Sl
Sõltuvalt sellest, millist lainepikkust kvantgeneraator kiirgab, võib seda nimetada erinevalt:
laser (optiline ulatus);
maser (mikrolaineahi);
raseerija (röntgenikiirgus);
gaser (gammavahemik).
Sl
Tegelikkuses põhineb nende seadmete töö Bohri postulaatide kasutamisel:
Aatom ja aatomisüsteemid võivad pikka aega püsida ainult spetsiaalsetes statsionaarsetes või kvantseisundites, millest igaühel on spetsiifiline energia. Statsionaarses olekus aatom elektromagnetlaineid ei kiirga.
Valgusemissioon tekib siis, kui elektron läheb üle suurema energiaga statsionaarsest olekust madalama energiaga statsionaarsesse olekusse. Emiteeritud footoni energia võrdub statsionaarsete olekute energia erinevusega.
Tänapäeval on kõige levinumad laserid, st optilised kvantgeneraatorid. Lisaks laste mänguasjadele on need laialt levinud meditsiinis, füüsikas, keemias, arvutitehnoloogias ja teistes tööstusharudes. Laserid on kujunenud paljude probleemide "valmis lahenduseks".
Vaatame lähemalt laseri tööpõhimõtet.
DC4-14
Laser - optiline kvantgeneraator, mis loob võimsa, kitsalt suunatud koherentse monokromaatilise valgusvihu. (slaidid 1, 2)
( 1. Spontaanne ja stimuleeritud emissioon.
Kui elektron on madalamal tasemel, neelab aatom langeva footoni ja elektron liigub tasemelt E 1 tasemele E 2 . See olek on ebastabiilne, elektronspontaanselt liigub tasemele E 1 footoni emissiooniga. Spontaanne emissioon toimub spontaanselt, seetõttu kiirgab aatom valgust ebajärjekindlalt, kaootiliselt, mistõttu valguslained ei ole üksteisega kooskõlas ei faasis, polarisatsioonis ega suunas. See on loomulik valgus.
Kuid võimalik on ka indutseeritud (sunnitud) emissioon. Kui elektron on ülemisel tasemel E 2 (aatom ergastatud olekus), siis footoni langemisel võib toimuda elektroni sunnitud üleminek madalamale tasemele teise footoni kiirgamise teel.
Sl
Kiirgust aatomis oleva elektroni üleminekul kõrgemalt energiatasemelt madalamale koos footoni emissiooniga välise elektromagnetvälja (incidents footon) mõjul nimetatakse kiirgust.sunnitud või indutseeritud .
Stimuleeritud emissiooni omadused:
primaarsete ja sekundaarsete footonite identne sagedus ja faas;
sama levimissuund;
sama polarisatsioon.
Järelikult tekitab stimuleeritud emissioon kaks identset kaksikfootonit.
Sl
2. Aktiivse meedia kasutamine.
Nimetatakse aine olekut keskkonnas, milles vähem kui pooled aatomitest on ergastatud olekusnormaalse energiatasemega osariik . See on normaalne keskkonnaseisund.
Sl
Nimetatakse keskkonda, milles üle poole aatomitest on ergastatud olekusenergiatasemete pöördpopulatsiooniga aktiivne keskkond
. (slaid 9)
Energiatasemete pöördpopulatsiooniga keskkonnas valguslaine võimendub. See on aktiivne keskkond.
Valguse tugevnemist võib võrrelda laviini kasvuga.
Sl
Aktiivse söötme saamiseks kasutatakse kolmetasandilist süsteemi.
Kolmandal tasemel elab süsteem väga lühidalt, pärast mida läheb spontaanselt olekusse E 2 ilma footoni emissioonita. Üleminek olekust2 olekus 1 millega kaasneb footoni emissioon, mida kasutatakse laserites.
Meediumi pöördseisundisse ülemineku protsessi nimetataksepumbatud . Kõige sagedamini kasutatakse selleks valguskiiritust (optilist pumpamist), elektrilahendust, elektrivoolu ja keemilisi reaktsioone. Näiteks pärast võimsa lambi vilkumist läheb süsteem olekusse3 , pärast lühikest aega osariigis2 , milles ta elab suhteliselt pikka aega. See tekitab tasemel ülerahvastatuse2 .
Sl
3. Positiivne tagasiside.
Valgusvõimendusrežiimilt laseris genereerimisrežiimile üleminekuks kasutatakse tagasisidet.
Tagasiside toimub optilise resonaatori abil, milleks on tavaliselt paralleelpeeglid. (slaid 11)
Ühe spontaanse ülemineku tulemusena ülemisest tasemest madalamale ilmub footon. Ühe peegli poole liikudes põhjustab footon footonite laviini. Pärast peeglist peegeldumist liigub footonite laviin vastupidises suunas, pannes samaaegselt üha rohkemate aatomite footoneid kiirgama. Protsess jätkub seni, kuni see eksisteeribpöördpopulatsioon tasemel
Pöördpopulatsioon energiatasemed - keskkonna mittetasakaaluline olek, kus ülemistel energiatasemetel, st ergastatud olekus paiknevate osakeste (aatomite, molekulide) arv on suurem kui madalamatel energiatasemetel paiknevate osakeste arv. .
Aktiivne element
pumpamine
pumpamine
Optiline resonaator
Külgsuunas liikuvad valgusvood lahkuvad kiiresti aktiivsest elemendist, ilma et neil oleks aega märkimisväärset energiat koguda. Piki resonaatori telge leviv valguslaine võimendub mitmekordselt. Peeglite põhi tehakse poolläbipaistvaks ja sealt läheb laserlaine keskkonda.
Sl
4. Rubiinlaser .
Rubiinlaseri põhiosa onrubiinist varras. Rubiin koosneb aatomitestAl Ja Oaatomite segugaKr. Just kroomiaatomid annavad rubiinile värvi ja neil on metastabiilne olek.
Sl
Gaaslahenduslambi toru, nn pumba lamp . Tuli vilgub korraks ja hakkab pumpama.
Rubiinlaser töötab impulssrežiimis. On ka teist tüüpi lasereid: gaas, pooljuht... Need võivad töötada pidevas režiimis.
Sl
5. Laserkiirguse omadused :
võimsaim valgusallikas;
Päikese P = 10 4 W/cm 2, laseri P = 10 14 W/cm 2 .
erakordne monokromaatilisus (monokromaatilised lained – ühe kindla ja rangelt konstantse sagedusega ruumiliselt piiramatud lained) ;
annab väga väikese nurga lahknemise;
sidusus ( need. mitmete võnke- või laineprotsesside koordineeritud esinemine ajas ja ruumis) .
DC3
Laseroperatsiooniks
pumpamissüsteem on vajalik. See tähendab, et anname aatomile või aatomisüsteemile energiat, siis Bohri 2. postulaadi kohaselt liigub aatom kõrgemale tasemele, kus on rohkem energiat. Järgmine ülesanne on viia aatom tagasi oma eelmisele tasemele, samal ajal kui see kiirgab energiana footoneid.
Piisava lambivõimsuse korral viiakse enamik kroomiioone üle ergastatud olekusse.
Laseri töökehale energia edastamise protsessi aatomite ergastatud olekusse muutmiseks nimetatakse pumpamiseks.
