Квантовые генераторы

3.1 Молекулярные генераторы с разделением молекул по энергетическим уровням. 

Предварительно  рассмотрим квантовый генератор  с газообразным активным веществом, в котором с помощью электрического поля производится разделение (сортировка ) молекул, находящихся на высоком и низком энергетических уровнях. Этот тип квантового генератора обычно называют молекулярным генератором на пучке молекул.                                                             

Рисунок 2. Схема молекулярного генератора на пучке аммиака

1 – источник аммиака; 2- сетка; 3 – диафрагма; 4 – резонатор; 5 – сортирующее устройство 

В практически  реализованных молекулярных  генераторах используется газ аммиак (химическая формула NH₃), в котором весьма ярко выражено молекулярное излучение связанное с переходом между различными энергетическими уровнями. В диапазоне сверхвысоких частот наиболее интенсивное излучение наблюдается при энергетическом переходе, соответствующем частоте f_n = 23 870 МГц (λ_n =1.26 см). Упрощенная схема генератора, работающего на аммиаке в газообразном состоянии изображена на рисунке 2.

Основные  элементы устройства, очерченные на рисунке 2 пунктиром, в ряде случаев размещаются в специальной системе, охлаждаемой жидким азотом, что обеспечивает низкую температуру активного вещества и всех элементов, необходимую для получения низкого уровня шумов и высокой стабильности частоты генератора.

      Молекулы  аммиака выходят из резервуара при  весьма низком давлении, измеряемом   единицами   миллиметров   ртутного   столба.

     Для получения пучка молекул, движущихся практически параллельно в продольном направлении, аммиак пропускается через диафрагму с большим числом узких аксиально направленных каналов. Диаметр этих каналов выбирается достаточно малым по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул.  Для уменьшения скорости движения молекул и, следовательно, снижения вероятности столкновения и самопроизвольного , т. е. неиндуцированного, излучения, приводящего к флюктуационным шумам, диафрагма охлаждается жидким гелием или азотом.

     Для уменьшения вероятности столкновения молекул можно было бы идти не по пути снижения температуры, а по пути уменьшения давления, однако при этом уменьшалось бы число молекул в резонаторе, одновременно взаимодействующих с высокочастотным полем последнего, и уменьшалась бы мощность, отдаваемая возбужденными молекулами высокочастотному полю резонатора.

     Для использования газа в качестве активного  вещества молекулярного генератора необходимо повысить число молекул, находящихся на более высоком  энергетическом уровне, против их количества, определяемого динамическим равновесием при  заданной  температуре.

     В генераторе рассматриваемого типа это  достигается путем отсортирования из молекулярного пучка молекул  низкого энергетического уровня с помощью так называемого квадрупольного конденсатора.

Квадрупольный конденсатор образуется четырьмя металлическими продольными стержнями специального профиля (рисунок 3а), соединённых попарно  через один с высоковольтным выпрямителем  которые имеют одинаковый по величине, но чередующийся по знаку потенциал. Результирующее электрическое поле такого конденсатора на продольной оси генератора из-за симметрии системы равно нулю и достигает максимального значения в пространстве между смежными стержнями   (рисунок 3б).

Рисунок 3. Схема квадрупольного конденсатора 

Процесс   сортировки   молекул   протекает  следующим образом. Установлено, что  молекулы, находящиеся в электрической  поле изменяют свою внутреннюю энергию  с возрастанием напряженности электрического поля энергия  верхних  уровней возрастает  а нижних - уменьшается   (рисунок   4).

 

Рисунок 4. Зависимость энергии уровней от напряженности электрического поля:

1. верхний энергетический уровень
2. нижний энергетический уровень

 
 
 

  Это  явление носит название эффекта Штарка. Вследствие эффекта Штарка молекулы аммиака при движении  в поле    квадрупольного    конденсатора,      стремясь уменьшить свою энергию,   т. е. приобрести    более     устойчивое состояние,    разделяются:   молекулы верхнего энергетического уровня стремятся выйти   из области сильного   электрического поля,   т. е.    смещаются   к   оси конденсатора,  где    поле   равно нулю,    а    молекулы    нижнего уровня,  наоборот,   перемешаются в область    сильного    поля, т. е. удаляются от оси   конденсатора, приближаясь   к пластинам  последнего.    В   результате этого молекулярный пучок оказывается не только в значительной степени   освобожденным  от молекул нижнего энергетического уровня, но и достаточно хорошо сфокусированным.

      После прохождения сортирующего устройства молекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту используемого в   генераторе  энергетического  перехода  f_n = 23 870  Мгц.

     Высокочастотное поле объемного резонатора вызывает индуцированное излучение молекул, связанное с переходом с верхнего энергетического уровня на нижний. Если излучаемая молекулами энергия равна энергии, расходуемой в резонаторе и передаваемой во внешнюю нагрузку то в системе устанавливается стационарный колебательный процесс и рассмотренное устройство может быть использовано в качестве генератора стабильных по частоте колебаний. 

     Процесс установления колебаний в генераторе протекает следующим образом.

