Квантовые генераторы

Балтийский  государственный технический университет

«Военмех» им. Д. Ф. Устинова

Кафедра И4

«Радиоэлектронные системы управления» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Устройства  приема и преобразования сигналов

Курсовая  работа на тему

  «Квантовые генераторы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

 Передельский  Олег

Группа  И471

Проверил:

Тарасов А.И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт –  Петербург

2010

 

Содержание 

 

1. Введение

     В данной работе рассматриваются принципы работы квантовых генераторов, схемы  генераторов, их конструктивные особенности, вопросы стабильности частоты генераторов и принципы модуляции в квантовых генераторах.

1.1 Общие сведения

Принцип действия квантовых генераторов  основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. Они позволяют генерировать  колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности.

      На  базе квантовых генераторов удается  создать эталоны частоты, по точности превышающие все существующие эталоны. Долговременная стабильность частоты, т.е. стабильность за длительный период оценивается значениями 10^-9 – 10^-10, а кратковременная стабильность(минутная) может достигать 10^-11.  

В настоящее время квантовые генераторы широко используются в качестве стандартов частоты в системах службы времени. Квантовые усилители, применяемые в приемных устройствах различных радиотехнических систем, позволяют существенно повысить чувствительность аппаратуры и снизить уровень внутренних шумов.

Одной из особенностей квантовых генераторов, определяющей их быстрое совершенствование, является их способность эффективно работать на весьма высоких частотах, включая оптический диапазон, т. е. практически до частот порядка 10⁹   Мгц.

Генераторы  оптического диапазона позволяют  получить высокую направленность излучения, высокую плотность энергии в световом пучке (порядка 10¹²—10¹³ вт/м²) и огромный частотный диапазон,  допускающий передачу большого объема информации.

Применение  генераторов оптического диапазона  в системах связи, локации и навигации, открывает новые перспективы существенного повышения дальности и надежности связи, разрешающей способности радиолокационных систем по дальности и углу, а также перспективы создания навигационных систем высокой точности.

Генераторы оптического диапазона находят применение при научных исследованиях

исследованиях и в промышленности. Чрезвычайно высокая концентрация энергии в узком пучке позволяет, например, прожигать отверстия очень малого диаметра в сверхтвердых сплавах и минералах, включая самый твердый минерал- алмаз.

      Квантовые генераторы обычно различают:

1. по характеру активного вещества (твердого или газообразного), квантовые явления в котором определяют работу приборов.
2. по диапазону рабочих частот (сантиметровый и миллиметровый диапазон, оптический диапазон – инфракрасный и видимый участки спектра)
3. по методу возбуждения активного вещества или разделению молекул по энергетическим уровням.

По рабочему диапазону частот квантовые генераторы подразделяются на мазеры и  лазеры. Название мазер - сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation MASER) . Название лазер - сокращение фразы «Усиление света с помощью вынужденного излучения» (light amplification by stimulated emission of radiation LASER)  

 

1.2 История создания

Историю создания мазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые  ввел представление о вынужденном  испускании. Это был первый шаг  на пути к лазеру. Следующий шаг  сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики ( ныне академики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором” (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США ( группой под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” и произошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light – свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип – принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

 

2. Принципы работы  квантовых генераторов. 

В квантовых  генераторах при определенных условиях наблюдается непосредственное преобразование внутренней энергии атомов или молекул  в энергию электромагнитного  излучения. Это преобразование энергии  происходит в результате квантовых  переходов – энергетических переходов, сопровождающихся выделением квантов(порций) энергии.

      При отсутствии внешнего воздействия между  молекулами( или атомами) вещества происходит обмен энергией. Часть молекул  излучает электромагнитные колебания, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий, часть – поглощает, совершая обратный переход. В целом в стационарных условиях система, состоящая из огромного числа молекул, находится в динамическом равновесии, т.е. в результате непрерывного обмена энергией количество излученной энергии равно количеству поглощенной.