Sel juhul eralduv footon võib põhjustada täiendavate footonite stimuleeritud emissiooni, mis omakorda põhjustab stimuleeritud emissiooni)
DC15
Laseroperatsiooni füüsiline alus on nähtus. Nähtuse olemus seisneb selles, et ergastatud footon on võimeline kiirgama teise footoni mõjul ilma selle neeldumiseta, kui viimane on võrdne energia erinevusega
Maser kiirgab mikrolaine, suurus - röntgen ja gaser - gammakiirgus.
DC16
Maser - kiirgav kvantgeneraator
koherentsed elektromagnetlained sentimeetrivahemikus (mikrolained).
Masereid kasutatakse tehnoloogias (eriti kosmosesides), füüsikalistes uuringutes ja ka standardsagedusega kvantgeneraatoritena.
Sl
Pigem (röntgeni laser) - koherentse elektromagnetilise kiirguse allikas röntgenikiirguse piirkonnas, mis põhineb stimuleeritud emissiooni mõjul. See on laseri lühilaine analoog.
Sl
Koherentse röntgenkiirguse rakendused hõlmavad uurimistööd tiheda plasma alal, röntgenmikroskoopiat, faasieraldusvõimega meditsiinilist pildistamist, materjali pinna uurimist ja relvi. Pehme röntgenlaser võib toimida tõukejõu laserina.
Sl
Töö gaasiväljas käib, kuna tõhusat pumpamissüsteemi pole loodud.
Lasereid kasutatakse paljudes tööstusharudes :
6. Laserite rakendamine : (16. slaid)
raadioastronoomias päikesesüsteemi kehade kauguste määramiseks maksimaalse täpsusega (valguslokaator);
metalli töötlemine (lõikamine, keevitamine, sulatamine, puurimine);
kirurgias skalpelli asemel (näiteks oftalmoloogias);
kolmemõõtmeliste kujutiste saamiseks (holograafia);
side (eriti kosmoses);
teabe salvestamine ja salvestamine;
keemilistes reaktsioonides;
termotuumareaktsioonide läbiviimiseks tuumareaktoris;
tuumarelv.
Sl
Seega on kvantgeneraatorid kindlalt inimkonna igapäevaellu sisenenud, võimaldades lahendada paljusid sel ajal pakitavaid probleeme.
Kvantgeneraatorite ja -võimendite tähendus Collieri sõnaraamatus
KVANTGENERAATORID JA VÕIMENDID
forsseeritud (indutseeritud) kiirguse nähtusel põhinevad elektromagnetlainete generaatorid ja võimendid. Mikrolaine-kvantgeneraatori, mida nimetatakse maseriks (lühend ingliskeelsetest sõnadest Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, mis tähendab "stimuleeritud emissioonist tingitud mikrolainevõimendus"), pakkus 1954. aastal välja Charles Townes. (Sama põhimõte on aluseks optilistel kvantvõimenditel ja lasergeneraatoritel.) Kuna kvantgeneraatori väljundi kiirguse sageduse määravad sellises generaatoris kasutatava aktiivkeskkonna aatomite või molekulide rangelt fikseeritud, diskreetsed energiatasemed, on täpselt määratletud ja püsiv väärtus.
Spontaanne ja stimuleeritud emissioon. Elektromagnetilise kiirguse energia eraldub või neeldub eraldi “osade” kujul, mida nimetatakse kvantideks või footoniteks, ja ühe kvanti energia on võrdne h?, kus h on Plancki konstant ja? - kiirgussagedus. Kui aatom neelab energiakvanti, liigub see kõrgemale energiatasemele, s.t. üks selle elektronidest hüppab tuumast kaugemal asuvale orbiidile. On tavaks öelda, et aatom läheb sel juhul ergastatud olekusse.
Ergastatud olekus sattunud aatom võib oma salvestatud energiat vabastada erineval viisil. Üks võimalik viis on sama sagedusega kvanti spontaanselt emiteerida, misjärel see naaseb algsesse olekusse. See on spontaanse kiirguse (emissiooni) protsess, mis on skemaatiliselt kujutatud joonisel fig. 1, b. Kõrgetel sagedustel, st. Nähtavale valgusele vastavate lühikeste lainepikkuste korral toimub spontaanne emissioon väga kiiresti. Ergastatud aatom, mis on absorbeerinud nähtava valguse footoni, kaotab tavaliselt omandatud energia spontaanse emissiooni kaudu vähem kui ühe miljondiku sekundiga. Spontaanse emissiooni protsess madalamatel sagedustel viibib. Lisaks võib aatom minna mingisse vahepealsesse olekusse, kaotades vaid osa oma energiast tema poolt kiiratava madalama energiaga footoni näol.
On veel üks protsess, mille tõttu ergastatud aatom vabastab selle salvestatud energia. Kui teatud sagedusega kiirgus langeb aatomile (nagu joonisel 1, c), siis see sunnib aatomit kiirgama footoni ja liikuma madalamale tasemele. Seega üks footon saabub ja kaks lahkub. Stimuleeritud emissioon toimub alati sama sagedusega ja sama faasiga kui sissetulev laine ning seetõttu ergastatud aatomist mööda minnes suurendab laine oma intensiivsust.
Niisiis võimendub vastava sagedusega laine, mis läbib keskkonda, milles on ergastatud aatomeid liiga palju, nende aatomite stimuleeritud emissiooni energia tõttu. Kui aga keskkonnas on ergastamata aatomeid, võivad nad laineenergiat neelata. On ilmne, et stimuleeritud emissioonist tulenev võimendus on vastupidine neeldumisele ning ühe protsessi ülekaal teise üle sõltub sellest, millised aatomid on laineteel rohkem – ergastatud või ergastamata.
Asjaolu, et koos spontaanse emissiooniga peab olema ka sunnitud emissioon, postuleeris Albert Einstein 1916. aastal, nõustudes sellega, et kõik kolm protsessi toimuvad – neeldumine, stimuleeritud ja spontaanne emissioon. Statistilistel kaalutlustel tuletas ta valemi, mis kirjeldab aine poolt kiiratava kiirguse sagedusspektrit. Stimuleeritud emissiooni kasutamise elektromagnetlainete generaatorite loomiseks pakkusid välja Charles Townes USA-s ja temast sõltumatult vene füüsikud N. G. Basov ja A. M. Prohhorov. Kõik kolm said selle töö eest Nobeli füüsikaauhinna (1964).
Kvantvõimendi. Nagu eespool mainitud, saab kiirgust võimendada lihtsalt läbi sobiva aktiivse keskkonna. Kasum on aga sageli ebaoluline – umbes 1%. Võimenduse suurendamiseks on vaja hoida kiirgust aktiivse keskkonnaga kauem kontaktis. Selleks saate sulgeda aktiivse keskkonna peegeldavate seintega kambrisse. Seejärel peegeldub põiklaine seinast seina, suurenedes iga läbimisega veidi. Kui see on piisavalt intensiivistunud, saab osa kiirgusest väljundina kambrist välja lasta.
