Penjana kuantum - nama umum untuk sumber sinaran elektromagnet yang beroperasi berdasarkan pelepasan rangsangan atom dan molekul.

Sl

Bergantung pada panjang gelombang yang dikeluarkan oleh penjana kuantum, ia boleh dipanggil secara berbeza:

laser (julat optik);

maser (julat gelombang mikro);

razer (julat sinar-X);

gaser (julat gamma).

Sl

Pada hakikatnya, operasi peranti ini adalah berdasarkan penggunaan postulat Bohr:

Sistem atom dan atom hanya boleh kekal lama dalam keadaan pegun atau kuantum khas, yang setiap satunya mempunyai tenaga tertentu. Dalam keadaan pegun, atom tidak memancarkan gelombang elektromagnet.

Pelepasan cahaya berlaku apabila elektron beralih daripada keadaan pegun dengan tenaga yang lebih tinggi kepada keadaan pegun dengan tenaga yang lebih rendah. Tenaga foton yang dipancarkan adalah sama dengan perbezaan tenaga antara keadaan pegun.

Yang paling biasa hari ini ialah laser, iaitu, penjana kuantum optik. Sebagai tambahan kepada mainan kanak-kanak, mereka telah meluas dalam bidang perubatan, fizik, kimia, teknologi komputer dan industri lain. Laser telah muncul sebagai "penyelesaian sedia" kepada banyak masalah.

Mari kita lihat lebih dekat prinsip operasi laser.

DC4-14

Laser - penjana kuantum optik yang mencipta pancaran cahaya monokromatik koheren yang kuat dan sempit. (slaid 1, 2)

( 1. Pelepasan spontan dan dirangsang.

Jika elektron berada pada tahap yang lebih rendah, maka atom akan menyerap foton kejadian, dan elektron akan bergerak dari tahap E. 1 hingga tahap E 2 . Keadaan ini tidak stabil, elektronsecara spontan akan bergerak ke tahap E 1 dengan pelepasan foton. Pembebasan spontan berlaku secara spontan, oleh itu, atom akan mengeluarkan cahaya secara tidak konsisten, huru-hara, oleh itu gelombang cahaya tidak konsisten antara satu sama lain sama ada dalam fasa, mahupun dalam polarisasi, mahupun dalam arah. Ini adalah cahaya semula jadi.

Tetapi pelepasan teraruh (terpaksa) juga mungkin. Jika elektron berada di tingkat atas E 2 (atom dalam keadaan teruja), maka apabila foton jatuh, peralihan paksa elektron ke tahap yang lebih rendah dengan memancarkan foton kedua boleh berlaku.

Sl

Sinaran semasa peralihan elektron dalam atom dari tahap tenaga atas ke tahap yang lebih rendah dengan pelepasan foton di bawah pengaruh medan elektromagnet luaran (foton kejadian) dipanggildipaksa atau didorong .

Sifat pelepasan yang dirangsang:

kekerapan dan fasa yang sama bagi foton primer dan sekunder;

arah pembiakan yang sama;

polarisasi yang sama.

Akibatnya, pelepasan yang dirangsang menghasilkan dua foton berkembar yang serupa.

Sl

2. Penggunaan media aktif.

Keadaan jirim dalam medium yang kurang daripada separuh atom berada dalam keadaan teruja dipanggilnegeri dengan populasi normal tahap tenaga . Ini adalah keadaan normal persekitaran.

Sl

Persekitaran di mana lebih separuh daripada atom berada dalam keadaan teruja dipanggilmedium aktif dengan populasi songsang tahap tenaga . (slaid 9)

Dalam medium dengan populasi songsang tahap tenaga, gelombang cahaya dikuatkan. Ini adalah persekitaran yang aktif.

Keamatan cahaya boleh dibandingkan dengan pertumbuhan runtuhan salji.

Sl

Untuk mendapatkan medium aktif, sistem tiga peringkat digunakan.

Pada peringkat ketiga, sistem hidup sangat singkat, selepas itu ia secara spontan masuk ke keadaan E 2 tanpa pancaran foton. Peralihan dari negeri2 dalam sesebuah negeri 1 disertai dengan pelepasan foton, yang digunakan dalam laser.

Proses peralihan medium kepada keadaan songsang dipanggildipam . Selalunya, penyinaran cahaya (pengepam optik), nyahcas elektrik, arus elektrik, dan tindak balas kimia digunakan untuk ini. Sebagai contoh, selepas lampu berkuasa berkelip, sistem menjadi keadaan3 , selepas tempoh yang singkat di negeri ini2 , di mana dia tinggal untuk masa yang agak lama. Ini mewujudkan lebihan penduduk di peringkat itu2 .

Sl

3. Maklum balas yang positif.

Untuk beralih dari mod penguatan cahaya ke mod penjanaan dalam laser, maklum balas digunakan.

Maklum balas dijalankan menggunakan resonator optik, yang biasanya sepasang cermin selari. (slaid 11)

Hasil daripada salah satu peralihan spontan dari peringkat atas ke bawah foton muncul. Apabila bergerak ke arah salah satu cermin, foton menyebabkan runtuhan foton. Selepas refleksi dari cermin, runtuhan foton bergerak ke arah yang bertentangan, serentak menyebabkan semua atom baru mengeluarkan foton. Proses itu akan berterusan selagi ia wujudpopulasi songsang tahap

Populasi songsang tahap tenaga - keadaan persekitaran yang tidak seimbang, di mana bilangan zarah (atom, molekul) yang terletak pada tahap tenaga atas, iaitu, dalam keadaan teruja, adalah lebih besar daripada bilangan zarah yang terletak pada tahap tenaga yang lebih rendah. .

Unsur aktif

mengepam

mengepam

Resonator optik

Aliran cahaya yang bergerak dalam arah sisi dengan cepat meninggalkan unsur aktif tanpa mempunyai masa untuk mendapatkan tenaga yang ketara. Gelombang cahaya yang merambat sepanjang paksi resonator dikuatkan berkali-kali ganda. Bahagian bawah cermin dibuat lut sinar, dan daripadanya gelombang laser keluar ke persekitaran.

Sl

4. Laser delima .

Bahagian utama laser delima ialahbatang delima. Ruby terdiri daripada atomAl Dan Odengan campuran atomCr. Ia adalah atom kromium yang memberikan warna delima dan mempunyai keadaan metastabil.

Sl

Satu tiub lampu nyahcas gas, dipanggil lampu pam . Lampu berkelip sekejap dan pengepaman berlaku.

Laser delima beroperasi dalam mod berdenyut. Terdapat jenis laser lain: gas, semikonduktor... Ia boleh beroperasi dalam mod berterusan.

Sl

5. Sifat sinaran laser :

sumber cahaya yang paling berkuasa;

P Matahari = 10 4 W/cm 2 , P laser = 10 14 W/cm 2 .

monokromatik yang luar biasa (gelombang monokromatik – gelombang ruang tanpa had satu frekuensi tertentu dan malar ketat) ;

memberikan tahap perbezaan sudut yang sangat kecil;

kesepaduan ( mereka. kejadian terkoordinasi dalam masa dan ruang beberapa proses berayun atau gelombang) .

DC3

Untuk operasi laser

sistem pengepaman diperlukan. Iaitu, kita akan memberikan atom atau sistem atom sedikit tenaga, kemudian, menurut postulat ke-2 Bohr, atom akan bergerak ke tahap yang lebih tinggi dengan jumlah tenaga yang lebih besar. Tugas seterusnya ialah mengembalikan atom ke tahap sebelumnya, sementara ia mengeluarkan foton sebagai tenaga.

