udvendige spejle.
Flerlags dielektriske spejle har lav iboende absorption og gør det muligt at opnå den højeste kvalitetsfaktor for resonatoren. Sammenlignet med metalspejle dannet af et tyndt lag sølv eller andet metal, er flerlags dielektriske spejle meget vanskeligere at fremstille, men er meget overlegne i holdbarhed. Metalspejle svigter efter flere blink, og bruges derfor ikke i moderne lasermodeller.
De første lasermodeller brugte spiralformede pulserede xenonlamper som pumpekilde. Inde i lampen var der en stang af det aktive stof.
En alvorlig ulempe ved dette generatordesign er den lave udnyttelsesgrad af lysenergien fra pumpekilden. For at eliminere denne ulempe bruger generatorer fokusering af lysenergien fra pumpekilden ved hjælp af specielle linser eller reflektorer. Den anden metode er enklere. Reflektoren er normalt lavet i form af en elliptisk cylinder.
Figur 9 viser kredsløbet af en rubinoscillator. Baggrundsbelysningslampen, der fungerer i en pulserende tilstand, er placeret inde i en elliptisk reflektor, der fokuserer lampens lys på rubinstangen. Lampen drives af en højspændingsensretter. I intervallerne mellem impulserne akkumuleres højspændingskildens energi i en kondensator med en kapacitet på omkring 400 mkf. På tidspunktet for påføring af en starttændingsimpuls med en spænding på 15 kV, fjernet fra den sekundære vikling af step-up transformeren, lyser lampen og fortsætter med at brænde, indtil den energi, der er akkumuleret i højspændingsensretterens kondensator, er brugt op.
For at øge pumpekraften kan der installeres flere xenonlamper omkring rubinstangen, hvis lys koncentreres på rubinstangen ved hjælp af reflektorer.
For den, der er vist i fig. 23.10 generatortærskelpumpeenergi, dvs. den energi, hvorved produktionen begynder, er omkring 150 J. Med lagerkapaciteten angivet på diagrammet MED = 400 mkf sådan energi leveres ved en kildespænding på omkring 900 I.

Figur 9. Rubinoscillator med elliptisk reflektor til fokusering af lyset fra pumpelampen:

xenon lampe

På grund af det faktum, at spektret af pumpekilder er meget bredere end krystallens nyttige absorptionsbånd, bruges pumpekildens energi meget dårligt, og derfor er det nødvendigt at øge kildens effekt betydeligt for at give tilstrækkelig pumpekraft til generering i et smalt absorptionsbånd. Dette fører naturligvis til en kraftig stigning i krystallens temperatur. For at forhindre overophedning kan du bruge filtre, hvis båndbredde tilnærmelsesvis falder sammen med absorptionsbåndet for det aktive stof, eller bruge et tvungen kølesystem til krystallen, for eksempel ved hjælp af flydende nitrogen.
Ineffektiv brug af pumpeenergi er hovedårsagen til den relativt lave effektivitet af lasere. Generatorer baseret på rubin i pulstilstand gør det muligt at opnå en effektivitet i størrelsesordenen 1%, generatorer baseret på glas - op til 3-5%.
Rubinlasere fungerer primært i pulserende tilstand. Overgangen til kontinuerlig tilstand er begrænset af den resulterende overophedning af rubinkrystallen og pumpekilder samt udbrænding af spejlene.
Forskning i lasere, der anvender halvledermaterialer, er i øjeblikket i gang. De bruger en halvlederdiode lavet af galliumarsenid som et aktivt element, hvis excitation (pumpning) udføres ikke af lysenergi, men af en højdensitetsstrøm, der passerer gennem dioden.
Designet af det laseraktive element er meget enkelt (se figur 10) Det består af to halvdele af halvledermateriale R- Og n-type. Den nedre halvdel af n-type materiale er adskilt fra den øvre halvdel af p-type materiale med et plan р-n overgang. Hver af pladerne er udstyret med en kontakt til at forbinde dioden til en pumpekilde, som er en jævnstrømskilde. Diodens endeflader, strengt parallelle og omhyggeligt polerede, danner en resonator, der er indstillet til frekvensen af de genererede svingninger svarende til en bølgelængde på 8400 A. Diodens dimensioner er 0,1 x 0,1 x 1,25 mm. Dioden placeres i en kryostat med flydende nitrogen eller helium, og der ledes en pumpestrøm igennem den, hvis tæthed er р-n overgangen når værdier på 10 4 -10 6 a/cm 2 I dette tilfælde kohærente svingninger af det infrarøde område med en bølgelængde på ? = 8400A.