Mikrolaineahju (ülikõrge sagedusega) vahemikus, st. kui lainepikkus on vahemikus 0,1–100 cm, on kaamera mõõtmed tavaliselt lainepikkusega võrreldavad. Kambrit, mis on häälestatud soovitud sagedusele, muutes selle mõõtmeid (selle pikkus peab olema võrdne lainepikkusega), nimetatakse õõnsusresonaatoriks.
Kui kiirguse lainepikkus on ligikaudu 1 mm või vähem, siis on sellist resonaatorit isegi raske valmistada. Küll aga on võimalik teha infrapuna- või lühilainelise nähtava valguse jaoks õõnsusresonaator nii, et selle pikkus oleks lainepikkusest tunduvalt pikem, näiteks kahe paralleelse peegelplaadi kujul (joonis 2). Sellises seadmes jääb plaatidega risti laine, mis peegeldub vaheldumisi peeglitelt, aktiivsesse keskkonda ja kasvab stimuleeritud emissiooni tõttu. Mistahes muus suunas leviv laine väljub resonaatorist kiiresti peaaegu ilma võimenduseta.
See kahe paralleelse plaadi süsteemi suunaline toime on eriti oluline väga lühikese lainepikkusega elektromagnetilise kiirguse kvantgeneraatorite jaoks. Sel juhul peab võimendus aktiivses keskkonnas olema piisavalt suur, et kui laine ühelt plaadilt teisele läheb, kompenseeriks see enam kui paratamatuid kadusid, mida see peeglist peegeldudes kannab. Laine pidev kasv viib peeglite vahes resonants-elektromagnetvõnkumiste tekkeni. Muus suunas levivad lained ei ole piisavalt võimendatud, et kaotusi kompenseerida. Ja kuigi sellise suurusega suletud kamber võiks luua ja säilitada miljoneid erinevat tüüpi vibratsioone ja nende kiiresti muutuvaid kombinatsioone, valib kahe paralleelse plaadi süsteem neist ainult põiklained (ülejäänud on summutatud). Kuna selline süsteem sobib eriti hästi spetsiifilise lühikese lainepikkusega võnkumiste isoleerimiseks, kasutatakse seda laialdaselt infrapuna- ja nähtava valguse vahemiku kvantgeneraatorites – laserites.
Selleks, et osa valgust laseriõõnest välja pääseks, peab üks plaatidest olema poolläbipaistev, s.t. edastades osa sellele langevast valgusest ja peegeldades valgust teiste lainepikkustega. Läbipaistvat plaati läbiv valgus moodustab kitsalt suunatud kiire. Sellise laserseadme pakkusid välja Townes ja A. Shavlov.
Samuti on võimalik kiirgust väljastada ühes peegeldavas seinas oleva väikese augu kaudu. Seda vooluringi kasutatakse sageli sentimeetri lainepikkusega (mikrolaine) kvantostsillaatorites. Laserites ei anna see nii suurt väljundkiire suunatavust.
Aktiivne keskkond. Stimuleeritud emissioonist tingitud resonantsneeldumiseks ja võimendamiseks on vajalik, et laine läbiks materjali, mille aatomid või aatomisüsteemid on "häälestatud" soovitud sagedusele. Teisisõnu peab materjali aatomite energiatasemete erinevus E2 - E1 olema võrdne elektromagnetlaine sagedusega, mis on korrutatud Plancki konstandiga:
Veelgi enam, selleks, et stimuleeritud emissioon võidab neeldumise üle, peab ülemisel energiatasemel olema rohkem aatomeid kui alumisel. Tavaliselt seda ei juhtu. Veelgi enam, mis tahes aatomite süsteem, mis on jäetud piisavalt pikaks ajaks omaette, satub madalal temperatuuril oma keskkonnaga tasakaalu, s.t. jõuab madalaima energiaga olekusse. Kõrgendatud temperatuuridel ergastatakse osa süsteemi aatomeid soojusliikumisest. Lõpmatult kõrgel temperatuuril oleksid kõik kvantolekud võrdselt täidetud. Kuid kuna temperatuur on alati piiratud, on valdav osa aatomitest kõige madalamas olekus ja mida kõrgemad olekud, seda vähem täidetud on. Kui absoluuttemperatuuril T on kõige madalamas olekus n0 aatomit, siis ergastatud olekus olevate aatomite arv, mille energia ületab madalaima oleku energiat koguse E võrra, annab Boltzmanni jaotus:
kus k on Boltzmanni konstant.
Kuna tasakaalutingimustes on madalamates olekutes alati rohkem aatomeid kui kõrgemates, siis sellistes tingimustes domineerib alati pigem neeldumine kui stimuleeritud emissioonist tingitud võimendus. Teatud ergastatud olekus olevate aatomite ülejääki saab luua ja säilitada ainult nende kunstliku ülekandmisega sellesse olekusse ja kiiremini, kui nad termilise tasakaalu taastuvad. Süsteem, milles ergastatud aatomeid on liiga palju, kaldub saavutama termilist tasakaalu ja seda tuleb hoida tasakaalust väljas, luues selles selliseid aatomeid.
Kolmetasandiline kvantgeneraator. Gaaside jaoks ergastatud olekus aatomite ülejäägi tekitamise ja säilitamise meetodi (kolmetasandilise süsteemi meetod) pakkusid välja N. G. Basov ja A. M. Prokhorov ning tahkete materjalide puhul N. Blombergen. Esimese kolmetasandilise kvantvõimendi lõid D. Scoville, J. Feer ja G. Seidel. Kolmetasandiline süsteem on skemaatiliselt esitatud joonisel fig. 3. Esialgu on kõik aatomid madalaimal tasemel E1 ning tasemed E2 ja E3 on tühjad. Tasemete E2 ja E3 vaheline energiakaugus ei ole võrdne tasemete E1 ja E2 vahelise kaugusega. "Pumbatav" lamp või generaator (olenevalt sellest, millisest vahemikust me räägime - optiline või raadiosagedus) toodab kiirgust sagedusega, mis vastab üleminekule alumiselt tasemelt ülemisele. Seda kiirgust neelates aatomid erutuvad ja liiguvad alumiselt tasemelt ülemisele. Kuna algselt pole vahepealsel tasemel E2 aatomeid, siis E3 tasemel on neid rohkem. Kui E3 tasemel on kogunenud piisavalt aatomeid, algab genereerimine sagedusega, mis vastab üleminekule ülemiselt tasemelt vahepealsele. Et kvantgenereerimine toimuks pidevalt, peab E2 tase kiiresti tühjaks saama, s.t. aatomid tuleb sealt eemaldada kiiremini, kui need tekivad E3 taseme stimuleeritud emissiooni tõttu. E2 taset võivad kahandada erinevad protsessid, nagu kokkupõrked teiste aatomitega ja energia ülekandmine kristallvõresse (kui aktiivne keskkond on tahke). Kõikidel juhtudel muundatakse energia soojuseks, seega on seadme jahutamine vajalik.