Dengan kuasa lampu yang mencukupi, kebanyakan ion kromium dipindahkan ke keadaan teruja.

Proses penyaluran tenaga kepada badan kerja laser untuk mengubah atom menjadi keadaan teruja dipanggil pengepaman.

Foton yang dipancarkan dalam kes ini boleh menyebabkan pelepasan rangsangan foton tambahan, yang seterusnya akan menyebabkan pelepasan dirangsang)

DC15

Asas fizikal operasi laser adalah fenomena. Intipati fenomena ini adalah bahawa foton teruja mampu memancarkan di bawah pengaruh foton lain tanpa penyerapannya, jika foton itu sama dengan perbezaan tenaga.

Maser memancarkan gelombang mikro, saiz - x-ray , dan gaser – sinaran gamma.

DC16

Maser - pemancaran penjana kuantum

gelombang elektromagnet koheren dalam julat sentimeter (gelombang mikro).

Masers digunakan dalam teknologi (khususnya, dalam komunikasi angkasa lepas), dalam penyelidikan fizikal, dan juga sebagai penjana kuantum frekuensi standard.

Sl

Sebaliknya (Laser sinar-X) - sumber sinaran elektromagnet yang koheren dalam julat sinar-X, berdasarkan kesan pelepasan yang dirangsang. Ia adalah analog gelombang pendek laser.

Sl

Aplikasi sinaran X-ray yang koheren termasuk penyelidikan dalam plasma padat, mikroskop sinar-X, pengimejan perubatan resolusi fasa, penerokaan permukaan bahan dan senjata. Laser X-ray lembut boleh berfungsi sebagai laser pendorong.

Sl

Kerja-kerja dalam bidang gaser sedang berjalan, kerana sistem pengepaman yang berkesan belum dicipta.

Laser digunakan dalam senarai keseluruhan industri :

6. Penggunaan laser : (slaid 16)

dalam astronomi radio untuk menentukan jarak ke badan sistem suria dengan ketepatan maksimum (pencari cahaya);

pemprosesan logam (memotong, mengimpal, mencairkan, menggerudi);

dalam pembedahan dan bukannya pisau bedah (contohnya, dalam oftalmologi);

untuk mendapatkan imej tiga dimensi (holografi);

komunikasi (terutamanya dalam ruang);

merekod dan menyimpan maklumat;

dalam tindak balas kimia;

untuk menjalankan tindak balas termonuklear dalam reaktor nuklear;

senjata nuklear.

Sl

Oleh itu, penjana kuantum telah memasuki kehidupan seharian umat manusia, menjadikannya mungkin untuk menyelesaikan banyak masalah yang mendesak pada masa itu.

Maksud PENJANA DAN PENGUAT KUANTUM dalam Kamus Collier

PENJANA DAN PENGUAT KUANTUM

penjana dan penguat gelombang elektromagnet berdasarkan fenomena sinaran paksa (aruh). Prinsip operasi penjana kuantum gelombang mikro yang dipanggil maser (singkatan untuk perkataan Inggeris Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, bermaksud "microwave amplification due to stimulated emission") telah dicadangkan pada tahun 1954 oleh Charles Townes. (Prinsip yang sama mendasari penguat kuantum optik dan penjana laser.) Memandangkan kekerapan sinaran pada keluaran penjana kuantum ditentukan oleh tahap tenaga tetap, diskret atom atau molekul medium aktif yang digunakan dalam penjana sedemikian, ia mempunyai nilai yang ditakrifkan dengan tepat dan tetap.

Pelepasan spontan dan dirangsang. Tenaga sinaran elektromagnet dilepaskan atau diserap dalam bentuk "bahagian" berasingan yang dipanggil quanta atau foton, dan tenaga satu kuantum adalah sama dengan h?, di mana h ialah pemalar Planck, dan? - kekerapan sinaran. Apabila atom menyerap kuantum tenaga, ia bergerak ke tahap tenaga yang lebih tinggi, i.e. salah satu elektronnya melompat ke orbit lebih jauh dari nukleus. Adalah lazim untuk mengatakan bahawa atom dalam kes ini masuk ke dalam keadaan teruja.

Atom yang mendapati dirinya dalam keadaan teruja boleh membebaskan tenaga tersimpannya dengan cara yang berbeza. Satu cara yang mungkin adalah dengan memancarkan kuantum secara spontan dengan frekuensi yang sama, selepas itu ia kembali kepada keadaan asalnya. Ini adalah proses sinaran spontan (pelepasan), secara skematik digambarkan dalam Rajah. 1, b. Pada frekuensi tinggi, i.e. Pada panjang gelombang pendek sepadan dengan cahaya yang boleh dilihat, pelepasan spontan berlaku dengan sangat cepat. Atom yang teruja, setelah menyerap foton cahaya nampak, biasanya kehilangan tenaga yang diperoleh melalui pancaran spontan dalam masa kurang daripada satu juta saat. Proses pelepasan spontan pada frekuensi yang lebih rendah ditangguhkan. Di samping itu, atom boleh pergi ke beberapa keadaan pertengahan, kehilangan hanya sebahagian daripada tenaganya dalam bentuk foton tenaga yang lebih rendah yang dipancarkan olehnya.

Terdapat satu lagi proses yang menyebabkan atom teruja melepaskan tenaga tersimpan ini. Jika sinaran frekuensi tertentu jatuh pada atom (seperti dalam Rajah 1, c), maka ia memaksa atom untuk memancarkan foton dan bergerak ke tahap yang lebih rendah. Oleh itu, satu foton tiba dan dua pergi. Pelepasan yang dirangsang sentiasa berlaku pada frekuensi yang sama dan dengan fasa yang sama dengan gelombang masuk, dan oleh itu, melalui atom teruja, gelombang meningkatkan keamatannya.

Jadi, gelombang frekuensi yang sepadan, melalui medium di mana terdapat lebihan atom teruja, dikuatkan disebabkan oleh tenaga pelepasan rangsangan atom-atom ini. Walau bagaimanapun, jika terdapat atom yang tidak teruja dalam medium, ia boleh menyerap tenaga gelombang. Adalah jelas bahawa penguatan akibat pelepasan yang dirangsang adalah bertentangan dengan penyerapan, dan penguasaan salah satu proses berbanding yang lain bergantung pada atom mana yang lebih berada di laluan gelombang - teruja atau tidak teruja.

Hakikat bahawa bersama-sama dengan pelepasan spontan juga mesti ada pelepasan paksa telah didalilkan oleh Albert Einstein pada tahun 1916, menerima bahawa ketiga-tiga proses berlaku - penyerapan, rangsangan dan pelepasan spontan. Berdasarkan pertimbangan statistik, beliau memperoleh formula yang menerangkan spektrum frekuensi sinaran yang dipancarkan oleh bahan. Penggunaan pelepasan yang dirangsang untuk mencipta penjana gelombang elektromagnet telah dicadangkan oleh Charles Townes di Amerika Syarikat dan, secara bebas daripadanya, oleh ahli fizik Rusia N.G Basov dan A.M. Ketiga-tiga mereka telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik (1964) untuk kerja ini.

