Sl
Ανάλογα με το μήκος κύματος που εκπέμπει η κβαντική γεννήτρια, μπορεί να ονομαστεί διαφορετικά:
λέιζερ (οπτικό εύρος);
μέιζερ (εύρος μικροκυμάτων);
Razer (εύρος ακτίνων Χ).
gaser (εύρος γάμμα).
Sl
Στην πραγματικότητα, η λειτουργία αυτών των συσκευών βασίζεται στη χρήση των αξιωμάτων του Bohr:
Ένα άτομο και ατομικά συστήματα μπορούν να παραμείνουν μόνο για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ειδικές σταθερές ή κβαντικές καταστάσεις, καθεμία από τις οποίες έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια. Σε ακίνητη κατάσταση, ένα άτομο δεν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Η εκπομπή φωτός συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια στατική κατάσταση με υψηλότερη ενέργεια σε μια στατική κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια. Η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου είναι ίση με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των στατικών καταστάσεων.
Τα πιο συνηθισμένα σήμερα είναι τα λέιζερ, δηλαδή οι οπτικές κβαντικές γεννήτριες. Εκτός από τα παιδικά παιχνίδια, έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα στην ιατρική, τη φυσική, τη χημεία, την τεχνολογία των υπολογιστών και άλλες βιομηχανίες. Τα λέιζερ έχουν αναδειχθεί ως «έτοιμη λύση» σε πολλά προβλήματα.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην αρχή λειτουργίας του λέιζερ.
DC4-14
Λέιζερ - μια οπτική κβαντική γεννήτρια που δημιουργεί μια ισχυρή, στενά κατευθυνόμενη συνεκτική μονοχρωματική δέσμη φωτός. (διαφάνειες 1, 2)
( 1. Αυθόρμητη και διεγερμένη εκπομπή.
Εάν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο χαμηλότερο επίπεδο, τότε το άτομο θα απορροφήσει το προσπίπτον φωτόνιο και το ηλεκτρόνιο θα μετακινηθεί από το επίπεδο Ε 1 έως το επίπεδο Ε 2 . Αυτή η κατάσταση είναι ασταθής, ηλεκτρόνιοαυθόρμητα θα περάσει στο επίπεδο Ε 1 με εκπομπή φωτονίων. Η αυθόρμητη εκπομπή συμβαίνει αυθόρμητα, επομένως, το άτομο θα εκπέμπει φως ασυνεπή, χαοτικά, επομένως τα κύματα φωτός δεν είναι συνεπή μεταξύ τους ούτε σε φάση, ούτε σε πόλωση, ούτε σε κατεύθυνση. Αυτό είναι φυσικό φως.
Αλλά είναι επίσης δυνατή η επαγόμενη (αναγκαστική) εκπομπή. Εάν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο ανώτερο επίπεδο Ε 2 (ένα άτομο σε διεγερμένη κατάσταση), τότε όταν πέφτει ένα φωτόνιο, μπορεί να συμβεί μια αναγκαστική μετάβαση ενός ηλεκτρονίου σε χαμηλότερο επίπεδο εκπέμποντας ένα δεύτερο φωτόνιο.
Sl
Η ακτινοβολία κατά τη μετάβαση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο από ένα ανώτερο ενεργειακό επίπεδο σε ένα χαμηλότερο με την εκπομπή ενός φωτονίου υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (προσπίπτον φωτόνιο) ονομάζεταιαναγκαστικά ή προκληθέντα .
Ιδιότητες διεγερμένης εκπομπής:
ταυτόσημη συχνότητα και φάση πρωτογενών και δευτερογενών φωτονίων.
ίδια κατεύθυνση διάδοσης.
ίδια πόλωση.
Κατά συνέπεια, η διεγερμένη εκπομπή παράγει δύο πανομοιότυπα δίδυμα φωτόνια.
Sl
2. Χρήση ενεργών μέσων.
Η κατάσταση της ύλης σε ένα μέσο στο οποίο λιγότερα από τα μισά άτομα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση ονομάζεταικράτος με κανονικό πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων . Αυτή είναι μια φυσιολογική κατάσταση του περιβάλλοντος.
Sl
Ένα περιβάλλον στο οποίο περισσότερα από τα μισά άτομα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση ονομάζεταιενεργό μέσο με αντίστροφο πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων
. (διαφάνεια 9)
Σε ένα μέσο με αντίστροφο πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων, το κύμα φωτός ενισχύεται. Αυτό είναι ένα ενεργό περιβάλλον.