Pumpamisega ei saa üle poole aatomitest üle viia tasemelt E1 tasemele E3, kuna siis sunnib stimuleeritud emissiooni mõju need tagasi madalamale tasemele. Kui aga kokkupõrgete või muude protsesside tõttu liiguvad E3 taseme aatomid kiiresti E2 tasemele, võib nende pumpamine ülemisele tasemele koos järgneva üleminekuga keskmisele tasemele jätkuda. Nii saab üle poole aatomitest (ja isegi kõik) pumbata E3 tasemele. Siis on kesktasemel aatomeid rohkem kui madalamal ja genereerimine algab üleminekule vastaval sagedusel Kasutatakse nii kolmetasandilise kvantgeneraatori kui ka võimendi mõlemat ahelat ning vastavalt sellele valitakse kas üht-teist. saadaoleva materjali omadused resonantsidega soovitud sagedustel. Üldiselt on soovitav, et aktiivne keskkond, mis vastab kõigile teistele nõuetele, oleks kõrge resonantsiga. Kui sageduse etalonina peaks kasutama kvantgeneraatorit, siis peavad ka resonantsid olema teravad. Sellised resonantsid on iseloomulikud gaasides leiduvate vabade aatomite ja molekulide spektritele. Tahkete materjalide resonants on tavaliselt üsna lai, kuigi kristallides on haruldaste muldmetallide ja siirdemetallide (nt kroom) ioonidel sobiv spekter.Mõnel sellisel materjalil on kõrge ja terav resonants nii mikrolaine- kui optilises vahemikus. Näiteks rubiin (alumiiniumoksiid), milles teatud protsent alumiiniumioone on asendatud kroomiioonidega, võib olla mikrolainevahemikus kolmetasandilise kvantgeneraatori aktiivseks kandjaks. Maiman näitas, et rubiin sobib ka laserite valmistamiseks. Mõlemal juhul kasutatakse kroomiioonide energiataset.
Laser. Laserid on optilised kvantgeneraatorid, mis tekitavad kiirgust spektri nähtavas ja infrapunases piirkonnas (kus lainepikkused on alla 1 mm). Intensiivsuse poolest on sellised generaatorid palju paremad kui kõik muud tüüpi sarnase kiirguse allikad. Lisaks langeb nende väljundkiirgus väga kitsale sagedusribale ja on peaaegu mittedivergentse kiirena. Lisaks saab laserkiire teravustada väga väikesesse kohta, kus valguse võimsustihedus ja elektrivälja tugevus on kolossaalsed võrreldes sellega, mida teised valgusallikad suudavad toota. Väljundkiirgus on peaaegu täielikult monokromaatiline ja, mis veelgi olulisem, koherentne, s.t. täiesti faasisobiv ja vaba tavalise valguse kaootilisest häirest. Vaata ka LASER.
Molekulaarne kvantgeneraator. Gordoni, Zeigeri ja Townesi välja töötatud esimene kvantgeneraator kasutas evakueeritud kambrit, mis sisaldas ammoniaagi molekulide kiirt. Kiire molekulid, mis olid madalama energiaga olekus, eemaldati kiirest, suunates need ebaühtlasesse elektrivälja. Kõrgeima energiaolekuga molekulid fokuseeriti õõnsusresonaatorisse, kus toimus stimuleeritud emissioon (joonis 4).
Molekulaarkiirega kvantgeneraator toodab järsult valitud väljundsagedusega kiirgust. Osaliselt on see tingitud sellest, et kiires on suhteliselt vähe molekule ja nad ei saa üksteist mõjutada. Molekulide väikese arvu tõttu on ka väljundvõimsus väike.
Gaaslahenduslaser. Gaaslahenduslaseri aktiivne keskkond on segu väärisgaasidest, nagu heelium ja neoon. Heeliumi aatomil on pika elueaga ergastatud olek ja sellesse "metastabiilsesse" olekusse ergastunud aatomid ei saa spontaanse emissiooniga oma ergastusenergiat ära anda. Kuid nad võivad selle aatomite kokkupõrgetes üle kanda ergastamata neoonaatomitele. Pärast sellist kokkupõrget satub heeliumi aatom põhiolekusse ja neooni aatom ergastatud olekusse. Tekkimine toimub sunnitud üleminekute tõttu sellelt energiatasemelt neoonaatomite tühjale madalamale tasemele.
Rakendus. Võimenditena ja generaatoritena kasutatakse kvantelektroonilisi seadmeid, mille aktiivkandjateks on aatom- ja molekulaarsüsteemid. Madalamatel sagedustel täidavad selliseid funktsioone vaakumtorud ja transistorid. Pole üllatav, et kvantelektrooniliste seadmete perekond võib juba konkureerida vanemate elektroonikaseadmete arvu ja mitmekesisusega. Kvantelektroonikaseadmed on leidnud mitmeid rakendusi, mille jaoks teised elektroonikaseadmed halvasti või üldse ei sobi. Need on madala müratasemega mikrolainevõimendite funktsioonid, primaarsagedus- ja ajastandardid, samuti infrapuna- ja nähtava kiirguse generaatorid ja võimendid.
Madala müratasemega mikrolainevõimendid. Võimendi eesmärk on võimendada nõrku signaale ilma neid moonutamata või müra tekitamata (kaootiline komponent). Elektroonilised võimendid lisavad signaalile alati oma müra. Äärmiselt nõrkade raadiosignaalidega tegelemisel on oluline, et võimendi tekitaks võimalikult vähe müra. Need on taevaobjektidelt vastuvõetud raadiosignaalid ja pika vahemaa kaugusel asuvatelt objektidelt peegelduvad radarisignaalid. Nendel kahel juhul vaadeldakse signaali vastu taevast, mis tekitab ainult väikest müra. See võimaldab tuvastada väga nõrga signaali, kui seda ei varja vastuvõtja enda müra. Tavalised võimendid ei vasta sellise ülesande nõuetele ja appi tulevad kvantvõimendid, mis ei too peaaegu üldse müra. Asendades vastuvõtja sisendis oleva vaakumlamp võimendi kvantvõimendiga, saate mikrolainealas ressiiveri tundlikkust sada korda suurendada. Kvantvõimenditega mikrolainevastuvõtjad on nii tundlikud, et suudavad tuvastada teiste planeetide soojuskiirgust ja määrata nende pinna temperatuuri.
Sagedusstandardid ja aatomkellad. Aatomid ja aatomisüsteemid, nagu juba mainitud, suudavad kiirgust neelata ja emiteerida ainult teatud kindlatel sagedustel või lainepikkustel. Need resonantsid on sageli kujundatud piikide kujul, võimaldades nende sagedust suure täpsusega mõõta. Vastavad sagedused on iseloomulikud teatud aatomitele ja molekulidele ning erinevalt inimese loodud standarditest ei muutu ajas. Seetõttu võivad sellised resonantsid olla sageduse, lainepikkuse ja aja standardid. Välise elektroonilise ostsillaatori sageduse kalibreerimist saab kontrollida isegi neeldumisresonantsi suhtes. Kvantgeneraatorid toodavad otse võrdlussagedusega kiirgust. Kui kvantgeneraator on õigesti konfigureeritud, on selle väljundi sagedus konstantne. Seda saab kasutada täppiskella või keerukama seadme edenemise jälgimiseks, mis on mõeldud ajavahemike suure täpsusega mõõtmiseks. Ühe kõige täpsema kvantgeneraatori aktiivne keskkond on aatomvesinik (süsteem sarnaneb ammoniaagi molekulaarkiirega esimese kvantgeneraatori - maseri - konstruktsiooniga). Selle sageduse täpsus on 10–10%, mis vastab "taktisageduse" veale, mis on võrdne ühe sekundiga 30 000 aasta jooksul.