Penguat kuantum. Seperti yang dibincangkan di atas, sinaran boleh dikuatkan hanya dengan menyalurkannya melalui medium aktif yang sesuai. Walau bagaimanapun, keuntungan selalunya tidak ketara - kira-kira 1%. Untuk meningkatkan keuntungan, perlu memastikan sinaran bersentuhan dengan medium aktif lebih lama. Untuk melakukan ini, anda boleh melampirkan medium aktif di dalam ruang dengan dinding reflektif. Kemudian gelombang melintang akan dipantulkan dari dinding ke dinding, meningkat sedikit dengan setiap laluan. Apabila ia cukup dipergiatkan, sebahagian daripada sinaran boleh dilepaskan dari ruang sebagai output.

Dalam julat gelombang mikro (frekuensi super tinggi), i.e. apabila panjang gelombang berada dalam julat 0.1 hingga 100 cm, dimensi kamera biasanya setanding dengan panjang gelombang. Ruang yang ditala kepada frekuensi yang dikehendaki dengan menukar dimensinya (panjangnya mestilah sama dengan panjang gelombang) dipanggil resonator rongga.

Jika panjang gelombang sinaran adalah kira-kira 1 mm atau kurang, maka resonator sedemikian adalah sukar untuk dihasilkan. Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk membuat resonator rongga untuk cahaya boleh dilihat inframerah atau gelombang pendek supaya panjangnya lebih panjang daripada panjang gelombang, contohnya, dalam bentuk dua plat cermin selari (Rajah 2). Dalam peranti sedemikian, gelombang melintang ke plat, dipantulkan secara bergantian dari cermin, akan kekal dalam medium aktif dan berkembang disebabkan oleh pelepasan yang dirangsang. Gelombang yang merambat ke mana-mana arah lain dengan cepat meninggalkan resonator dengan hampir tiada penguatan.

Tindakan arah sistem dua plat selari ini amat penting untuk penjana kuantum sinaran elektromagnet dengan panjang gelombang yang sangat pendek. Dalam kes ini, keuntungan dalam medium aktif mestilah cukup besar supaya apabila gelombang berlalu dari satu plat ke plat yang lain, ia lebih daripada mengimbangi kerugian yang tidak dapat dielakkan yang dialaminya apabila dipantulkan dari cermin. Pertumbuhan berterusan gelombang membawa kepada penubuhan ayunan elektromagnet resonan dalam jurang antara cermin. Gelombang yang merambat ke mana-mana arah lain tidak cukup dikuatkan untuk mengimbangi kerugian. Dan walaupun ruang tertutup sebesar ini boleh mewujudkan dan mengekalkan berjuta-juta jenis getaran yang berbeza dan kombinasinya yang cepat berubah, sistem dua plat selari hanya memilih gelombang melintang daripadanya (selebihnya dilembapkan). Oleh kerana sistem sedemikian amat sesuai untuk mengasingkan ayunan dengan panjang gelombang pendek tertentu, ia digunakan secara meluas dalam penjana kuantum dalam julat cahaya inframerah dan boleh dilihat - laser.

Agar beberapa cahaya terlepas dari rongga laser, salah satu plat mestilah lut sinar, i.e. memancarkan sebahagian kejadian cahaya padanya dan memantulkan cahaya dengan panjang gelombang lain. Cahaya yang melalui plat lut sinar membentuk rasuk terarah sempit. Peranti laser sedemikian telah dicadangkan oleh Townes dan A. Shavlov.

Ia juga mungkin untuk mengeluarkan sinaran melalui lubang kecil di salah satu dinding pemantul. Litar ini sering digunakan dalam pengayun kuantum panjang gelombang sentimeter (gelombang mikro). Dalam laser, ia tidak memberikan arahan yang begitu tinggi bagi rasuk keluaran.

Persekitaran aktif. Untuk penyerapan dan penguatan resonans akibat pelepasan yang dirangsang, gelombang perlu melalui bahan yang atom atau sistem atomnya "ditala" kepada frekuensi yang dikehendaki. Dengan kata lain, perbezaan tahap tenaga E2 - E1 untuk atom bahan mestilah sama dengan frekuensi gelombang elektromagnet yang didarab dengan pemalar Planck:

Selanjutnya, agar pelepasan yang dirangsang mengatasi penyerapan, mesti ada lebih banyak atom pada tahap tenaga atas daripada pada yang lebih rendah. Ini biasanya tidak berlaku. Selain itu, mana-mana sistem atom, dibiarkan sendiri untuk masa yang cukup lama, mencapai keseimbangan dengan persekitarannya pada suhu rendah, i.e. mencapai keadaan tenaga paling rendah. Pada suhu tinggi, beberapa atom sistem teruja oleh gerakan haba. Pada suhu yang tidak terhingga tinggi, semua keadaan kuantum akan terisi sama rata. Tetapi oleh kerana suhu sentiasa terhingga, bahagian utama atom berada dalam keadaan terendah, dan semakin tinggi keadaan, semakin kurang terisinya. Jika pada suhu mutlak T terdapat n0 atom dalam keadaan terendah, maka bilangan atom dalam keadaan teruja, tenaga yang melebihi tenaga keadaan terendah dengan jumlah E, diberikan oleh taburan Boltzmann:

di mana k ialah pemalar Boltzmann.

Oleh kerana sentiasa terdapat lebih banyak atom dalam keadaan yang lebih rendah di bawah keadaan keseimbangan berbanding dengan yang lebih tinggi, dalam keadaan sedemikian penyerapan sentiasa mendominasi dan bukannya penguatan disebabkan oleh pelepasan yang dirangsang. Lebihan atom dalam keadaan teruja tertentu boleh dicipta dan dikekalkan hanya dengan memindahkannya secara buatan ke keadaan ini, dan lebih cepat daripada ia kembali ke keseimbangan terma. Sistem di mana terdapat lebihan atom teruja cenderung kepada keseimbangan terma, dan ia mesti dikekalkan dalam keadaan tidak seimbang dengan mencipta atom sedemikian di dalamnya.

Penjana kuantum tiga peringkat. Kaedah mencipta dan mengekalkan lebihan atom dalam keadaan teruja untuk gas (kaedah sistem tiga peringkat) telah dicadangkan oleh N.G. Basov dan A.M. Penguat kuantum tiga peringkat pertama dicipta oleh D. Scoville, J. Feer dan G. Seidel. Sistem tiga peringkat dibentangkan secara skematik dalam Rajah. 3. Pada mulanya, semua atom berada pada tahap terendah E1, dan tahap E2 dan E3 adalah kosong. Jarak tenaga antara tahap E2 dan E3 tidak sama dengan jarak antara tahap E1 dan E2. Lampu atau penjana "mengepam" (bergantung pada julat yang kita bicarakan - frekuensi optik atau radio) menghasilkan sinaran dengan frekuensi yang sepadan dengan peralihan dari peringkat bawah ke atas. Dengan menyerap sinaran ini, atom menjadi teruja dan bergerak dari peringkat bawah ke peringkat atas. Oleh kerana pada mulanya tiada atom pada tahap pertengahan E2, terdapat lebih banyak daripadanya pada tahap E3. Apabila agak banyak atom telah terkumpul pada peringkat E3, penjanaan bermula pada frekuensi yang sepadan dengan peralihan dari peringkat atas ke peringkat pertengahan. Agar penjanaan kuantum berlaku secara berterusan, tahap E2 mesti cepat menjadi kosong, i.e. atom mesti disingkirkan daripadanya lebih cepat daripada yang dicipta kerana pelepasan yang dirangsang dari tahap E3. Tahap E2 boleh dihabiskan oleh pelbagai proses, seperti perlanggaran dengan atom lain dan pemindahan tenaga ke kekisi kristal (jika medium aktif adalah pepejal). Dalam semua kes, tenaga ditukar kepada haba, jadi penyejukan peranti diperlukan.