Η ένταση του φωτός μπορεί να συγκριθεί με την ανάπτυξη μιας χιονοστιβάδας.
Sl
Για τη λήψη του ενεργού μέσου, χρησιμοποιείται ένα σύστημα τριών επιπέδων.
Στο τρίτο επίπεδο, το σύστημα ζει πολύ σύντομα, μετά το οποίο περνά αυθόρμητα στην κατάσταση Ε 2 χωρίς εκπομπή φωτονίου. Μετάβαση από το κράτος2 σε μια πολιτεία 1 συνοδεύεται από την εκπομπή φωτονίου, το οποίο χρησιμοποιείται στα λέιζερ.
Η διαδικασία μετάβασης ενός μέσου σε αντίστροφη κατάσταση ονομάζεταιαντλείται . Τις περισσότερες φορές, η ακτινοβολία φωτός (οπτική άντληση), η ηλεκτρική εκκένωση, το ηλεκτρικό ρεύμα και οι χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για αυτό. Για παράδειγμα, αφού αναβοσβήνει μια ισχυρή λυχνία, το σύστημα μεταβαίνει σε κατάσταση3 , μετά από σύντομο χρονικό διάστημα στην πολιτεία2 , στο οποίο ζει για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό δημιουργεί υπερπληθυσμό σε επίπεδο2 .
Sl
3. Θετική ανατροφοδότηση.
Για τη μετάβαση από τη λειτουργία ενίσχυσης φωτός στη λειτουργία παραγωγής στο λέιζερ, χρησιμοποιείται ανάδραση.
Η ανάδραση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα οπτικό αντηχείο, το οποίο είναι συνήθως ένα ζευγάρι παράλληλων κατόπτρων. (διαφάνεια 11)
Ως αποτέλεσμα μιας από τις αυθόρμητες μεταβάσεις από το ανώτερο επίπεδο στο κατώτερο εμφανίζεται ένα φωτόνιο. Όταν κινείται προς έναν από τους καθρέφτες, ένα φωτόνιο προκαλεί μια χιονοστιβάδα φωτονίων. Μετά την ανάκλαση από τον καθρέφτη, μια χιονοστιβάδα φωτονίων κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση, προκαλώντας ταυτόχρονα όλα τα νέα άτομα να εκπέμπουν φωτόνια. Η διαδικασία θα συνεχιστεί όσο υπάρχειαντίστροφος πληθυσμός επίπεδο
Αντίστροφος πληθυσμός επίπεδα ενέργειας - μια κατάσταση μη ισορροπίας του περιβάλλοντος, στην οποία ο αριθμός των σωματιδίων (άτομα, μόρια) που βρίσκονται στα ανώτερα ενεργειακά επίπεδα, δηλ. σε διεγερμένη κατάσταση, είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των σωματιδίων που βρίσκονται στα χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα. .
Ενεργό στοιχείο
άντληση
άντληση
Οπτικό αντηχείο
Ροές φωτός που κινούνται σε πλευρικές κατευθύνσεις εγκαταλείπουν γρήγορα το ενεργό στοιχείο χωρίς να έχουν χρόνο να αποκτήσουν σημαντική ενέργεια. Το κύμα φωτός που διαδίδεται κατά μήκος του άξονα του συντονιστή ενισχύεται πολλές φορές. Το κάτω μέρος των καθρεπτών γίνεται ημιδιαφανές και από αυτό το κύμα λέιζερ βγαίνει στο περιβάλλον.
Sl
4. Ruby laser .
Το κύριο μέρος ενός λέιζερ ρουμπινιού είναιράβδος ρουμπίνι. Το ρουμπίνι αποτελείται από άτομαΟ ΑλΚαι Ομε ένα μείγμα ατόμωνCr. Είναι άτομα χρωμίου που δίνουν στο ρουμπίνι το χρώμα του και έχουν μετασταθερή κατάσταση.
Sl
Ένας σωλήνας μιας λάμπας εκκένωσης αερίου, που ονομάζεταιλάμπα αντλίας . Η λυχνία αναβοσβήνει για λίγο και γίνεται άντληση.
Το λέιζερ ρουμπίνι λειτουργεί σε παλμική λειτουργία. Υπάρχουν και άλλα είδη λέιζερ: αέριο, ημιαγωγός... Μπορούν να λειτουργήσουν σε συνεχή λειτουργία.