Figur 10. Struktur af det aktive element i en halvlederdiodelaser.

polerede kanter

kontakt

pn krydsplan

kontakt

Emissionen af energikvanter i en halvleder er mulig, når elektroner bevæger sig fra ledningsbåndet til frie niveauer i valensbåndet - fra højere energiniveauer til lavere. I dette tilfælde "forsvinder" to strømbærere - en elektron og et hul.
Når et energikvante absorberes, bevæger en elektron sig fra valensbåndet til ledningsbåndet, og der dannes to strømbærere.
For at forstærkning (såvel som generering) af svingninger kan lade sig gøre, er det nødvendigt, at antallet af overgange med energifrigivelse går frem for overgange med energiabsorption. Dette opnås i en halvlederdiode med stærkt dopet R- Og n-regioner, når der påføres en fremadgående spænding, som vist i figur 10. Når krydset er forspændt i fremadgående retning, vil elektroner fra n- områder diffunderer ind p- område. På grund af disse elektroner stiger bestanden af ledningsbåndet kraftigt R-leder, og den kan overstige koncentrationen af elektroner i valensbåndet.
Diffusionen af huller fra R- V n- område.
Da diffusionen af bærere sker til en lille dybde (i størrelsesordenen nogle få mikron), deltager ikke hele overfladen af enden af halvlederdioden i strålingen, men kun de områder, der støder op til grænsefladeplanet R- Og n- regioner.
I en pulseret tilstand af denne type har lasere, der opererer i flydende helium, en effekt på omkring 300 W med en varighed på omkring 50 ns og omkring 15 W med varighed 1 mks. I kontinuerlig tilstand kan udgangseffekten nå 10-20 mW med en pumpeeffekt på omkring 50 mW.
Emission af oscillationer sker kun fra det øjeblik, hvor strømtætheden i krydset når en tærskelværdi, som for arsen gallium er omkring 10 4 a/cm 2 . En sådan høj tæthed opnås ved at vælge et lille område р-n overgange svarer normalt til en strøm gennem dioden af størrelsesordenen flere ampere.

3.2.2 Generatorer med gasformigt aktivt stof

I optiske kvantegeneratorer er det aktive stof normalt en blanding af to gasser. Den mest almindelige er en gaslaser, der bruger en blanding af helium (He) og neon (Ne).
Placeringen af energiniveauerne for helium og neon er vist i figur 11. Rækkefølgen af kvanteovergange i en gaslaser er som følger. Under påvirkning af elektromagnetiske svingninger fra en højfrekvent generator opstår en elektrisk udladning i en gasblanding indesluttet i et kvartsglasrør, hvilket fører til overgangen af heliumatomer fra grundtilstand I til tilstande II (2 3 S) og III (21S). Når exciterede heliumatomer kolliderer med neonatomer, sker der en energiudveksling mellem dem, hvorved de exciterede heliumatomer overfører energi til neonatomer, og populationen af 2S- og 3S-niveauerne af neon stiger betydeligt.
etc.................

Kvante generator

Kvante generator- en generel betegnelse for kilder til elektromagnetisk stråling, der virker på grundlag af stimuleret emission af atomer og molekyler. Afhængigt af hvilken bølgelængde en kvantegenerator udsender, kan den kaldes forskelligt: laser, maser, razer, gaser.

skabelseshistorie

En kvantegenerator er baseret på princippet om stimuleret emission foreslået af A. Einstein: når et kvantesystem exciteres, og der samtidig er stråling med en frekvens svarende til en kvanteovergang, er sandsynligheden for et spring i systemet til en lavere energiniveau stiger i forhold til tætheden af allerede tilstedeværende strålingsfotoner. Muligheden for at skabe en kvantegenerator på dette grundlag blev påpeget af den sovjetiske fysiker V. A. Fabrikant i slutningen af 40'erne.

Litteratur

Landsberg G.S. Lærebog i elementær fysik. Bind 3. Oscillationer og bølger. Optik. Atom- og kernefysik. - 1985.

Herman J., Wilhelmi B. "Lasere til generering af ultrakorte lysimpulser" - 1986.

Wikimedia Foundation. 2010.