Collier. Collieri sõnaraamat. 2012
Vaata ka sõna tõlgendusi, sünonüüme, tähendusi ja seda, mis on KVANTEGERATORID JA VÕIMENDID vene keeles sõnaraamatutes, entsüklopeediates ja teatmeteostes:
- KVANT
KVANTARVUD, täis- või murdarvud, mis määratlevad võimalikud diskreetsed füüsilised väärtused. kvantsüsteeme iseloomustavad suurused (aatomituum, aatom, molekul ja... - KVANT Suures vene entsüklopeedilises sõnastikus:
QUANTUM CLOCK (aatomkell), aja mõõtmise seade, mis sisaldab kvartsostsillaatorit, mida juhib kvantsagedusstandard. "Pendi" roll kosmoses ... - KVANT Suures vene entsüklopeedilises sõnastikus:
QUANTUM FREQUENCY STANDARDS, seadmed võnkesageduse täpseks mõõtmiseks, põhi. kvantüleminekute sageduse mõõtmise kohta (mikrolaine- ja optilistes spektrites) ... - KVANT Suures vene entsüklopeedilises sõnastikus:
KVANTSIIRED, kvantsüsteemi (aatom, molekul, aatomituum, kristall) järsud üleminekud ühest võimalikust olekust ... - KVANTELEKTROONIKA
elektroonika, füüsika valdkond, mis uurib stimuleeritud emissiooni mõju kasutamisel põhinevaid elektromagnetiliste võnkumiste võimendamise ja genereerimise meetodeid, samuti omadusi ... - ELEKTRIMASINA GENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID: ALalisvoolugeneraatorid Collieri sõnaraamatus:
Artiklile ELEKTRIMASINATE GENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID Teooria. Joonisel fig. 1a näitab traadi abcd pööret, mis pöörleb ümber telje päripäeva ... - ELEKTRIGENERAATORID: SÜNKROONSED VALDUVVOOLU GENERAATORID Collieri sõnaraamatus:
Artiklile ELEKTRIMASINA GENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID Nagu juba mainitud, indutseeritakse pidevas magnetväljas pöörlevas traadi mähises vahelduv EMF. ... - KVANTSAGEDUSE STANDARDID
- NSV Liit. TEHNIKATEADUSED Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
teadus Lennundusteadus ja -tehnoloogia Revolutsioonieelsel Venemaal ehitati mitmeid originaalse disainiga lennukeid. Ya. M. lõi oma lennukid (1909-1914) ... - NSV Liit. KIRJANDUS JA KUNST Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
ja kunst Kirjandus Rahvusvaheline nõukogude kirjandus kujutab endast kvalitatiivselt uut etappi kirjanduse arengus. Kindla kunstilise tervikuna, mida ühendab ühtne sotsiaal-ideoloogiline... - RAADIO MÕÕTMISED Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
raadiotehniliste seadmete tööd iseloomustavate elektriliste, magnetiliste ja elektromagnetiliste suuruste ja nende seoste mõõtmised sagedusvahemikus infrahelist ülikõrgeteni. ... - DC MASIN Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
voolumasin, elektrimasin, milles mehaaniline energia muundatakse alalisvoolu elektrienergiaks (generaator) või pöördmuundamiseks (mootor). ... - KVANTSILEMINEKUD Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
kvant, vt Kvantüleminekud... - PARAMEETRILISED VALGUSE GENERAATORID Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
valgusgeneraatorid, koherentse optilise kiirguse allikad, mille põhielemendiks on mittelineaarne kristall, milles fikseeritud sagedusega võimas valguslaine on parameetriliselt ... - MOLEKULAARGENERAATOR Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
generaator, seade, milles molekulide sunnitud kvantüleminekute tõttu algsest energiaolekust olekusse genereeritakse koherentsed elektromagnetilised võnkumised ... - KVANTNUMBRID Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
arvud, täisarvud (0, 1, 2,...) või pooltäisarvud (1/2, 3/2, 5/2,...) arvud, mis määratlevad kvanti iseloomustavate füüsikaliste suuruste võimalikud diskreetsed väärtused. .. - KVANTSAGEDUSE STANDARDID Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
sagedusstandardid, seadmed, mis kasutavad kvant... - KVANTSILEMINEKUD Suures Nõukogude Entsüklopeedias, TSB:
üleminekud, kvantsüsteemi (aatom, molekul, aatomituum, tahke) järsud üleminekud ühest olekust teise. Kõige olulisemad on K... - KVANTIKELL
- KVANTSAGEDUSE STANDARDID kaasaegses entsüklopeedilises sõnastikus:
- KVANTSILEMINEKUD kaasaegses entsüklopeedilises sõnastikus:
kvantsüsteemi (aatom, molekul, aatomituum, kristall) järsud üleminekud ühest võimalikust olekust teise. Kvantüleminekud võivad olla kiirgavad... - KVANTIKELL
(aatomkell), aja mõõtmise seade, mis sisaldab sagedusstandardiga juhitavat kvartsostsillaatorit. "Pendi" rolli kvantkellas mängivad aatomid. Sagedus... - KVANTSAGEDUSE STANDARDID entsüklopeedilises sõnastikus:
seadmed kiirgussageduse täpseks mõõtmiseks aatomite, ioonide või molekulide kvantülemineku ajal (mikrolaine- ja optilistes spektrites) - ELEKTRIGENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID: DC ELEKTRIMOOTORID Collieri sõnaraamatus:
Artiklile ELEKTRIMASINA GENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID Alalisvoolugeneraatorid töötavad mootoritena rahuldavalt ja samade nimiparameetritega ei ... - ELEKTRIMASINATE GENERAATORID JA ELEKTRIMOOTORID Collieri sõnaraamatus:
pöörlevad masinad, mis muudavad kas mehaanilise energia elektrienergiaks (generaatorid) või elektrienergia mehaaniliseks energiaks (mootorid). Generaatorite töö põhineb põhimõttel... - KVANTSAGEDUSE STANDARDID TSB kaasaegses seletavas sõnastikus:
seadmed vibratsiooni sageduse täpseks mõõtmiseks, mis põhinevad aatomite, ioonide või ... - ARMAGEDDON mängude, programmide, seadmete, filmide, lihavõttemunade saladuste kataloogis:
1. Filmimise ajal sai režissöör Michael Bay loa filmimiseks NASA kinnistul mitmes kohas. Vaadake kosmoselaevade õhkutõusmise stseeni... - KOHUTAV väljaandes Encyclopedia Galactica of Science Fiction Literature:
Moraalivõimendid, 16. ja järgnevate põlvkondade nobedate meeste moraalikaitsjad; takistada kuritegelike ja teisitimõtlevate elementide poolt tehtud šustraid mersifitseerida (kretiniseerida), ... - FERROMAGNETRESONANTS Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
ferromagneti poolt elektromagnetvälja energia selektiivne neeldumine sagedustel (tavaliselt raadioalas), mis langevad kokku ferromagneti magnetmomendi pretsessiooni loomuliku sagedusega (vt Larmore ... - VÕIMEND Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
tehnikas - seade, milles signaali (löögi) energiaparameetreid suurendatakse, kasutades abiallika energiat. Vastavalt… - TERMOELEKTRILINE MÕÕTESEADME Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
kasutatakse voolu (harvemini pinge ja võimsuse) mõõtmiseks; on magnetoelektriline mõõteseade, mis mõõdab termomuunduri elektromotoorjõudu, soojendab ... - SUMMAPLOKK Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
analoogarvutusseade, mille väljund annab väärtuse, mis on võrdeline sisendväärtuste summaga. Elektroonilised summeerimisplokid on AVM-ide osana kõige levinumad... - RAADIO Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
koos antenniga (välise või sisseehitatud) kasutatakse seda raadiosignaalide vastuvõtmiseks. Näited: saatevastuvõtja, televiisor, radarraadio. Peamised elemendid: sageduse valik… - MITTELINEAARNE FUNKTSIOONIPLOK Suures entsüklopeedilises sõnastikus:
(arvutitehnoloogias) AVM-sõlm, mille väljundsignaal on antud mittelineaarse seosega seotud sisendsignaaliga. Lineaarse funktsionaalse sõltuvusega seadmed on...