Sl
5. Ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ :
η πιο ισχυρή πηγή φωτός.
P του Ήλιου = 10 4 W/cm 2 , P του λέιζερ = 10 14 W/cm 2 .
εξαιρετική μονοχρωματικότητα (μονοχρωματικά κύματα – χωρικά απεριόριστα κύματα μιας συγκεκριμένης και αυστηρά σταθερής συχνότητας) ;
δίνει πολύ μικρό βαθμό απόκλισης γωνίας.
συνοχή ( εκείνοι. συντονισμένη εμφάνιση στο χρόνο και στο χώρο πολλών ταλαντωτικών ή κυματικών διεργασιών) .
DC3
Για λειτουργία με λέιζερ
απαιτείται σύστημα άντλησης. Δηλαδή, θα δώσουμε σε ένα άτομο ή σε ένα ατομικό σύστημα λίγη ενέργεια, τότε, σύμφωνα με το 2ο αξίωμα του Bohr, το άτομο θα μετακινηθεί σε υψηλότερο επίπεδο με μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας. Η επόμενη εργασία είναι να επιστρέψει το άτομο στο προηγούμενο επίπεδο, ενώ εκπέμπει φωτόνια ως ενέργεια.
Με επαρκή ισχύ λαμπτήρα, τα περισσότερα ιόντα χρωμίου μεταφέρονται σε διεγερμένη κατάσταση.
Η διαδικασία μετάδοσης ενέργειας στο σώμα εργασίας ενός λέιζερ για τη μετατροπή των ατόμων σε διεγερμένη κατάσταση ονομάζεται άντληση.
Το φωτόνιο που εκπέμπεται σε αυτή την περίπτωση μπορεί να προκαλέσει την διεγερμένη εκπομπή πρόσθετων φωτονίων, τα οποία με τη σειρά τους θα προκαλέσουν διεγερμένη εκπομπή)
DC15
Η φυσική βάση της λειτουργίας λέιζερ είναι το φαινόμενο. Η ουσία του φαινομένου είναι ότι ένας διεγερμένος είναι ικανός να εκπέμπει υπό την επίδραση ενός άλλου φωτονίου χωρίς απορρόφηση, εάν το τελευταίο είναι ίσο με τη διαφορά ενέργειας
Ο Maser εκπέμπει ΦΟΥΡΝΟΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΩΝ, Μέγεθος - ακτινογραφία , και gaser - ακτινοβολία γάμμα.
DC16
Maser - Εκπομπή κβαντικής γεννήτριας
συνεκτικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην περιοχή των εκατοστών (μικροκύματα).
Τα Masers χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία (ιδίως στις διαστημικές επικοινωνίες), στη φυσική έρευνα, καθώς και ως κβαντικές γεννήτριες τυπικής συχνότητας.
Sl
Μάλλον (λέιζερ ακτίνων Χ) - πηγή συνεκτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή ακτίνων Χ, με βάση την επίδραση της διεγερμένης εκπομπής. Είναι ένα ανάλογο βραχέων κυμάτων ενός λέιζερ.
Sl
Οι εφαρμογές της συνεκτικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ περιλαμβάνουν έρευνα σε πυκνό πλάσμα, μικροσκοπία ακτίνων Χ, ιατρική απεικόνιση ανάλυσης φάσης, εξερεύνηση επιφάνειας υλικού και όπλα. Το μαλακό λέιζερ ακτίνων Χ μπορεί να χρησιμεύσει ως λέιζερ πρόωσης.
Sl
Οι εργασίες στο πεδίο του γκαζέρ συνεχίζονται, καθώς δεν έχει δημιουργηθεί αποτελεσματικό σύστημα άντλησης.
Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται σε έναν ολόκληρο κατάλογο βιομηχανιών :
6. Εφαρμογή λέιζερ : (διαφάνεια 16)
στη ραδιοαστρονομία για τον προσδιορισμό των αποστάσεων από τα σώματα του ηλιακού συστήματος με μέγιστη ακρίβεια (εντοπιστής φωτός).
επεξεργασία μετάλλων (κοπή, συγκόλληση, τήξη, διάτρηση).
στη χειρουργική αντί για ένα νυστέρι (για παράδειγμα, στην οφθαλμολογία).
για τη λήψη τρισδιάστατων εικόνων (ολογραφία).
επικοινωνίες (ειδικά στο διάστημα).