Dengan mengepam, tidak lebih separuh daripada atom boleh dipindahkan dari tahap E1 ke E3, sejak itu kesan pelepasan yang dirangsang memaksa mereka untuk kembali ke tahap yang lebih rendah. Tetapi jika, disebabkan oleh perlanggaran atau proses lain, atom dari tahap E3 dengan cepat bergerak ke tahap E2, kemudian mengepamnya ke tahap atas dengan peralihan seterusnya ke tahap pertengahan boleh diteruskan. Dengan cara ini, lebih separuh daripada atom (dan juga semua) boleh dipam ke tahap E3. Kemudian terdapat lebih banyak atom pada tahap pertengahan daripada pada tahap yang lebih rendah, dan penjanaan bermula pada frekuensi yang sepadan dengan peralihan Kedua-dua litar penjana kuantum dan penguat tiga peringkat digunakan, dan satu atau yang lain dipilih bergantung pada. sifat bahan yang ada dengan resonans pada frekuensi yang dikehendaki. Secara umumnya, adalah wajar bahawa medium aktif, sambil memenuhi semua keperluan lain, harus mempunyai resonans yang tinggi. Jika penjana kuantum sepatutnya digunakan sebagai piawai frekuensi, maka resonans juga mesti tajam. Resonans sedemikian adalah ciri spektrum atom dan molekul bebas dalam gas. Resonans bahan pepejal biasanya agak luas, walaupun ion unsur nadir bumi dan logam peralihan, seperti kromium, dalam kristal mempunyai spektrum yang sesuai Sesetengah bahan jenis ini mempunyai resonans yang tinggi dan tajam dalam julat gelombang mikro dan optik. Sebagai contoh, ruby ​​​​(aluminium oksida), di mana peratusan tertentu ion aluminium digantikan oleh ion kromium, boleh berfungsi sebagai medium aktif untuk penjana kuantum tiga peringkat dalam julat gelombang mikro. Maiman menunjukkan bahawa delima juga sesuai untuk membuat laser. Dalam kedua-dua kes, tahap tenaga ion kromium digunakan.

Laser. Laser ialah penjana kuantum optik yang menghasilkan sinaran di kawasan spektrum yang boleh dilihat dan inframerah (di mana panjang gelombang kurang daripada 1 mm). Dalam keamatan, penjana sedemikian jauh lebih unggul daripada semua jenis sumber sinaran yang serupa. Di samping itu, sinaran keluarannya jatuh pada jalur frekuensi yang sangat sempit dan mempunyai bentuk pancaran hampir tidak mencapah. Di samping itu, pancaran laser boleh difokuskan ke tempat yang sangat kecil, di mana ketumpatan kuasa cahaya dan kekuatan medan elektrik adalah sangat besar berbanding dengan apa yang boleh dihasilkan oleh sumber cahaya lain. Sinaran keluaran hampir sepenuhnya monokromatik dan, yang lebih penting, koheren, i.e. sepenuhnya padanan fasa dan bebas daripada gangguan huru-hara cahaya biasa. Lihat juga LASER.

Penjana kuantum molekul. Penjana kuantum pertama, yang dibangunkan oleh Gordon, Zeiger dan Townes, menggunakan ruang kosong yang mengandungi rasuk molekul ammonia. Molekul rasuk, yang berada dalam keadaan tenaga yang lebih rendah, telah dikeluarkan dari rasuk dengan memesongkannya dalam medan elektrik yang tidak seragam. Molekul dalam keadaan tenaga tertinggi difokuskan dalam resonator rongga, di mana pelepasan rangsangan berlaku (Rajah 4).

Penjana kuantum dengan pancaran molekul menghasilkan sinaran dengan frekuensi keluaran yang dipilih secara mendadak. Ini sebahagiannya disebabkan oleh fakta bahawa terdapat sedikit molekul dalam rasuk dan mereka tidak boleh mempengaruhi satu sama lain. Oleh kerana bilangan molekul yang kecil, kuasa keluaran juga kecil.

Laser pelepasan gas. Medium aktif laser pelepasan gas ialah campuran gas mulia seperti helium dan neon. Atom helium mempunyai keadaan teruja dengan jangka hayat yang panjang, dan atom yang teruja kepada keadaan "metastabil" ini tidak boleh melepaskan tenaga pengujaannya melalui pelepasan spontan. Walau bagaimanapun, mereka boleh memindahkannya dalam perlanggaran atom kepada atom neon yang tidak teruja. Selepas perlanggaran sedemikian, atom helium mendapati dirinya dalam keadaan asasnya, dan atom neon dalam keadaan terujanya. Penjanaan berlaku disebabkan peralihan paksa daripada tahap tenaga ini kepada tahap rendah atom neon kosong.

Permohonan. Peranti elektronik kuantum dengan sistem atom dan molekul sebagai media aktif digunakan sebagai penguat dan penjana. Pada frekuensi yang lebih rendah, fungsi tersebut dilakukan oleh tiub vakum dan transistor. Tidak menghairankan bahawa keluarga peranti elektronik kuantum sudah boleh menandingi bilangan dan kepelbagaian peranti elektronik lama. Peranti elektronik kuantum telah menemui beberapa aplikasi yang mana peranti elektronik lain kurang sesuai atau tidak sesuai sama sekali. Ini ialah fungsi penguat gelombang mikro bunyi rendah, frekuensi utama dan piawaian masa, serta penjana dan penguat sinaran inframerah dan boleh dilihat.

Penguat gelombang mikro bunyi rendah. Tujuan penguat adalah untuk menguatkan isyarat lemah tanpa memesongkannya atau memperkenalkan bunyi (komponen huru-hara). Penguat elektronik sentiasa menambah bunyi mereka sendiri pada isyarat. Apabila berurusan dengan isyarat radio yang sangat lemah, adalah penting bahawa penguat memperkenalkan bunyi bising yang mungkin. Ini adalah isyarat radio yang diterima daripada objek angkasa, dan isyarat radar yang dipantulkan daripada objek yang terletak pada jarak yang jauh. Dalam kedua-dua kes ini, isyarat diperhatikan terhadap langit, yang hanya mengeluarkan bunyi kecil. Ini membolehkan anda mengesan isyarat yang sangat lemah jika ia tidak disembunyikan oleh bunyi penerima itu sendiri. Penguat konvensional tidak memenuhi keperluan tugas sedemikian, dan penguat kuantum datang untuk menyelamatkan, memperkenalkan hampir tiada bunyi. Dengan menggantikan penguat tiub vakum pada input penerima dengan penguat kuantum, anda boleh meningkatkan sensitiviti penerima dalam julat gelombang mikro sebanyak seratus kali ganda. Penerima gelombang mikro dengan penguat kuantum sangat sensitif sehingga mereka boleh mengesan sinaran haba planet lain dan menentukan suhu permukaannya.