Raadioulatuses olevate kvantvõimendite ja ostsillaatorite väljatöötamisel ja uurimisel saavutatud õnnestumised olid aluseks stimuleeritud emissioonil põhineva valguse võimendamise ja genereerimise ettepaneku elluviimisel ning viisid optilise vahemiku kvantostsillaatorite loomiseni. Optilised kvantostsillaatorid (OQO) ehk laserid on ainsad võimsa monokromaatilise valguse allikad. Aatomisüsteemide abil valguse võimendamise põhimõtte pakkus esmakordselt välja 1940. aastal V.A. Tootja. Põhjenduse optilise kvantgeneraatori loomise võimalikkusele andsid aga alles 1958. aastal C. Townes ja A. Shavlov, tuginedes saavutustele raadioulatuse kvantseadmete arendamisel. Esimene optiline kvantgeneraator valmis 1960. aastal. See oli laser, mille tööaineks oli rubiinkristall. Populatsiooni inversiooni loomine selles viidi läbi kolmetasandilise pumpamise meetodil, mida tavaliselt kasutatakse paramagnetilistes kvantvõimendites.
Praeguseks on välja töötatud palju erinevaid optilisi kvantgeneraatoreid, mis erinevad tööainete (kasutatakse kristalle, klaase, plastmassi, vedelikke, gaase, pooljuhte) ja populatsiooni inversiooni tekitamise meetodite (optiline pumpamine, tühjendamine gaasides, keemilised reaktsioonid jne) poolest. . ).
Olemasolevate optiliste kvantgeneraatorite kiirgus katab lainepikkuste vahemikku ultraviolettkiirgusest millimeeterlainetega külgneva spektri infrapunapiirkonnani. Sarnaselt raadioulatuses olevale kvantgeneraatorile koosneb optiline kvantgeneraator kahest põhiosast: töötavast (aktiivsest) ainest, milles ühel või teisel viisiltekib populatsioonide inversioon ja resonantssüsteem (joon. 62). Viimastena kasutatakse laserites Fabry-Perot interferomeetri tüüpi avatud resonaatoreid, mis on moodustatud kahe üksteisest eemal asuva peegli süsteemiga.
Töötav aine suurendab optilist kiirgust aktiivsete osakeste indutseeritud emissiooni tõttu. Resonantssüsteem, mis põhjustab tekkiva optiliselt indutseeritud kiirguse korduvat läbimist läbi aktiivse keskkonna, määrab välja efektiivse interaktsiooni sellega. Kui vaadelda laserit isevõnkuva süsteemina, siis resonaator annab positiivse tagasiside tulemusena osa peeglite vahel levivast kiirgusest tagasi aktiivkeskkonda. Võnkumiste esinemiseks peab aktiivsest keskkonnast saadud laseri võimsus olema võrdne resonaatoris kaotatud võimsusega või ületama seda. See on samaväärne tõsiasjaga, et genereerimislaine intensiivsus pärast võimendusmeediumi läbimist, peegeldumine peeglitelt -/ ja 2, naasmine algsele ristlõikele peab jääma muutumatuks või ületama algväärtust.
Aktiivse keskkonna läbimisel laine intensiivsus 1^ muutub vastavalt eksponentsiaalseadusele (eirates küllastust) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ] ja peeglist peegeldudes muutub see sisse Güks kord ( T - koefitsient. peegelpeegeldus), seetõttu võib genereerimise tingimuse kirjutada järgmiselt
Kus L - töötava aktiivse keskkonna pikkus; r 1 ja r 2 - peeglite 1 ja 2 peegeldustegurid; a u on aktiivse keskkonna võimendus; b 0 - sumbumiskonstant, võttes arvesse tööaine energiakadusid ebahomogeensuse ja defektide hajumise tagajärjel.
I. Optiliste kvantgeneraatorite resonaatorid
Nagu märgitud, on resonantslasersüsteemid avatud resonaatorid. Praegu kasutatakse enim avatud resonaatoreid lamedate ja sfääriliste peeglitega. Avatud resonaatorite iseloomulik tunnus on see, et nende geomeetrilised mõõtmed on mitu korda suuremad kui lainepikkus. Sarnaselt mahulistele avatud resonaatoritele on neil oma tüüpi võnkumiste komplekt, mida iseloomustab teatud väljajaotus neid ja oma sagedused. Avatud resonaatori loomulikud võnketüübid on väljavõrrandi lahendused, mis rahuldavad peeglite piirtingimusi.
Õõnsusresonaatorite arvutamiseks on mitu meetodit, mis võimaldavad leida oma vibratsioonitüüpe. Avatud resonaatorite range ja täielikum teooria on antud L.A.Vaivesteini töödes.* Visuaalne meetod avatud resonaatorite võnkumiste tüüpide arvutamiseks töötati välja A. Foxi ja T. Lee töödes.
| (113) |
Seda kasutatakse selles. numbriline arvutus, mis simuleerib peeglitelt korduva peegelduse tulemusena resonaatoris võnketüüpide tuvastamise protsessi. Esialgu seatakse ühe peegli pinnale suvaline väljajaotus. Seejärel arvutatakse Huygensi põhimõtet kasutades välja väljajaotus teise peegli pinnal. Õpitud jaotus võetakse algseks ja arvutust korratakse. Pärast mitmekordset peegeldust kaldub välja amplituudi ja faasi jaotus peegli pinnal statsionaarsele väärtusele, s.t. iga peegli väli taastoodab end muutumatuna. Saadud väljajaotus esindab avatud resonaatori normaalset võnketüüpi. A. Foxi ja T. Lee arvutus põhineb järgmisel Kirchhoffi valemil, mis on Huygensi printsiibi matemaatiline väljend, mis võimaldab leida vaatluspunktis põhja. A antud välja poolt mingil pinnal Sb
kus Eb on väli pinna S punktis B b; k- laine number; R - punktide vaheline kaugus A Ja IN; K - nurk punkte ühendava joone vahel A Ja IN, ja normaalne pinna Sb suhtes
Läbimiste arvu suurenedes kaldub peeglite voolukiirus liikumatult jaotuma, mida saab esitada järgmiselt:
Kus V(x ,у) - jaotusfunktsioon, mis sõltub peeglite pinnal olevatest koordinaatidest ja ei muutu peegeldusest peegelduseks;
y on ruumikoordinaatidest sõltumatu komplekskonstant.