καταγραφή και αποθήκευση πληροφοριών·
σε χημικές αντιδράσεις?
για τη διεξαγωγή θερμοπυρηνικών αντιδράσεων σε πυρηνικό αντιδραστήρα·
πυρηνικά όπλα.
Sl
Έτσι, οι κβαντικές γεννήτριες έχουν μπει σταθερά στην καθημερινή ζωή της ανθρωπότητας, καθιστώντας δυνατή την επίλυση πολλών προβλημάτων που ήταν πιεστικά εκείνη την εποχή.
Οι κβαντικές γεννήτριες χρησιμοποιούν την εσωτερική ενέργεια μικροσυστημάτων - άτομα, μόρια, ιόντα - για να δημιουργήσουν ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις.
Οι κβαντικές γεννήτριες ονομάζονται επίσης λέιζερ. Η λέξη λέιζερ αποτελείται από τα αρχικά γράμματα της αγγλικής ονομασίας για κβαντικές γεννήτριες - ένας ενισχυτής φωτός που δημιουργεί διεγερμένη ακτινοβολία.
Η αρχή λειτουργίας μιας κβαντικής γεννήτριας είναι η εξής. Κατά την εξέταση της ενεργειακής δομής της ύλης, αποδείχθηκε ότι η αλλαγή στην ενέργεια των μικροσωματιδίων (άτομα, μόρια, ιόντα, ηλεκτρόνια) δεν συμβαίνει συνεχώς, αλλά διακριτά - σε τμήματα που ονομάζονται κβάντα (από το λατινικό quantim - ποσότητα).
Τα μικροσυστήματα στα οποία τα στοιχειώδη σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ονομάζονται κβαντικά συστήματα.
Η μετάβαση ενός κβαντικού συστήματος από τη μια ενεργειακή κατάσταση στην άλλη συνοδεύεται από την εκπομπή ή την απορρόφηση ενός κβαντικού συστήματος ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας hv: E 2 - Ei=hv, Οπου Ε 1 Και Ε 2 - ενεργειακές καταστάσεις: η - Η σταθερά του Planck. v - συχνότητα.
Είναι γνωστό ότι η πιο σταθερή κατάσταση οποιουδήποτε συστήματος, συμπεριλαμβανομένου ενός ατόμου και ενός μορίου, είναι η κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια. Επομένως, κάθε σύστημα τείνει να καταλαμβάνει και να διατηρεί μια κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια. Κατά συνέπεια, στην κανονική κατάσταση, το ηλεκτρόνιο κινείται στην τροχιά που βρίσκεται πλησιέστερα στον πυρήνα. Αυτή η κατάσταση του ατόμου ονομάζεται γείωση ή ακίνητη.
Υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων - θέρμανση, φωτισμός, ηλεκτρομαγνητικό πεδίο - η ενεργειακή κατάσταση του ατόμου μπορεί να αλλάξει.
Εάν ένα άτομο, για παράδειγμα, υδρογόνου αλληλεπιδράσει με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, τότε απορροφά ενέργεια Ε 2 -E 1 = hv και το ηλεκτρόνιό του κινείται σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Αυτή η κατάσταση του ατόμου ονομάζεται διεγερμένη. Ένα άτομο μπορεί να παραμείνει σε αυτό για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, που ονομάζεται διάρκεια ζωής του διεγερμένου ατόμου. Μετά από αυτό, το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στο κατώτερο επίπεδο, δηλαδή στη σταθερή κατάσταση του εδάφους, εγκαταλείποντας την περίσσεια ενέργειας με τη μορφή ενός εκπεμπόμενου ενεργειακού κβαντικού - ενός φωτονίου.
Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας κατά τη μετάβαση ενός κβαντικού συστήματος από μια διεγερμένη κατάσταση σε μια βασική κατάσταση χωρίς εξωτερική επίδραση ονομάζεται αυθόρμητη ή αυθόρμητη. Στην αυθόρμητη εκπομπή, τα φωτόνια εκπέμπονται σε τυχαίους χρόνους, σε αυθαίρετη κατεύθυνση, με αυθαίρετη πόλωση. Γι' αυτό λέγεται ασυνάρτητο.