Piawaian kekerapan dan jam atom. Atom dan sistem atom, seperti yang telah disebutkan, boleh menyerap dan memancarkan sinaran hanya pada frekuensi tertentu atau panjang gelombang tertentu. Resonans ini selalunya berbentuk seperti puncak, membolehkan kekerapannya diukur dengan ketepatan yang tinggi. Frekuensi yang sepadan adalah ciri atom dan molekul tertentu dan, tidak seperti piawaian buatan manusia, tidak berubah dari semasa ke semasa. Oleh itu, resonans sedemikian boleh berfungsi sebagai piawaian frekuensi, panjang gelombang dan masa. Kekerapan pengayun elektronik luaran boleh diperiksa untuk penentukuran walaupun terhadap resonans penyerapan. Penjana kuantum secara langsung menghasilkan sinaran frekuensi rujukan. Apabila penjana kuantum dikonfigurasikan dengan betul, frekuensi pada outputnya adalah malar. Ia boleh digunakan untuk memantau kemajuan jam ketepatan atau peranti yang lebih kompleks yang direka untuk mengukur selang masa dengan ketepatan yang tinggi. Medium aktif salah satu penjana kuantum yang paling tepat ialah hidrogen atom (sistem ini serupa dengan reka bentuk penjana kuantum pertama - maser - dengan pancaran molekul ammonia). Ketepatan kekerapannya ialah 10–10%, yang sepadan dengan ralat dalam "kadar jam" bersamaan dengan satu saat dalam 30,000 tahun.

Collier. Kamus Collier. 2012

Lihat juga tafsiran, sinonim, makna perkataan dan apa itu PENJANA DAN PENGUAT KUANTUM dalam bahasa Rusia dalam kamus, ensiklopedia dan buku rujukan:

• KUANTUM
  NOMBOR KUANTUM, integer atau nombor pecahan yang mentakrifkan kemungkinan nilai fizikal diskret. kuantiti yang mencirikan sistem kuantum (nukleus atom, atom, molekul dan...
• KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia Besar Rusia:
  JAM KUANTUM (jam atom), peranti untuk mengukur masa yang mengandungi pengayun kuarza dikawal oleh piawai frekuensi kuantum. Peranan "pendulum" dalam kosmos ...
• KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia Besar Rusia:
  STANDARD KEKERAPAN KUANTUM, peranti untuk pengukuran tepat frekuensi ayunan, asas. pada mengukur kekerapan peralihan kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) ...
• KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia Besar Rusia:
  PERALIHAN KUANTUM, peralihan mendadak sistem kuantum (atom, molekul, nukleus atom, kristal) daripada satu keadaan yang mungkin kepada ...
• KUANTUM ELEKTRONIK
  elektronik, bidang fizik yang mengkaji kaedah penguatan dan penjanaan ayunan elektromagnet berdasarkan penggunaan kesan pelepasan yang dirangsang, serta sifat ...
• PENJANA MESIN ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK: PENJANA DC dalam Kamus Collier:
  Kepada artikel PENJANAAN MESIN ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK Teori. Dalam Rajah. 1a menunjukkan satu pusingan wayar abcd berputar mengikut arah jam mengelilingi paksi ...
• PENJANA ELEKTRIK: PENJANA ARUS SELANG SEGERA dalam Kamus Collier:
  Kepada artikel PENJANA MESIN ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK Seperti yang telah disebutkan, EMF berselang-seli teraruh dalam gegelung dawai yang berputar dalam medan magnet malar. ...
• STANDARD KEKERAPAN KUANTUM
  
• USSR. SAINS TEKNIKAL dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  sains Sains dan teknologi penerbangan Di Rusia pra-revolusi, beberapa pesawat reka bentuk asal telah dibina. Ya. M. mencipta kapal terbang mereka sendiri (1909-1914) ...
• USSR. SASTERA DAN SENI dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  dan seni Kesusasteraan Kesusasteraan Soviet multinasional mewakili peringkat baru secara kualitatif dalam perkembangan kesusasteraan. Sebagai keseluruhan seni yang pasti, disatukan oleh satu sosio-ideologi...
• SUKATAN RADIO dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  pengukuran kuantiti elektrik, magnet dan elektromagnet serta hubungannya yang mencirikan pengendalian peranti radio dalam julat frekuensi daripada infrasonik kepada ultra-tinggi. ...
• MESIN DC dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  mesin semasa, mesin elektrik di mana tenaga mekanikal ditukar kepada tenaga elektrik arus terus (penjana) atau penukaran terbalik (motor). ...
• PERALIHAN KUANTUM dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  kuantum, lihat peralihan kuantum...
• PENJANA CAHAYA PARAMETRIK dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  penjana cahaya, sumber sinaran optik yang koheren, unsur utamanya ialah kristal tak linear di mana gelombang cahaya yang kuat dengan frekuensi tetap secara parametrik ...
• PENJANA MOLEKUL dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  penjana, peranti di mana ayunan elektromagnet koheren dijana disebabkan oleh peralihan kuantum paksa molekul dari keadaan tenaga awal ke keadaan ...
• NOMBOR KUANTUM dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  nombor, integer (0, 1, 2,...) atau separuh integer (1/2, 3/2, 5/2,...) nombor yang mentakrifkan kemungkinan nilai diskret kuantiti fizik yang mencirikan kuantum. ..
• STANDARD KEKERAPAN KUANTUM dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  piawaian frekuensi, peranti yang menggunakan kuantum...
• PERALIHAN KUANTUM dalam Great Soviet Encyclopedia, TSB:
  peralihan, peralihan mendadak sistem kuantum (atom, molekul, nukleus atom, pepejal) dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Yang paling penting ialah K...
• JAM KUANTUM
  
• STANDARD KEKERAPAN KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia Moden:
  
• PERALIHAN KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia Moden:
  peralihan mendadak sistem kuantum (atom, molekul, nukleus atom, kristal) dari satu keadaan yang mungkin ke keadaan yang lain. Peralihan kuantum boleh bersifat radiasi...
• JAM KUANTUM
  (jam atom), peranti untuk mengukur masa yang mengandungi pengayun kuarza yang dikawal oleh piawai frekuensi. Peranan "pendulum" dalam jam kuantum dimainkan oleh atom. Kekerapan...
• STANDARD KEKERAPAN KUANTUM dalam Kamus Ensiklopedia:
  peranti untuk mengukur frekuensi sinaran dengan tepat semasa peralihan kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) atom, ion atau molekul daripada satu ...
• PENJANA ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK: MOTOR ELEKTRIK DC dalam Kamus Collier:
  Untuk artikel PENJANA MESIN ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK Penjana DC beroperasi dengan memuaskan seperti motor dan, dengan parameter nominal yang sama, jangan ...
• PENJANA MESIN ELEKTRIK DAN MOTOR ELEKTRIK dalam Kamus Collier:
  mesin putaran yang menukarkan sama ada tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik (generator) atau tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal (enjin). Operasi penjana adalah berdasarkan prinsip...
• STANDARD KEKERAPAN KUANTUM dalam Kamus Penerangan Moden, TSB:
  peranti untuk pengukuran frekuensi getaran yang tepat, berdasarkan pengukuran kekerapan peralihan kuantum (dalam gelombang mikro dan spektrum optik) atom, ion atau ...
• ARMAGEDON dalam Direktori Rahsia permainan, program, peralatan, filem, telur Paskah:
  1. Semasa penggambaran, pengarah Michael Bay mendapat kebenaran untuk membuat penggambaran di beberapa lokasi di hartanah NASA. Saksikan adegan kapal angkasa berlepas...
• MENGERIKAN dalam Encyclopedia Galactica of Science Fiction Literature:
  Penguat moral, pelindung moral orang lincah dari generasi ke-16 dan seterusnya; menghalang percubaan untuk memersifkan (mengkritkan) shustra yang dilakukan oleh unsur-unsur penjenayah dan penentang",...
• RESONAN FERROMAGNETIK dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  penyerapan terpilih oleh feromagnet tenaga medan elektromagnet pada frekuensi (biasanya dalam julat radio) bertepatan dengan frekuensi semula jadi precession momen magnet feromagnet (lihat Larmore ...
• PENGUAT dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  dalam teknologi - peranti di mana parameter tenaga isyarat (kesan) ditingkatkan dengan menggunakan tenaga sumber tambahan. Sesuai...
• PERANTI PENGUKUR TERMOELEKTRIK dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  berfungsi untuk mengukur arus (kurang biasa, voltan dan kuasa); ialah alat pengukur magnetoelektrik yang mengukur daya gerak elektrik penukar haba, pemanasan ...
• BLOK JUMLAH dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  peranti pengkomputeran analog yang outputnya menghasilkan nilai yang berkadar dengan jumlah nilai input. Blok penjumlahan elektronik adalah yang paling biasa sebagai sebahagian daripada AVM...
• RADIO dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  dalam kombinasi dengan antena (luaran atau terbina dalam) ia digunakan untuk menerima isyarat radio. Contoh: penerima siaran, televisyen, radio radar. Elemen utama: frekuensi terpilih...
• BLOK FUNGSI BUKAN LINEAR dalam Kamus Ensiklopedia Besar:
  (dalam teknologi komputer) nod AVM, isyarat keluaran yang berkaitan dengan isyarat input oleh hubungan tak linear yang diberikan. Peranti dengan pergantungan fungsi linear adalah...