Notker Stutterer
Resyntese

Se, hvad en "Quantum Generator" er i andre ordbøger:

KVANTEM GENERATOR- elektrisk generator mag. bølger, hvor fænomenet stimuleret emission bruges (se KVANTEMELEKTRONIK). K. g. radiorækkevidde, samt en kvanteforstærker, kaldet. maser. Den første K. g. blev skabt i mikrobølgeområdet i 1955. Det aktive medium i den ... Fysisk encyklopædi

KVANTEM GENERATOR- en kilde til kohærent elektromagnetisk stråling, hvis virkning er baseret på stimuleret emission af fotoner fra atomer, ioner og molekyler. Kvantegeneratorer i radioområdet kaldes masere, kvantegeneratorer i det optiske område... ... Stor encyklopædisk ordbog

kvantegenerator- En kilde til sammenhængende stråling baseret på brug af stimuleret emission og feedback. Bemærk Kvantegeneratorer er opdelt efter typen af aktivt stof, excitationsmetode og andre egenskaber, for eksempel stråle, gas... Teknisk oversættervejledning

KVANTEM GENERATOR- en kilde til monokromatisk kohærent elektromagnetisk stråling (optisk eller radiorækkevidde), der fungerer på grundlag af stimuleret emission af exciterede atomer, molekyler, ioner. Gasser, krystallinske... Big Polytechnic Encyclopedia

kvantegenerator- en anordning til generering af kohærent elektromagnetisk stråling. Kohærens er den koordinerede forekomst i tid og rum af flere oscillerende eller bølgeprocesser, som manifesterer sig, når de f.eks. tilføjes. i tilfælde af interferens... Encyklopædi af teknologi

kvantegenerator- en kilde til kohærent elektromagnetisk stråling, hvis virkning er baseret på stimuleret emission af fotoner fra atomer, ioner og molekyler. Kvantegeneratorer i radioområdet kaldes masere, kvantegeneratorer i det optiske område ... ... encyklopædisk ordbog

kvantegenerator- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: engl. kvante...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

kvantegenerator- kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. kvantegenerator vok. Kvantengenerator, m rus. kvantegenerator, m pranc. oscillator quantique, m … Fizikos terminų žodynas

Kvante generator- en generator af elektromagnetiske bølger, der bruger fænomenet stimuleret emission (Se Stimuleret emission) (Se Kvanteelektronik). K. g. radioområde med ultrahøje frekvenser (mikrobølge), såvel som Quantum-forstærkeren af denne ... ... Store sovjetiske encyklopædi

De opnåede succeser inden for udvikling og forskning af kvanteforstærkere og oscillatorer i radioområdet tjente som grundlag for implementeringen af forslaget om at forstærke og generere lys baseret på stimuleret emission og førte til skabelsen af kvanteoscillatorer i det optiske område. Optiske kvanteoscillatorer (OQO'er) eller lasere er de eneste kilder til kraftigt monokromatisk lys. Princippet om lysforstærkning ved hjælp af atomare systemer blev først foreslået i 1940 af V.A. Fabrikant. Men begrundelsen for muligheden for at skabe en optisk kvantegenerator blev først givet i 1958 af C. Townes og A. Shavlov baseret på resultaterne i udviklingen af kvanteenheder i radioområdet. Den første optiske kvantegenerator blev realiseret i 1960. Det var en laser med en rubinkrystal som arbejdsstof. Oprettelsen af befolkningsinversion i den blev udført ved hjælp af tre-niveau pumpemetoden, normalt brugt i paramagnetiske kvanteforstærkere.

I øjeblikket er der udviklet mange forskellige optiske kvantegeneratorer, der adskiller sig i arbejdsstoffer (krystaller, glas, plast, væsker, gasser, halvledere anvendes) og metoder til at skabe befolkningsinversion (optisk pumpning, udledning i gasser, kemiske reaktioner osv.) . ).

Strålingen fra eksisterende optiske kvantegeneratorer dækker bølgelængdeområdet fra ultraviolet til det fjerne infrarøde område af spektret, der støder op til millimeterbølger. I lighed med en kvantegenerator i radioområdet består en optisk kvantegenerator af to hoveddele: et fungerende (aktivt) stof, hvori på den ene eller anden måde

der skabes en inversion af populationer og et resonant system (fig. 62). Som sidstnævnte bruges åbne resonatorer af Fabry-Perot-interferometertypen i lasere, dannet af et system af to spejle placeret i en afstand fra hinanden.

Arbejdsstoffet øger den optiske stråling på grund af den inducerede emission af aktive partikler. Resonanssystemet, der forårsager gentagen passage af den resulterende optisk inducerede stråling gennem det aktive medium, bestemmer den effektive interaktion af feltet med det. Hvis vi betragter en laser som et selvoscillerende system, så giver resonatoren positiv feedback som et resultat af tilbagevenden af en del af strålingen, der forplanter sig mellem spejlene, ind i det aktive medium. For at der kan forekomme oscillationer, skal effekten i laseren modtaget fra det aktive medie være lig med eller overstige den tabte effekt i resonatoren. Dette svarer til, at intensiteten af genereringsbølgen efter at have passeret gennem forstærkningsmediet, refleksion fra spejle -/ og 2, der vender tilbage til det oprindelige tværsnit, skal forblive uændret eller overstige den oprindelige værdi.