Valemi (112) asendamine avaldisega (III). saame integraalvõrrandi
Sellel on lahendus ainult teatud väärtuste jaoks [Gamma] = [gamma min.] omaväärtused, Vmn funktsioonid , rahuldades integraalvõrrandit, iseloomustage resonaatori erinevat tüüpi võnkumiste välja struktuuri, mida nimetatakse nn. põiki vibratsioone ja neid nimetatakse seda tüüpi vibratsioonideks TEMmn Sümbol TEM näitab, et resonaatori sees olevad veed on lähedased risti elektromagnetilisele, st. millel puuduvad laine levimissuunas väljakomponendid. Indeksid m ja n tähistavad välja suuna muutuste arvu piki peegli külgi (ristkülikukujuliste peeglite puhul) või piki nurka ja piki raadiust (ümmarguste peeglite puhul). Joonisel 64 on näidatud ümmarguste peeglitega avatud resonaatorite kõige lihtsamate põikisuunaliste võnkumiste elektrivälja konfiguratsioon. Avatud resonaatorite sisemisi võnketüüpe ei iseloomusta mitte ainult välja ristsuunaline jaotus, vaid ka selle jaotus piki resonaatorite telge, mis on seisulaine ja erineb piki välja sobivate poollainete arvu poolest. resonaatori pikkus. Selle arvessevõtmiseks lisatakse vibratsioonitüüpide määramisse kolmas indeks A, mis iseloomustab poollainete arvu, mis sobivad piki resonaatori telge.
Tahkis-optilised kvantgeneraatorid
Tahkis-optilistes kvantostsillaatorites või tahkislaserites kasutatakse aktiivse võimenduskeskkonnana kristalle või amorfseid dielektrikuid. Tööosakesed, mille energiaolekute vahelised üleminekud määravad genereerimise, on reeglina perioodilise tabeli siirderühmade aatomite ioonid, kõige sagedamini on ioonid Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+. kasutatud. Aktiivsed osakesed moodustavad osad või protsendiühikud töökeskkonna aatomite koguarvust, nii et need näivad moodustavat nõrga kontsentratsiooniga "lahuse" ja seetõttu suhtlevad nad üksteisega vähe. Kasutatavad energiatasemed on töötavate osakeste tasemed, mida poolitavad ja laiendavad tahke aine tugevad ebahomogeensed siseväljad. Kõige sagedamini kasutatakse aktiivse võimenduskeskkonna alusena korundi (Al2O3) ja ütrium-alumiiniumgranaadi kristalle. YAG(Y3Al5O12), erinevat marki klaasi jne.
Populatsiooni inversioon tahkislaserite tööaines luuakse paramagnetiliste võimenditega sarnase meetodiga. See viiakse läbi optilise pumpamise abil, st. aine kokkupuude suure intensiivsusega valguskiirgusega.
Nagu uuringud näitavad, kirjeldavad enamikku praegu olemasolevatest tahkislaserites kasutatavatest aktiivsetest kandjatest rahuldavalt kaks peamist idealiseeritud energiat. skeemid: kolme- ja neljatasandiline (joonis 71).
 |
Vaatleme esmalt kolmetasandilise skeemi abil kirjeldatud meetodit populatsiooni inversiooni tekitamiseks meedias (vt joonis 71, a). Tavaolukorras on asustatud ainult alumine põhitase 1 (tasanditevaheline energiakaugus on oluliselt suurem kui kT), kuna üleminekud 1->2 ja 1->3) kuuluvad optilisse vahemikku. Üleminek 2. ja 1. taseme vahel toimib. Tase 3 abiseade ja seda kasutatakse töötava tasemepaari inversiooni loomiseks. Sellel on tegelikult suur hulk lubatud energiaväärtusi, mis on tingitud tööosakeste interaktsioonist kristallisiseste väljadega.
Kvantgeneraatorid kasutavad elektromagnetiliste võnkumiste tekitamiseks mikrosüsteemide – aatomite, molekulide, ioonide – siseenergiat.
Kvantgeneraatoreid nimetatakse ka laseriteks. Sõna laser koosneb kvantgeneraatorite ingliskeelse nimetuse algustähtedest – stimuleeritud kiirgust tekitav valgusvõimendi.
Kvantgeneraatori tööpõhimõte on järgmine. Aine energeetilise struktuuri käsitlemisel näidati, et mikroosakeste (aatomite, molekulide, ioonide, elektronide) energia muutus ei toimu pidevalt, vaid diskreetselt – osadena, mida nimetatakse kvantideks (ladina keelest quantim – kogus).
Mikrosüsteeme, milles elementaarosakesed omavahel suhtlevad, nimetatakse kvantsüsteemideks.
Kvantsüsteemi üleminekuga ühest energiaolekust teise kaasneb elektromagnetilise energia kvanti kiirgamine või neeldumine hv: E 2 - Ei=hv, Kus E 1 Ja E 2 - energia olekud: h - Plancki konstant; v - sagedus.
Teatavasti on iga süsteemi, sealhulgas aatomi ja molekuli kõige stabiilsem olek madalaima energiaga olek. Seetõttu kipub iga süsteem hõivama ja säilitama madalaima energiaga oleku. Järelikult liigub elektron normaalses olekus tuumale lähimal orbiidil. Seda aatomi olekut nimetatakse maapealseks või statsionaarseks.
Väliste tegurite – küte, valgustus, elektromagnetväli – mõjul võib aatomi energiaseisund muutuda.
Kui näiteks vesiniku aatom interakteerub elektromagnetväljaga, neelab see energiat E 2 -E 1 = hv ja selle elektron liigub kõrgemale energiatasemele. Seda aatomi olekut nimetatakse ergastatud. Aatom võib sellesse jääda väga lühikest aega, mida nimetatakse ergastatud aatomi elueaks. Pärast seda naaseb elektron madalamale tasemele, st põhistabiilsesse olekusse, loobudes liigsest energiast emiteeritud energiakvanti - footoni kujul.
Elektromagnetilise energia emissiooni kvantsüsteemi üleminekul ergastatud olekust põhiolekusse ilma välismõjuta nimetatakse spontaanseks või spontaanseks. Spontaanse emissiooni korral kiirgavad footonid juhuslikul ajal, suvalises suunas, suvalise polarisatsiooniga. Sellepärast nimetatakse seda ebajärjekindlaks.
Välise elektromagnetvälja mõjul saab elektron aga tagasi madalamale energiatasemele juba enne, kui ergastatud olekus aatomi eluiga läbi saab. Kui ergastatud aatomile mõjuvad näiteks kaks footonit, siis teatud tingimustel naaseb aatomi elektron madalamale tasemele, kiirgades välja kvanti footoni kujul. Sel juhul on kõigil kolmel footonil ühine faas, kiirguse suund ja polarisatsioon. Selle tulemusena suureneb elektromagnetkiirguse energia.