Kejayaan yang dicapai dalam pembangunan dan penyelidikan penguat kuantum dan pengayun dalam julat radio berfungsi sebagai asas bagi pelaksanaan cadangan untuk menguatkan dan menjana cahaya berdasarkan pelepasan yang dirangsang dan membawa kepada penciptaan pengayun kuantum dalam julat optik. Pengayun kuantum optik (OQOs) atau laser adalah satu-satunya sumber cahaya monokromatik yang berkuasa. Prinsip penguatan cahaya menggunakan sistem atom pertama kali dicadangkan pada tahun 1940 oleh V.A. Pengeluar. Walau bagaimanapun, justifikasi untuk kemungkinan mencipta penjana kuantum optik hanya diberikan pada tahun 1958 oleh C. Townes dan A. Shavlov berdasarkan pencapaian dalam pembangunan peranti kuantum dalam julat radio. Penjana kuantum optik pertama telah direalisasikan pada tahun 1960. Ia adalah laser dengan kristal delima sebagai bahan kerja. Penciptaan penyongsangan populasi di dalamnya dilakukan dengan kaedah pengepaman tiga peringkat, biasanya digunakan dalam penguat kuantum paramagnetik.

Pada masa ini, banyak penjana kuantum optik yang berbeza telah dibangunkan, berbeza dalam bahan kerja (kristal, gelas, plastik, cecair, gas, semikonduktor digunakan) dan kaedah untuk mencipta penyongsangan populasi (pengepam optik, pelepasan dalam gas, tindak balas kimia, dll.) .

Sinaran penjana kuantum optik sedia ada meliputi julat panjang gelombang dari ultraungu ke kawasan inframerah jauh spektrum bersebelahan dengan gelombang milimeter. Sama seperti penjana kuantum dalam julat radio, penjana kuantum optik terdiri daripada dua bahagian utama: bahan yang berfungsi (aktif), di mana dalam satu cara atau yang lain.

penyongsangan populasi dan sistem resonan dicipta (Rajah 62). Sebagai yang terakhir, resonator terbuka jenis interferometer Fabry-Perot digunakan dalam laser, dibentuk oleh sistem dua cermin yang terletak pada jarak antara satu sama lain.

Bahan kerja meningkatkan sinaran optik disebabkan oleh pelepasan teraruh zarah aktif. Sistem resonan, menyebabkan pelbagai laluan sinaran teraruh optik yang terhasil melalui medium aktif, menentukan interaksi berkesan medan dengannya. Jika kita menganggap laser sebagai sistem berayun sendiri, maka resonator memberikan maklum balas positif akibat pengembalian sebahagian sinaran yang merambat antara cermin ke dalam medium aktif. Untuk ayunan berlaku, kuasa dalam laser yang diterima daripada medium aktif mestilah sama atau melebihi kuasa yang hilang dalam resonator. Ini bersamaan dengan fakta bahawa keamatan gelombang penjanaan selepas melalui medium penguat, pantulan dari cermin -/ dan 2, kembali ke keratan rentas asal mesti kekal tidak berubah atau melebihi nilai awal.

Apabila melalui medium aktif, keamatan gelombang 1^ berubah mengikut hukum eksponen (mengabaikan ketepuan) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], dan apabila dipantulkan dari cermin ia berubah G sekali ( T - pekali pantulan cermin), jadi syarat untuk penjanaan berlaku boleh ditulis sebagai

di mana L - panjang medium aktif yang berfungsi; r 1 dan r 2 - pekali pantulan cermin 1 dan 2; a u ialah keuntungan bagi medium aktif; b 0 - pemalar pengecilan, dengan mengambil kira kehilangan tenaga dalam bahan kerja akibat penyebaran oleh ketidakhomogenan dan kecacatan.

I. Resonator penjana kuantum optik

Sistem laser resonan, seperti yang dinyatakan, adalah resonator terbuka. Pada masa ini, resonator terbuka dengan cermin rata dan sfera paling banyak digunakan. Ciri ciri resonator terbuka ialah dimensi geometrinya berkali-kali lebih besar daripada panjang gelombang. Seperti resonator terbuka isipadu, mereka mempunyai satu set jenis ayunan mereka sendiri, dicirikan oleh taburan medan tertentu dalam mereka dan frekuensi sendiri. Jenis ayunan semula jadi bagi resonator terbuka ialah penyelesaian persamaan medan yang memenuhi syarat sempadan pada cermin.

Terdapat beberapa kaedah untuk mengira resonator rongga yang membolehkan seseorang mencari jenis getaran mereka sendiri. Teori resonator terbuka yang ketat dan paling lengkap diberikan dalam karya L.A. Vaivestein.* Kaedah visual untuk mengira jenis ayunan dalam resonator terbuka telah dibangunkan dalam karya A. Fox dan T. Lee.

(113)

Ia digunakan di dalamnya. pengiraan berangka yang mensimulasikan proses mewujudkan jenis ayunan dalam resonator hasil pantulan berganda daripada cermin. Pada mulanya, pengagihan medan sewenang-wenangnya ditetapkan pada permukaan salah satu cermin. Kemudian, menggunakan prinsip Huygens, taburan medan pada permukaan cermin lain dikira. Taburan yang dipelajari diambil sebagai yang asal dan pengiraan diulang. Selepas beberapa pantulan, taburan amplitud dan fasa medan pada permukaan cermin cenderung kepada nilai pegun, i.e. medan pada setiap cermin menghasilkan semula dirinya tidak berubah. Taburan medan yang terhasil mewakili jenis ayunan biasa bagi resonator terbuka.