Når den passerer gennem det aktive medium, bølgeintensiteten 1^ ændringer i henhold til den eksponentielle lov (ignorerer mætning) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], og når det reflekteres fra spejlet, ændres det ind G enkelt gang ( T - koefficient. spejlrefleksion), derfor kan betingelsen for, at generation opstår, skrives som

Hvor L - længden af det aktive aktive medium; r 1 og r 2 - refleksionskoefficienter for spejle 1 og 2; a u er forstærkningen af det aktive medie; b 0 - dæmpningskonstant, under hensyntagen til energitab i arbejdsstoffet som følge af spredning ved inhomogeniteter og defekter.

I. Resonatorer af optiske kvantegeneratorer

Resonante lasersystemer er som nævnt åbne resonatorer. I øjeblikket er åbne resonatorer med flade og sfæriske spejle mest udbredt. Et karakteristisk træk ved åbne resonatorer er, at deres geometriske dimensioner er mange gange større end bølgelængden. Ligesom volumetriske åbne resonatorer har de et sæt af deres egne typer af oscillationer, karakteriseret ved en vis feltfordeling i dem og egne frekvenser. De naturlige typer af svingninger i en åben resonator er løsninger af feltligningerne, der opfylder grænsebetingelserne på spejlene.

Der er flere metoder til at beregne hulrumsresonatorer, der gør det muligt at finde deres egne typer af vibrationer. En streng og mest fuldstændig teori om åbne resonatorer er givet i L.A. Vaivesteins værker.* En visuel metode til beregning af typer af svingninger i åbne resonatorer blev udviklet i A. Fox og T. Lee's arbejde.

(113)

Det bruges i det. numerisk beregning, der simulerer processen med at etablere typer af svingninger i resonatoren som et resultat af flere refleksioner fra spejle. Indledningsvis indstilles en vilkårlig feltfordeling på overfladen af et af spejlene. Derefter beregnes feltfordelingen på overfladen af et andet spejl ved hjælp af Huygens' princip. Den indlærte fordeling tages som den oprindelige, og beregningen gentages. Efter flere refleksioner tenderer fordelingen af feltets amplitude og fase på overfladen af spejlet til en stationær værdi, dvs. feltet på hvert spejl gengiver sig selv uændret. Den resulterende feltfordeling repræsenterer den normale type oscillation af en åben resonator.

Beregningen af A. Fox og T. Lee er baseret på følgende Kirchhoff-formel, som er et matematisk udtryk for Huygens’ princip, som gør, at man kan finde bunden ved observationspunktet EN ved et givet felt på en eller anden overflade Sb

hvor Eb er feltet ved punkt B på overfladen S b; k- bølge nummer; R - afstand mellem punkter EN Og I; Q - vinkel mellem linjen, der forbinder punkterne EN Og I, og normal på overfladen Sb

Efterhånden som antallet af passager stiger, tenderer strømningshastigheden på spejlene til en stationær fordeling, som kan repræsenteres som følger:

Hvor V(x ,у) - en fordelingsfunktion, der afhænger af koordinaterne på overfladen af spejlene og ikke ændrer sig fra refleksion til refleksion;

y er en kompleks konstant uafhængig af rumlige koordinater.

Substitution af formel (112) med udtryk (III). får vi integralligningen

Den har kun en løsning for visse værdier [Gamma] = [gamma min.] kaldet egenværdier, Vmn funktioner , opfylder integralligningen, karakteriserer strukturen af feltet af forskellige typer af oscillationer af resonatoren, som kaldes tværgående vibrationer og betegnes som vibrationer af typen TEMmn Symbol TEM angiver, at vandet inde i resonatoren er tæt på tværgående elektromagnetisk, dvs. uden feltkomponenter langs bølgeudbredelsesretningen. Indekser m og n angiver antallet af ændringer i feltretningen langs spejlets sider (for rektangulære spejle) eller langs vinklen og langs radius (for runde spejle). Figur 64 viser den elektriske feltkonfiguration for de enkleste tværgående typer af oscillationer af åbne resonatorer med runde spejle. De iboende typer af oscillationer af åbne resonatorer er kendetegnet ikke kun ved feltets tværgående fordeling, men også ved dets fordeling langs resonatorernes akse, som er en stående bølge og adskiller sig i antallet af halvbølger, der passer langs længden af resonatoren. For at tage højde for dette introduceres et tredje indeks i betegnelsen af vibrationstyper EN, der karakteriserer antallet af halvbølger, der passer langs resonatorens akse.