Поступающие в  резонатор  молекулы,     находящиеся   преимущественно   на   верхнем   энергетическом   уровне,   самопроизвольно (спонтанно}  совершают переход на нижний уровень,    излучая при этом кванты энергии электромагнитной энергии и возбуждая резонатор. Вначале это возбуждение резонатора весьма слабо, так как энергетический переход молекул носит случайный характер. Электромагнитное поле резонатора, воздействуя на молекулы пучка, вызывает индуцированные переходы,   которые  в свою очередь увеличивают поле резонатора. Так, постепенно возрастая, поле резонатора будет все в большей степени воздействовать на молекулярный пучок, а энергия, выделяемая при индуцированных переходах, будет усиливать поле резонатора. Процесс увеличения интенсивности колебаний будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение, при котором поле резонатора будет настолько велико,   что в  период прохождения   молекул   через   резонатор   оно   будет   вызывать   не только индуцированные переходы с верхнего уровня  на нижний, но частично и обратные переходы, связанные с поглощением электромагнитной энергии.  При  этом мощность,  выделяемая молекулами аммиака, уже не увеличивается и, следовательно, дальнейшее нарастание амплитуды колебаний становится невозможным.  Устанавливается стационарный режим генерации.

      Следовательно это  не простое возбуждение резонатора, а автоколебательная система, включающая в себя обратную связь, которая осуществляется через высокочастотное поле резонатора. Излучение пролетающих через резонатор молекул возбуждает высокочастотное поле, которое в свою очередь обусловливает индуцированное излучение молекул, фазирование и когерентность этого излучения.

      В тех случаях, когда условия самовозбуждения  не выполняются (например, недостаточна плотность молекулярного потока, пронизывающего резонатор), данное устройство может быть использовано в качестве усилителя с весьма малым уровнем внутренних шумов. Коэффициент усиления такого прибора можно регулировать, изменяя   плотность   молекулярного   потока.

     Объемный  резонатор молекулярного генератора имеет весьма высокую добротность, измеряемую десятками тысяч. Для получения столь высокой добротности стенки резонатора подвергаются тщательной обработке и серебрятся. Отверстия для входа и выхода молекул, имеющие очень малый диаметр, одновременно выполняют роль высокочастотных фильтров. Они являются короткими волноводами, критическая длина волны которых меньше собственной длины волны резонатора, и поэтому высокочастотная энергия резонатора практически   через   них   не   выходит.

     Для  точной настройки резонатора на частоту  перехода в последнем используется какой-либо подстраивающий элемент. В простейшем случае -  это винт, погружение которого в резонатор несколько   изменяет   частоту   последнего.

      В дальнейшем будет показано, что частота  молекулярного генератора несколько  «затягивается» при изменении частоты настройки резонатора. Правда затягивание частоты невелико и оценивается величинами порядка 10^-11, однако ими нельзя пренебрегать, вследствие высоких требований, предъявляемых к молекулярным генераторам. По этой причине в ряде молекулярных генераторов жидким азотом (или жидким воздухом) охлаждается только диафрагма и сортирующая система, а резонатор помещается в термостат, температура в котором с помощью автоматического устройства поддерживается постоянной с точностью до долей градуса. На рисунке 5 схематически показано устройство подобного типа генератора.

      Мощность  молекулярных генераторов на аммиаке  обычно не превышает 10^-7 Вт,

поэтому практически они используются главным образом в качестве высокостабильных эталонов частоты. Стабильность частоты такого   генератора   оценивается   величиной

10^-8 – 10^-10.  В течение одной секунды генератор обеспечивает стабильность частоты порядка 10^-13.

Одним из существенных  недостатков рассмотренной  конструкции генератора  является  необходимость непрерывной откачки  и поддержания молекулярного потока. 

Рисунок 5. Устройство молекулярного генератора

  с автоматической  стабилизацией температуры  резонатора:

1- источник  аммиака; 2 – система капилляров; 3- жидкий азот; 4 –резонатор; 5 – система  водяной терморегулировки; 6 – квадрупольный конденсатор.

 

3.2 Квантовые генераторы  с внешней подкачкой 

      В рассматриваемом типе квантовых  генераторов в качестве активного  вещества могут использоваться как  твердые тела, так и газы, в  которых ярко выражена способность  к индуцированным энергетически переходам атомов или молекул, возбужденных внешним высокочастотным полем. В оптическом диапазоне для возбуждения(подкачки) активного вещества применяются различные источники светового излучения.

      Генераторы  оптического диапазона обладают рядом положительных качеств, и нашли широкое применение в различных радиотехнических системах связи, навигации и т. п.

Как и  в квантовых генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов, в лазерах обычно используются трехуровневые системы, т. е. активные вещества, в которых осуществляется переход между тремя энергетическими уровнями.

Однако  следует отметить одну особенность, которую необходимо учитывать при выборе активного вещества для генераторов и усилителей  оптического диапазона.

      Из  соотношения W₂ –W₁ =hν следует, что по мере повышения рабочей частоты ν в генераторах и усилителях необходимо использовать более высокую разность энергетических уровней. Для генераторов оптического диапазона, ориентировочно соответствующего частотному диапазону 2∙10⁷—9∙10⁸ Мгц (длина волны 15—0,33 мк), разность энергии уровней W₂ –W₁ должна быть на 2—4 порядка выше, чем для генераторов сантиметрового диапазона.

     В качестве активного вещества в генераторах  оптического диапазона используются как твердые тела, так и газы.

     В качестве твердого активного вещества широко используется искусственный  рубин — кристаллы корунда (А1₂О₃) с примесью ионов хрома (Сr). Помимо рубина широкое применение находят также стекла, активированные неодимом (Nd), кристаллы вольфрамата кальция (СаWO₄) с примесью ионов неодима, кристаллы фтористого кальция (СаF₂) с примесью ионов диспрозия (Dy) или урана и другие материалы.