Pengiraan A. Fox dan T. Lee adalah berdasarkan formula Kirchhoff berikut, yang merupakan ungkapan matematik prinsip Huygens, yang membolehkan seseorang mencari bahagian bawah pada titik cerapan A oleh medan tertentu pada beberapa permukaan Sb

di mana Eb ialah medan di titik B pada permukaan S b; k- nombor gelombang; R - jarak antara titik A Dan DALAM; Q - sudut antara garis yang menghubungkan titik A Dan DALAM, dan normal ke permukaan Sb

Apabila bilangan hantaran meningkat, kadar aliran pada cermin cenderung kepada taburan pegun, yang boleh diwakili seperti berikut:

di mana V(x ,у) - fungsi pengedaran yang bergantung pada koordinat pada permukaan cermin dan tidak berubah daripada pantulan kepada pantulan;

y ialah pemalar kompleks bebas daripada koordinat ruang.

Menggantikan formula (112) kepada ungkapan (III). kita memperoleh persamaan kamiran

Ia mempunyai penyelesaian hanya untuk nilai tertentu [Gamma] = [gamma min.] dipanggil nilai eigen, Fungsi Vmn , memenuhi persamaan kamiran, mencirikan struktur medan pelbagai jenis ayunan resonator, yang dipanggil melintang getaran dan ditetapkan sebagai getaran jenis TEMmn Simbol TEM menunjukkan bahawa air di dalam resonator adalah hampir dengan elektromagnet melintang, i.e. tidak mempunyai komponen medan sepanjang arah perambatan gelombang. Indeks m dan n menunjukkan bilangan perubahan arah medan di sepanjang sisi cermin (untuk cermin segi empat tepat) atau sepanjang sudut dan sepanjang jejari (untuk cermin bulat). Rajah 64 menunjukkan konfigurasi medan elektrik untuk jenis ayunan melintang termudah bagi resonator terbuka dengan cermin bulat. Jenis ayunan intrinsik resonator terbuka dicirikan bukan sahaja oleh taburan melintang medan, tetapi juga oleh taburannya di sepanjang paksi resonator, yang merupakan gelombang berdiri dan berbeza dalam bilangan separuh gelombang yang sesuai sepanjang panjang resonator. Untuk mengambil kira perkara ini, indeks ketiga diperkenalkan ke dalam penetapan jenis getaran A, mencirikan bilangan separuh gelombang yang sesuai di sepanjang paksi resonator.

Penjana Kuantum Optik Keadaan Pepejal

Pengayun kuantum optik keadaan pepejal, atau laser keadaan pepejal, menggunakan kristal atau dielektrik amorf sebagai medium perolehan aktif. Zarah kerja, peralihan antara keadaan tenaga yang menentukan penjanaan, adalah, sebagai peraturan, ion atom kumpulan peralihan Jadual Berkala Ion Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ paling kerap digunakan. Zarah aktif membentuk pecahan atau unit peratus daripada jumlah bilangan atom medium kerja, jadi ia seolah-olah membentuk "penyelesaian" kepekatan lemah dan oleh itu berinteraksi sedikit antara satu sama lain. Paras tenaga yang digunakan ialah paras zarah yang bekerja, terbelah dan diperluas oleh medan dalaman yang tidak homogen yang kuat bagi bahan pepejal. Kristal korundum (Al2O3) dan yttrium-aluminium garnet paling kerap digunakan sebagai asas untuk medium keuntungan aktif. YAG(Y3Al5O12), jenama kaca yang berbeza, dsb.

Penyongsangan populasi dalam bahan kerja laser keadaan pepejal dicipta dengan kaedah yang serupa dengan yang digunakan dalam penguat paramagnet. Ia dijalankan menggunakan pengepaman optik, i.e. pendedahan sesuatu bahan kepada sinaran cahaya berintensiti tinggi.

Seperti yang ditunjukkan oleh kajian, kebanyakan media aktif sedia ada yang digunakan dalam laser keadaan pepejal digambarkan dengan memuaskan oleh dua tenaga ideal utama. skim: tiga dan empat peringkat (Rajah 71).

Mari kita pertimbangkan dahulu kaedah mencipta penyongsangan populasi dalam media yang diterangkan oleh skema tiga peringkat (lihat Rajah 71, a). Dalam keadaan biasa, hanya tahap utama yang lebih rendah dihuni 1 (jarak tenaga antara aras adalah jauh lebih besar daripada kT), kerana peralihan 1->2, dan 1->3) tergolong dalam julat optik. Peralihan antara tahap 2 dan 1 adalah beroperasi. Tahap 3 tambahan dan digunakan untuk mencipta penyongsangan bagi pasangan aras yang berfungsi. Ia sebenarnya menduduki julat luas nilai tenaga yang dibenarkan, disebabkan oleh interaksi zarah yang bekerja dengan medan intrakristalin.

Penjana kuantum menggunakan tenaga dalaman mikrosistem - atom, molekul, ion - untuk mencipta ayunan elektromagnet.

Penjana kuantum juga dipanggil laser. Perkataan laser terdiri daripada huruf awal nama Inggeris untuk penjana kuantum - penguat cahaya dengan mencipta sinaran yang dirangsang.

Prinsip operasi penjana kuantum adalah seperti berikut. Apabila mempertimbangkan struktur tenaga jirim, ditunjukkan bahawa perubahan dalam tenaga mikrozarah (atom, molekul, ion, elektron) tidak berlaku secara berterusan, tetapi secara diskret - dalam bahagian yang dipanggil quanta (daripada kuantim Latin - kuantiti).

Mikrosistem di mana zarah asas berinteraksi antara satu sama lain dipanggil sistem kuantum.

Peralihan sistem kuantum dari satu keadaan tenaga ke keadaan tenaga yang lain disertai dengan pelepasan atau penyerapan kuantum tenaga elektromagnet. hv: E 2 - Ei=hv, di mana E 1 Dan E 2 - keadaan tenaga: h - pemalar Planck; v - kekerapan.

Adalah diketahui bahawa keadaan paling stabil dari mana-mana sistem, termasuk atom dan molekul, adalah keadaan dengan tenaga paling rendah. Oleh itu, setiap sistem cenderung untuk menduduki dan mengekalkan keadaan dengan tenaga yang paling rendah. Akibatnya, dalam keadaan normal, elektron bergerak dalam orbit yang paling hampir dengan nukleus. Keadaan atom ini dipanggil tanah atau pegun.

Di bawah pengaruh faktor luaran - pemanasan, pencahayaan, medan elektromagnet - keadaan tenaga atom boleh berubah.

Jika atom, sebagai contoh, hidrogen berinteraksi dengan medan elektromagnet, maka ia menyerap tenaga E 2 -E 1 = hv dan elektronnya bergerak ke tahap tenaga yang lebih tinggi. Keadaan atom ini dipanggil teruja. Atom boleh kekal di dalamnya untuk masa yang sangat singkat, dipanggil seumur hidup atom teruja. Selepas ini, elektron kembali ke tahap yang lebih rendah, iaitu, ke keadaan stabil tanah, melepaskan tenaga berlebihan dalam bentuk kuantum tenaga yang dipancarkan - foton.

Pembebasan tenaga elektromagnet semasa peralihan sistem kuantum daripada keadaan teruja kepada keadaan tanah tanpa pengaruh luar dipanggil spontan atau spontan. Dalam pelepasan spontan, foton dipancarkan pada masa rawak, dalam arah sewenang-wenangnya, dengan polarisasi sewenang-wenangnya. Itulah sebabnya ia dipanggil tidak koheren.