Solid State optiske kvantegeneratorer

Solid-state optiske kvanteoscillatorer eller solid-state lasere bruger krystaller eller amorfe dielektrika som det aktive forstærkningsmedium. Arbejdspartiklerne, hvis overgange mellem energitilstande bestemmer dannelsen, er som regel ioner af atomer af overgangsgrupper i det periodiske system.Ionerne Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ er oftest Brugt. Aktive partikler udgør fraktioner eller enheder af procent af det samlede antal atomer i arbejdsmediet, så de ser ud til at danne en "opløsning" af svag koncentration og interagerer derfor kun lidt med hinanden. De anvendte energiniveauer er niveauerne af arbejdspartikler, spaltet og udvidet af stærke inhomogene indre felter i det faste stof. Krystaller af korund (Al2O3) og yttrium-aluminium granat bruges oftest som basis for det aktive forstærkningsmedium. YAG(Y3Al5O12), forskellige glasmærker osv.

Populationsinversion i arbejdsstoffet i faststoflasere skabes ved en metode svarende til den, der bruges i paramagnetiske forstærkere. Det udføres ved hjælp af optisk pumpning, dvs. udsættelse af et stof for højintensiv lysstråling.

Som undersøgelser viser, er de fleste af de i øjeblikket eksisterende aktive medier, der bruges i faststoflasere, tilfredsstillende beskrevet af to hovedidealiseret energi ordninger: tre- og fire-plan (fig. 71).

Lad os først overveje metoden til at skabe befolkningsinversion i medier beskrevet af et tre-niveau skema (se fig. 71, a). I normal tilstand er kun det nederste hovedniveau befolket 1 (energiafstanden mellem niveauerne er væsentligt større end kT), da overgange 1->2 og 1->3) hører til det optiske område. Overgangen mellem niveau 2 og 1 er operationel. Niveau 3 auxiliary og bruges til at skabe en inversion af et arbejdspar af niveauer. Det optager faktisk en lang række tilladte energiværdier på grund af samspillet mellem arbejdspartikler og intrakrystallinske felter.

elektromagnetisk kohærent kilde stråling(optisk eller radiorækkevidde), hvori fænomenet bruges stimuleret emission exciterede atomer, molekyler, ioner osv. Gasser, væsker, faste dielektriske stoffer og PP-krystaller bruges som arbejdsmaterialer i kuldioxid. Arbejderens excitation, det vil sige forsyningen af energi, der er nødvendig for generatorens arbejde, udføres af en stærk elektrisk strøm. felt, lys udefra kilde, elektronstråler osv. Udstråling af K. g., foruden høj monokromaticitet og sammenhæng, har et snævert fokus og midler. strøm. se også Laser, Maser, Molekylær Generator.

- det samme som laser...
Begyndelsen af moderne naturvidenskab
- kvantegenerator en enhed til at generere kohærent elektromagnetisk stråling...
Encyklopædi af teknologi
- en optisk kvantegenerator er det samme som en laser...
Encyklopædi af teknologi
- kilde til kohærent elektromagnetisk stråling, hvis virkning er baseret på den stimulerede emission af fotoner fra atomer, ioner og molekyler. K. g. radiorækkevidde kaldes. masere, K. g. optisk. rækkevidde - lasere...
- det samme som en laser...
Naturvidenskab. encyklopædisk ordbog
- en teknisk anordning til pulserende eller kontinuerlig generering af monokromatisk kohærent stråling i det optiske område af spektret...
Stor medicinsk ordbog
- en kilde til elektromagnetisk kohærent stråling, som bruger fænomenet induceret stråling af exciterede atomer, molekyler, ioner osv. Gasser, væsker,...
Big Encyclopedic Polytechnic Dictionary
- en elektromagnetisk bølgegenerator, der bruger fænomenet stimuleret emission...
- det samme som laser...
Store sovjetiske encyklopædi
- det samme som en laser...
Moderne encyklopædi
- en kilde til kohærent elektromagnetisk stråling, hvis virkning er baseret på den stimulerede emission af fotoner fra atomer, ioner og molekyler...
- det samme som en laser...
Stor encyklopædisk ordbog
- KVANTUM, -a, m. I fysik: den mindste mængde energi, der afgives eller absorberes af en fysisk størrelse i dens ikke-stationære tilstand. K. energi. K. lys...
Ozhegovs forklarende ordbog
- KVANTE, kvante, kvante. adj. til kvante Kvantestråler. Kvantemekanik...
Ushakovs forklarende ordbog
- kvanteadj. 1. forhold med navneord kvante forbundet med det 2...
Forklarende ordbog af Efremova
-kv"...
Russisk stavningsordbog

"QUANTUM GENERATOR" i bøger

Kvanteovergang

Fra bogen Antisemitisme som naturlov forfatter Brushtein Mikhail

Kvanteovergangen De nyeste reformatorer, som opfinder eksemplariske sociale systemer på papiret, ville gøre klogt i at tage et kig på det sociale system, som de første jøder levede efter. Man kan se, hvad der skete i Sinai på forskellige måder.