Elektromagnetilise energia emissiooni kvantsüsteemi poolt, kui selle energiatase välise elektromagnetvälja mõjul väheneb, nimetatakse sunnitud, indutseeritud või stimuleeritud.
Indutseeritud kiirgus langeb sageduse, faasi ja suuna poolest kokku välise kiirgusega. Seetõttu nimetatakse sellist kiirgust koherentseks (koherents - ladinakeelsest sõnast cogerentia - sidusus, ühendus).
Kuna välisvälja energiat ei kulutata süsteemi ülemineku stimuleerimisele madalamale energiatasemele, siis elektromagnetväli võimendub ja selle energia suureneb emiteeritud kvanti energia väärtuse võrra. Seda nähtust kasutatakse kvantseadmete abil võnkumiste võimendamiseks ja genereerimiseks.
Praegu valmistatakse lasereid pooljuhtmaterjalidest.
Pooljuhtlaser on pooljuhtseade, milles elektrienergia muudetakse optilises vahemikus otse kiirgusenergiaks.
Et laser töötaks ehk laser tekitaks elektromagnetilisi võnkumisi, on vaja, et selle aines oleks rohkem ergastatud osakesi kui ergastamata osakesi.
Kuid pooljuhi normaalses olekus on kõrgematel energiatasemetel igal temperatuuril elektronide arv väiksem kui madalamatel tasemetel. Seetõttu neelab pooljuht normaalses olekus elektromagnetilist energiat.
Elektronide olemasolu teatud tasemel nimetatakse taseme populatsiooniks.
Pooljuhi olekut, milles kõrgemal energiatasemel on rohkem elektrone kui madalamal tasemel, nimetatakse populatsiooni inversiooni olekuks. Pööratud populatsiooni saab luua mitmel viisil: kasutades laengukandjate süstimist p-n-siirde otsesel sisselülitamisel, kiiritades pooljuhti valgusega jne.
Populatsiooni inversiooni tekitav energiaallikas teostab tööd, kandes energiat ainele ja seejärel elektromagnetväljale. Pööratud populatsiooniga pooljuhis võib saada stimuleeritud emissiooni, kuna see sisaldab suurt hulka ergastatud elektrone, mis võivad oma energiast loobuda.
Kui ümberpööratud populatsiooniga pooljuhti kiiritada elektromagnetvõnkudega, mille sagedus on võrdne energiatasemete vahelise üleminekusagedusega, siis ülemise tasandi elektronid on sunnitud liikuma alumisele tasemele, kiirgades footoneid. Sel juhul tekib stimuleeritud koherentne emissioon. See on täiustatud. Luues sellises seadmes positiivse tagasiside ahela, saame laseri - optilises vahemikus elektromagnetiliste võnkumiste iseostsillaatori.
Laserite valmistamiseks kasutatakse kõige sagedamini galliumarseniidi, millest valmistatakse mõne kümnendiku millimeetri pikkuste külgedega kuubik.
Peatükk 4. SAATJA SAGEDUSE STABILISEERIMINE
Kvantgeneraator
Kvantgeneraator– aatomite ja molekulide stimuleeritud emissiooni alusel töötavate elektromagnetkiirguse allikate üldnimetus. Sõltuvalt sellest, millist lainepikkust kvantgeneraator kiirgab, võib seda nimetada erinevalt: laser, maser, razer, gaser.
Loomise ajalugu
Kvantgeneraator põhineb A. Einsteini välja pakutud stimuleeritud emissiooni printsiibil: kui kvantsüsteem on ergastatud ja samal ajal toimub kvantüleminekule vastava sagedusega kiirgus, on süsteemis hüppe tõenäosus a. madalam energiatase tõuseb võrdeliselt juba olemasolevate kiirgusfootonite tihedusega. Võimalusele luua selle põhjal kvantgeneraator juhtis tähelepanu nõukogude füüsik V. A. Fabrikant 40ndate lõpus.
Kirjandus
Landsberg G.S. Füüsika algõpik. Köide 3. Võnkumised ja lained. Optika. Aatomi- ja tuumafüüsika. - 1985.
Herman J., Wilhelmi B. "Laserid ülilühikeste valgusimpulsside genereerimiseks" - 1986.
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
- Notker kokutaja
- Resüntees
Vaadake, mis on "kvantgeneraator" teistes sõnaraamatutes:
KVANTGENERAATOR- elektrigeneraator mag. lained, mille puhul kasutatakse stimuleeritud emissiooni fenomeni (vt KVANTELEKTRONIKA). Näiteks raadiosagedusala, aga ka kvantvõimendi, nn. maser. Esimene K. g. loodi mikrolaineahjus 1955. aastal. Selles sisalduv aktiivne keskkond ... Füüsiline entsüklopeedia
KVANTGENERAATOR– koherentse elektromagnetkiirguse allikas, mille toime põhineb aatomite, ioonide ja molekulide poolt stimuleeritud footonite emissioonil. Raadiopiirkonnas olevaid kvantgeneraatoreid nimetatakse maseriteks, optilises piirkonnas kvantgeneraatoriteks... ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
kvantgeneraator- koherentse kiirguse allikas, mis põhineb stimuleeritud emissiooni ja tagasiside kasutamisel. Märkus Kvantgeneraatorid jagunevad vastavalt toimeaine tüübile, ergastusmeetodile ja muudele omadustele, näiteks kiir, gaas... Tehniline tõlkija juhend
KVANTGENERAATOR- monokromaatilise koherentse elektromagnetkiirguse allikas (optiline või raadioulatus), mis töötab ergastatud aatomite, molekulide, ioonide stimuleeritud emissiooni alusel. Gaasid, kristalsed... Suur polütehniline entsüklopeedia
kvantgeneraator- seade koherentse elektromagnetkiirguse tekitamiseks. Koherents on mitmete võnke- või laineprotsesside koordineeritud toimumine ajas ja ruumis, mis avaldub näiteks nende liitmisel. häirete korral... Tehnoloogia entsüklopeedia
kvantgeneraator– koherentse elektromagnetkiirguse allikas, mille toime põhineb aatomite, ioonide ja molekulide poolt stimuleeritud footonite emissioonil. Raadiopiirkonnas olevaid kvantgeneraatoreid nimetatakse maseriteks, optilises piirkonnas kvantgeneraatoriteks ... ... entsüklopeediline sõnaraamat
kvantgeneraator- kvantinis generatorius statusas T valdkond Standartiseerimine ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. vastavusmenys: engl. kvant...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
kvantgeneraator- kvantinis generatorius statusas T valdkond fizika atitikmenys: engl. kvantgeneraator vok. Quantengenerator, m rus. kvantgeneraator, m pranc. oscillateur quantique, m … Fizikos terminų žodynas
Kvantgeneraator- elektromagnetlainete generaator, mis kasutab stimuleeritud emissiooni fenomeni (vt Stimuleeritud emissioon) (vt Kvantelektroonika). Näiteks ülikõrgete sageduste raadiovahemik (mikrolaineahi), samuti selle kvantvõimendi ... ... Suur Nõukogude entsüklopeedia