Walau bagaimanapun, di bawah pengaruh medan elektromagnet luaran, elektron boleh dikembalikan ke tahap tenaga yang lebih rendah walaupun sebelum hayat atom dalam keadaan teruja tamat. Jika, sebagai contoh, dua foton bertindak pada atom teruja, maka dalam keadaan tertentu elektron atom kembali ke tahap yang lebih rendah, memancarkan kuantum dalam bentuk foton. Dalam kes ini, ketiga-tiga foton mempunyai fasa, arah dan polarisasi sinaran yang sama. Akibatnya, tenaga sinaran elektromagnet meningkat.

Pembebasan tenaga elektromagnet oleh sistem kuantum apabila tahap tenaganya berkurangan di bawah pengaruh medan elektromagnet luar dipanggil paksa, teraruh atau dirangsang.

Sinaran teraruh bertepatan dalam frekuensi, fasa dan arah dengan sinaran luar. Oleh itu sinaran sedemikian dipanggil koheren (koheren - dari kogerenti Latin - kohesi, sambungan).

Oleh kerana tenaga medan luaran tidak dibelanjakan untuk merangsang peralihan sistem ke tahap tenaga yang lebih rendah, medan elektromagnet dipertingkatkan dan tenaganya meningkat dengan nilai tenaga kuantum yang dipancarkan. Fenomena ini digunakan untuk menguatkan dan menjana ayunan menggunakan peranti kuantum.

Pada masa ini, laser diperbuat daripada bahan semikonduktor.

Laser semikonduktor ialah peranti semikonduktor di mana tenaga elektrik ditukar terus kepada tenaga sinaran dalam julat optik.

Untuk laser berfungsi, iaitu, untuk laser mencipta ayunan elektromagnet, adalah perlu bahawa terdapat lebih banyak zarah teruja dalam bahannya daripada yang tidak teruja.

Tetapi dalam keadaan normal semikonduktor, pada tahap tenaga yang lebih tinggi pada sebarang suhu, bilangan elektron adalah kurang daripada pada tahap yang lebih rendah. Oleh itu, dalam keadaan normalnya, semikonduktor menyerap tenaga elektromagnet.

Kehadiran elektron pada tahap tertentu dipanggil populasi tahap.

Keadaan semikonduktor di mana terdapat lebih banyak elektron pada tahap tenaga yang lebih tinggi daripada pada tahap yang lebih rendah dipanggil keadaan penyongsangan populasi. Populasi terbalik boleh dibuat dalam pelbagai cara: menggunakan suntikan pembawa cas apabila terus menghidupkan persimpangan p-n, dengan menyinari semikonduktor dengan cahaya, dsb.

Sumber tenaga, mencipta penyongsangan populasi, melakukan kerja dengan memindahkan tenaga kepada bahan dan kemudian ke medan elektromagnet. Dalam semikonduktor dengan populasi terbalik, pelepasan terstimulasi boleh diperoleh, kerana ia mengandungi sejumlah besar elektron teruja yang boleh melepaskan tenaga mereka.

Jika semikonduktor dengan populasi terbalik disinari dengan ayunan elektromagnet dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi peralihan antara tahap tenaga, maka elektron dari tahap atas terpaksa bergerak ke tahap yang lebih rendah, memancarkan foton. Dalam kes ini, pelepasan koheren yang dirangsang berlaku. Ia diperkukuh. Dengan mencipta litar maklum balas positif dalam peranti sedemikian, kami memperoleh laser - pengayun sendiri ayunan elektromagnet dalam julat optik.

Untuk pembuatan laser, gallium arsenide paling kerap digunakan, dari mana kiub dengan sisi beberapa persepuluh milimeter panjang dibuat.

Bab 4. PENSTABILAN KEKERAPAN PENGHANTARAN

Penjana kuantum

Penjana kuantum- nama umum untuk sumber sinaran elektromagnet yang beroperasi berdasarkan pelepasan rangsangan atom dan molekul. Bergantung pada panjang gelombang yang dikeluarkan oleh penjana kuantum, ia boleh dipanggil secara berbeza: laser, maser, razer, gaser.

Sejarah penciptaan

Penjana kuantum adalah berdasarkan prinsip pelepasan rangsangan yang dicadangkan oleh A. Einstein: apabila sistem kuantum teruja dan pada masa yang sama terdapat sinaran frekuensi yang sepadan dengan peralihan kuantum, kebarangkalian lompatan dalam sistem kepada tahap tenaga yang lebih rendah meningkat mengikut kadar ketumpatan foton sinaran yang sedia ada. Kemungkinan mencipta penjana kuantum atas dasar ini ditunjukkan oleh ahli fizik Soviet V. A. Fabrikant pada akhir 40-an.

kesusasteraan

Landsberg G.S. Buku teks fizik asas. Jilid 3. Ayunan dan gelombang. Optik. Fizik atom dan nuklear. - 1985.

Herman J., Wilhelmi B. "Laser untuk penjanaan denyutan cahaya ultrashort" - 1986.

Yayasan Wikimedia.

• 2010.
• Notker Gagap

Sintesis semula

Lihat apa itu "Penjana Kuantum" dalam kamus lain:- penjana elektrik mag. gelombang, di mana fenomena pelepasan dirangsang digunakan (lihat KUANTUM ELEKTRONIK). K. g. julat radio, serta penguat kuantum, dipanggil. maser. K. g pertama dicipta dalam julat gelombang mikro pada tahun 1955. Medium aktif di dalamnya ... Ensiklopedia fizikal

Lihat apa itu "Penjana Kuantum" dalam kamus lain:- sumber sinaran elektromagnet yang koheren, tindakannya berdasarkan pelepasan rangsangan foton oleh atom, ion dan molekul. Penjana kuantum dalam julat radio dipanggil maser, penjana kuantum dalam julat optik... ... Kamus Ensiklopedia Besar

penjana kuantum- Sumber sinaran koheren berdasarkan penggunaan pelepasan dan maklum balas yang dirangsang. Nota Penjana kuantum dibahagikan mengikut jenis bahan aktif, kaedah pengujaan dan ciri-ciri lain, contohnya, rasuk, gas... Panduan Penterjemah Teknikal

Lihat apa itu "Penjana Kuantum" dalam kamus lain:- sumber sinaran elektromagnet koheren monokromatik (julat optik atau radio), beroperasi berdasarkan pelepasan rangsangan atom, molekul, ion yang teruja. Gas, kristal... Ensiklopedia Politeknik Besar

penjana kuantum- peranti untuk menjana sinaran elektromagnet koheren. Koheren ialah kejadian yang diselaraskan dalam masa dan ruang beberapa proses berayun atau gelombang, yang memanifestasikan dirinya apabila ia ditambah, sebagai contoh. sekiranya berlaku gangguan... Ensiklopedia teknologi

penjana kuantum- sumber sinaran elektromagnet yang koheren, tindakannya berdasarkan pelepasan rangsangan foton oleh atom, ion dan molekul. Penjana kuantum dalam julat radio dipanggil maser, penjana kuantum dalam julat optik ... ... Kamus Ensiklopedia

penjana kuantum- Kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: engl. kuantum... ... Penkiakalbis aiškinamasi metrologijos terminų žodynas

penjana kuantum- kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. penjana kuantum vok. Quantengenerator, m rus. penjana kuantum, m pranc. kuantik berayun, m … Fizikos terminų žodynas

Penjana kuantum- penjana gelombang elektromagnet yang menggunakan fenomena pelepasan rangsangan (Lihat Pelepasan Terrangsang) (Lihat elektronik Kuantum). K. g. julat radio frekuensi ultra tinggi (gelombang mikro), serta penguat Kuantum ini ... ... Ensiklopedia Soviet yang Hebat