Kvante spring

Fra bogen Mig og mit store rum forfatter Klimkevich Svetlana Titovna

Kvantespring 589 = Mennesket bærer i sig Guds kreative energi - Kærlighed = 592 = Stor åndelig opvågning - Tegn på kosmiske cyklusser = "Talkoder". Bog 2. Kryon Hierarchy 27 01/2012 "Tidsrum - Rummets Tid..." - ord ved opvågning Jeg Er Den Jeg Er

4.1. Kvanteprocessor

Fra bogen Quantum Magic forfatter Doronin Sergey Ivanovich

4.1. Kvanteprocessor

Kvante spring

Fra bogen Law of Attraction af Esther Hicks

Quantum Leap Jerry: Det er nemt at tage et lille skridt fra hvor vi er og bare gøre lidt mere, end vi gør, være lidt mere os selv og have lidt mere, end vi har nu. Hvad med det, vi kan kalde et "kvantespring", det vil sige at opnå noget

Kvante spring

Fra bogen Playing in the Void. Mytologi af mange ansigter forfatter Demchog Vadim Viktorovich

Kvantespring Resultatet af rensning er erkendelsen af, at alt sker "i vores håndflade." Metoden, der hjælper med at fastslå dette, kaldes et kvantespring i spillet. Og det er baseret på den naturlige tillidsfuldhed i rummet, der ser på os

Kvantehjerne

Fra bogen Playing in the Void. Carnival of Mad Wisdom forfatter Demchog Vadim Viktorovich

Kvantehjerne Lad os starte med poesi: Sir Charles Sherrington, den almindeligt anerkendte fader til neurofysiologi, sammenligner hjernen med "... en magisk selvvævende maskine, hvor millioner af funklende skytter væver et mønster, der smelter for vores øjne (bemærk - " smelter for vores øjne.” - V.D.), altid

Kvanteverden

af Gardiner Philip

Quantum World Jeg er inspireret af ideen om, at der i universet (fra mikro- til makroniveau, fra planeternes kosmiske bevægelse til elektronernes interaktion, fra mikroskopisk siliciumdioxid til den menneskeskabte egyptiske pyramide) findes en universel model , ikke

Kvantegud

Fra bogen Gates to Other Worlds af Gardiner Philip

Kvanteguden Mens jeg arbejdede på denne bog, tog jeg en dag fri fra kvantefysikken og tog til Lichfield, Staffordshire. Jeg havde en vidunderlig tid i den smukke, esoteriske følelse af Lichfield Cathedral, hvor jeg så på dens fantastiske facade

KVANTE SPRING

Fra bogen The Sixth Race and Nibiru forfatter Byazyrev Georgy

KVANTEMSPRING Når du opnår samadhi, bliver sjælen til guddommeligt lys Kære læsere, I ved allerede, at i 2011 vil den tolvte planet i solsystemet, Nibiru, være synlig på vores himmel. I februar 2013 vil Planet X komme tættest på Jorden

Bilag III. MINDS: Quantum Mind

Fra bogen The Power of Silence forfatter Mindell Arnold

Bilag III. MINDS: The Quantum Mind På de følgende sider opsummerer jeg nogle af de mange betydninger, jeg forbinder med begrebet "kvantesind" En teknisk - men populært sagt - beskrivelse af kvantesindet kan findes i Nick Herberts bøger

Kvantedualisme

Fra bogen The End of Science: A Look at the Limits of Knowledge at the Twilight of the Age of Science af Horgan John

Kvantedualisme Der er ét punkt, som Crick, Edelman og næsten alle neurovidenskabsmænd er enige om: sindets egenskaber er i det væsentlige uafhængige af kvantemekanikken. Fysikere, filosoffer og andre videnskabsmænd har i det mindste spekuleret i sammenhængen mellem kvantemekanik og bevidsthed.