      Населенность  энергетических уровней, т.е. количество атомов или молекул, находящихся  на различных уровнях, определяется температурой вещества. Населенность уровней N₁ и N₂ с энергией W₁ и W₂ определяется распределением Больцмана: 

  (1) 

где k – постоянная Больцмана;

      Т – абсолютная температура вещества. 

В состоянии  теплового  равновесия  квантовые  системы имеют меньшее количество молекул на более высоких энергетических уровнях, и поэтому   они не излучают, а лишь поглощают энергию при внешнем облучении. Молекулы (или атомы) при этом переходят на более высокие энергетические уровни.

      В молекулярных генераторах и усилителях, использующих переходы между энергетическими уровнями, очевидно, необходимо создать искусственные условия, при которых населенность более высокого энергетического уровня будет выше. В этом случае под влиянием внешнего высокочастотного поля определенной частоты, близкой к частоте квантового перехода, может наблюдаться интенсивное излучение, связанное с переходом с высокого на низкий энергетический уровень. Такое излучение, вызванное внешним полем, называется индуцированным.

      Внешнее высокочастотное поле основной частоты, соответствующей частоте квантового перехода (эту частоту называют резонансной), не только вызывает интенсивное индуцированное излучение, но и осуществляет  фазирование излучения отдельных молекул, что обеспечивает сложение колебаний и проявление эффекта усиления.

     Состояние  квантового  перехода,  когда населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего уровня перехода называется инвертированным.                             

     Существует  несколько способов для получения высокой населенности верхних энергетических уровней(инверсии населенностей).

      В газообразных веществах, например в  аммиаке, можно осуществить разделение (сортировку) молекул по различным  энергетическим состояниям  с помощью  внешнего постоянного электрического поля.

      В твердых телах такое разделение затруднительно, поэтому используются различные методы возбуждения молекул, т.е. методы перераспределения молекул по энергетическим уровням путем облучения внешним высокочастотным полем. 
 

     Изменение населенности уровней (инверсию населенности уровней) можно произвести путем импульсного облучения высокочастотным полем резонансной частоты достаточной интенсивности. При правильном подборе длительности импульса (длительность импульса должна быть много меньше времени релаксации, т. е. времени восстановления динамического равновесия) после облучения некоторое время можно осуществлять усиление внешнего высокочастотного сигнала.

Наиболее  удобным методом возбуждения, широко используемым в настоящее время  в генераторах, является метод облучения  внешним высокочастотным    полем,    существенно отличающимся по частоте от генерируемых колебаний, под действием которого и происходит необходимое перераспределение молекул по энергетическим уровням.

     Работа  большинства квантовых генераторов основана на использовании трех или четырех энергетических уровней (хотя принципиально можно использовать другое число уровней). Предположим, что генерирование происходит за счет индуцированного перехода с уровня 3 на уровень 2 ( см. рис. 1).

Для того чтобы   активное   вещество усиливало на частоте перехода 3 -> 2, необходимо сделать населенность уровня 3 выше населенности уровня 2. Эту задачу выполняет вспомогательное высокочастотное поле частотой ν_всп   которое «перебрасывает» часть молекул с уровня 1 на уровень 3. Инверсия населенностей возможна при определенных параметрах квантовой системы и достаточной мощности вспомогательного излучения.

     Генератор, создающий  вспомогательное  высокочастотное  поле для увеличения населенности более  высокого энергетического уровня   называют    генератором  подкачки    или    подсветки. Последний термин связан с генераторами колебаний видимого и инфракрасного спектров, в которых для подкачки используются световые источники.

     Таким образом, для осуществления эффективной  работы квантового генератора необходимо подобрать активное вещество, имеющее определенную систему энергетических уровней, между которыми мог бы происходить энергетический переход, а также выбрать наиболее целесообразный способ возбуждения или разделения молекул по энергетическим уровням. 

      

       

     Рисунок 1. Схема энергетических переходов

     в квантовых генераторах 
 
 

3. Схемы квантовых  генераторов

Квантовые генераторы и усилители различают по типу используемого в них активного вещества. В настоящее время получили развитие главным образом два вида квантовых приборов, в которых применяются газообразные и твердые активные вещества

способные    к  интенсивному   индуцированному излучению.