Quantum Mind og Process Mind

Fra bogen The Process Mind. En guide til at forbinde med Guds sind forfatter Mindell Arnold

The Quantum Mind and the Process Mind The Process Mind er en videreudvikling af alt mit tidligere arbejde og i særdeleshed bogen "The Quantum Mind", skrevet for omkring ti år siden. I denne bog diskuterede jeg de kvantelignende egenskaber ved vores psykologi og viste hvordan

ELEKTRONER - KVANTEGAS

Fra bogen Living Crystal forfatter Geguzin Yakov Evseevich

ELEKTRONER - KVANTEGAS I historien om studiet af krystaller i begyndelsen af vores århundrede var der en periode, hvor blandt andet problemet med "elektroner i metal" var meget mystisk, spændende og syntes at være en blindgyde. Døm selv. Eksperimentører, der studerer elektriske egenskaber

Kvante generator

Fra bogen Great Soviet Encyclopedia (KB) af forfatteren TSB

Optisk kvantegenerator

Fra bogen Great Soviet Encyclopedia (OP) af forfatteren TSB Kvante generator - en generel betegnelse for kilder til elektromagnetisk stråling, der virker på grundlag af stimuleret emission af atomer og molekyler.

Afhængigt af hvilken bølgelængde kvantegeneratoren udsender, kan den kaldes forskelligt:

laser (optisk rækkevidde);

maser (mikrobølgeområde);

razer (røntgenområde);

gaser (gamma-område).

I virkeligheden er betjeningen af disse enheder baseret på brugen af Bohrs postulater:

Et atom og atomsystemer kan forblive i lang tid kun i specielle stationære eller kvantetilstande, som hver har en bestemt energi. I en stationær tilstand udsender et atom ikke elektromagnetiske bølger.

Lysemission opstår, når en elektron går fra en stationær tilstand med højere energi til en stationær tilstand med lavere energi. Energien af den udsendte foton er lig med energiforskellen mellem de stationære tilstande.

De mest almindelige i dag er lasere, det vil sige optiske kvantegeneratorer. Ud over børnelegetøj er det blevet udbredt inden for medicin, fysik, kemi, computerteknologi og andre industrier. Lasere er dukket op som en "klar løsning" på mange problemer.

Lad os se nærmere på laserens driftsprincip.

DC4-14

Laser - en optisk kvantegenerator, der skaber en kraftig, snævert rettet sammenhængende monokromatisk lysstråle. (dias 1, 2)

( 1. Spontan og stimuleret emission.

Hvis elektronen er på det lavere niveau, vil atomet absorbere den indfaldende foton, og elektronen vil bevæge sig fra niveau E 1 til niveau E 2 . Denne tilstand er ustabil, elektronspontant vil flytte til niveau E 1 med fotonemission. Spontan emission sker spontant, derfor vil atomet udsende lys inkonsekvent, kaotisk, derfor er lysbølgerne inkonsistente med hinanden hverken i fase, eller i polarisering eller i retning. Dette er naturligt lys.

Men induceret (tvungen) emission er også mulig. Hvis elektronen er i det øverste niveau E 2 (et atom i en exciteret tilstand), når en foton falder, kan der ske en tvungen overgang af en elektron til et lavere niveau ved at udsende en anden foton.

Stråling under overgangen af en elektron i et atom fra et øvre energiniveau til et lavere med emission af en foton under påvirkning af et eksternt elektromagnetisk felt (indfaldende foton) kaldestvunget eller induceret .

Egenskaber ved stimuleret emission:

identisk frekvens og fase af primære og sekundære fotoner;

samme udbredelsesretning;

samme polarisering.

Som følge heraf producerer stimuleret emission to identiske tvillingefotoner.

2. Brug af aktive medier.

Stoffets tilstand i et medium, hvor mindre end halvdelen af atomerne er i en exciteret tilstand, kaldestilstand med normal befolkning af energiniveauer . Dette er en normal tilstand af miljøet.

Et miljø, hvor mere end halvdelen af atomerne er i en exciteret tilstand kaldesaktivt medium med omvendt population af energiniveauer . (dias 9)

I et medium med en omvendt population af energiniveauer forstærkes lysbølgen. Dette er et aktivt miljø.

Forstærkningen af lys kan sammenlignes med væksten af en lavine.

For at opnå det aktive medium anvendes et tre-niveau system.

På tredje niveau lever systemet meget kort, hvorefter det spontant går i tilstand E 2 uden udsendelse af en foton. Overgang fra stat2 i en tilstand 1 ledsaget af udsendelsen af en foton, som bruges i lasere.

Processen med et mediums overgang til en omvendt tilstand kaldespumpet . Oftest bruges lysbestråling (optisk pumpning), elektrisk udladning, elektrisk strøm og kemiske reaktioner til dette. For eksempel, efter at en kraftig lampe blinker, går systemet i en tilstand3 , efter en kort periode i staten2 , som han bor i relativt længe. Dette skaber overbefolkning på niveauet2 .

3. Positiv feedback.

For at gå fra lysforstærkningstilstanden til genereringstilstanden i laseren anvendes feedback.

Feedback udføres ved hjælp af en optisk resonator, som normalt er et par parallelle spejle. (dias 11)

Som et resultat af en af de spontane overgange fra det øverste niveau til det nederste en foton dukker op. Når man bevæger sig mod et af spejlene, forårsager en foton en lavine af fotoner. Efter refleksion fra spejlet bevæger en lavine af fotoner sig i den modsatte retning, hvilket samtidig får flere og flere atomer til at udsende fotoner. Processen vil fortsætte, så længe den eksistereromvendt population niveau

Omvendt population energiniveauer - en ikke-ligevægtstilstand i miljøet, hvor antallet af partikler (atomer, molekyler) placeret på de øvre energiniveauer, dvs. i en exciteret tilstand, er større end antallet af partikler placeret ved de lavere energiniveauer. .

Aktivt element

pumpning

Optisk resonator

Strømme af lys, der bevæger sig i laterale retninger, forlader hurtigt det aktive element uden at have tid til at få væsentlig energi. Lysbølgen, der udbreder sig langs resonatorens akse, forstærkes mange gange. Bunden af spejlene er lavet gennemskinnelig, og derfra går laserbølgen ud i miljøet.

4. Rubinlaser .

Hoveddelen af en rubinlaser errubin stang. Rubin består af atomerAl Og Omed en blanding af atomerCr. Det er chromatomer, der giver rubin dens farve og har en metastabil tilstand.

Et rør af en gasudladningslampe, kaldet pumpe lampe . Lampen blinker kort, og der sker pumpning.

Rubin-laseren fungerer i pulserende tilstand. Der er andre typer lasere: gas, halvleder... De kan fungere i kontinuerlig tilstand.

5. Egenskaber ved laserstråling :

den mest kraftfulde lyskilde;

Solens P = 104 W/cm2, P for laseren = 1014 W/cm2.

enestående monokromaticitet(monokromatiske bølger – rumligt ubegrænsede bølger af en specifik og strengt konstant frekvens) ;

giver en meget lille grad af vinkeldivergens;

sammenhæng ( de der. koordineret forekomst i tid og rum af flere oscillerende eller bølgeprocesser) .

DC3

Til laserdrift

et pumpesystem er påkrævet. Det vil sige, at vi vil give et atom eller et atomsystem noget energi, så vil atomet ifølge Bohrs 2. postulat bevæge sig til et højere niveau med mere energi. Den næste opgave er at returnere atomet til dets tidligere niveau, mens det udsender fotoner som energi.

Med tilstrækkelig lampestyrke overføres de fleste chromioner til en exciteret tilstand.

Processen med at overføre energi til en lasers arbejdslegeme for at omdanne atomer til en exciteret tilstand kaldes pumpning.

Den foton, der udsendes i dette tilfælde, kan forårsage den stimulerede emission af yderligere fotoner, som igen vil forårsage stimuleret emission)

DC15

Det fysiske grundlag for laserdrift er fænomenet. Essensen af fænomenet er, at en exciteret foton er i stand til at udsende under påvirkning af en anden foton uden dens absorption, hvis sidstnævnte er lig med energiforskellen

Maser udsender mikroovn, størrelse - røntgen , og gaser – gammastråling.

DC16

Maser - Kvantegenerator udsender

kohærente elektromagnetiske bølger i centimeterområdet (mikrobølger).

Masere bruges i teknologi (især i rumkommunikation), i fysisk forskning og også som kvantegeneratorer med standardfrekvens.

Hellere (røntgen laser) - en kilde til kohærent elektromagnetisk stråling i røntgenområdet, baseret på virkningen af stimuleret emission. Det er en kortbølge-analog af en laser.

Anvendelser af sammenhængende røntgenstråling omfatter forskning i tæt plasma, røntgenmikroskopi, medicinsk billeddannelse i faseopløsning, udforskning af materialeoverflader og våben. Den bløde røntgenlaser kan fungere som fremdriftslaser.

Arbejdet på gaserområdet er i gang, da der ikke er skabt et effektivt pumpesystem.

Lasere bruges i en hel liste af industrier :

6. Anvendelse af lasere : (dias 16)

i radioastronomi for at bestemme afstande til solsystemets kroppe med maksimal nøjagtighed (lyslokalisering);

metalbearbejdning (skæring, svejsning, smeltning, boring);

i kirurgi i stedet for en skalpel (for eksempel i oftalmologi);

til opnåelse af tredimensionelle billeder (holografi);

kommunikation (især i rummet);

registrering og lagring af information;

i kemiske reaktioner;

til udførelse af termonukleare reaktioner i en atomreaktor;

atomvåben.

Kvantegeneratorer er således gået ind i menneskehedens hverdag, hvilket gør det muligt at løse mange problemer, der var presserende på det tidspunkt.