Ωστόσο, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, το ηλεκτρόνιο μπορεί να επιστρέψει στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο ακόμη και πριν λήξει η διάρκεια ζωής του ατόμου στη διεγερμένη κατάσταση. Εάν, για παράδειγμα, δύο φωτόνια δρουν σε ένα διεγερμένο άτομο, τότε υπό ορισμένες συνθήκες το ηλεκτρόνιο του ατόμου επιστρέφει στο χαμηλότερο επίπεδο, εκπέμποντας ένα κβάντο με τη μορφή φωτονίου. Σε αυτή την περίπτωση και τα τρία φωτόνια έχουν κοινή φάση, κατεύθυνση και πόλωση της ακτινοβολίας. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αυξάνεται.
Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από ένα κβαντικό σύστημα όταν το ενεργειακό του επίπεδο μειώνεται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ονομάζεται εξαναγκασμένη, επαγόμενη ή διεγερμένη.
Η επαγόμενη ακτινοβολία συμπίπτει σε συχνότητα, φάση και κατεύθυνση με την εξωτερική ακτινοβολία. Ως εκ τούτου, μια τέτοια ακτινοβολία ονομάζεται συνεκτική (συνοχή - από το λατινικό cogerentia - συνοχή, σύνδεση).
Δεδομένου ότι η ενέργεια του εξωτερικού πεδίου δεν δαπανάται για την τόνωση της μετάβασης του συστήματος σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενισχύεται και η ενέργειά του αυξάνεται κατά την τιμή της ενέργειας του εκπεμπόμενου κβαντικού. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για την ενίσχυση και τη δημιουργία ταλαντώσεων χρησιμοποιώντας κβαντικές συσκευές.
Επί του παρόντος, τα λέιζερ κατασκευάζονται από υλικά ημιαγωγών.
Το λέιζερ ημιαγωγών είναι μια συσκευή ημιαγωγών στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται απευθείας σε ενέργεια ακτινοβολίας στην οπτική περιοχή.
Για να λειτουργήσει ένα λέιζερ, δηλαδή για να δημιουργήσει το λέιζερ ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις, είναι απαραίτητο να υπάρχουν περισσότερα διεγερμένα σωματίδια στην ουσία του παρά μη διεγερμένα.
Αλλά στην κανονική κατάσταση ενός ημιαγωγού, σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι μικρότερος από ότι σε χαμηλότερα επίπεδα. Επομένως, στην κανονική του κατάσταση, ένας ημιαγωγός απορροφά ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.
Η παρουσία ηλεκτρονίων σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο ονομάζεται πληθυσμός του επιπέδου.
Η κατάσταση ενός ημιαγωγού στον οποίο υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο από ό,τι σε χαμηλότερο ονομάζεται κατάσταση αναστροφής πληθυσμού. Ένας ανεστραμμένος πληθυσμός μπορεί να δημιουργηθεί με διάφορους τρόπους: χρησιμοποιώντας την έγχυση φορέων φορτίου κατά την απευθείας ενεργοποίηση της διασταύρωσης p-n, ακτινοβολώντας τον ημιαγωγό με φως κ.λπ.
Η πηγή ενέργειας, δημιουργώντας μια πληθυσμιακή αντιστροφή, εκτελεί έργο μεταφέροντας ενέργεια στην ουσία και στη συνέχεια στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Σε έναν ημιαγωγό με ανεστραμμένο πληθυσμό, μπορεί να επιτευχθεί διεγερμένη εκπομπή, καθώς περιέχει μεγάλο αριθμό διεγερμένων ηλεκτρονίων που μπορούν να εγκαταλείψουν την ενέργειά τους.
Εάν ένας ημιαγωγός με ανεστραμμένο πληθυσμό ακτινοβοληθεί με ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις με συχνότητα ίση με τη συχνότητα μετάβασης μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων, τότε τα ηλεκτρόνια από το ανώτερο επίπεδο αναγκάζονται να μετακινηθούν στο κατώτερο επίπεδο, εκπέμποντας φωτόνια. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται διεγερμένη συνεκτική εκπομπή. Είναι ενισχυμένο. Δημιουργώντας ένα κύκλωμα θετικής ανάδρασης σε μια τέτοια συσκευή, λαμβάνουμε ένα λέιζερ - έναν αυτοταλαντωτή ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων στην οπτική περιοχή.
Για την κατασκευή λέιζερ χρησιμοποιείται συχνότερα το αρσενίδιο του γαλλίου, από το οποίο κατασκευάζεται ένας κύβος με πλευρές μήκους μερικών δέκατων του χιλιοστού.
Κεφάλαιο 4. ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΠΟΜΠΟΥ
Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βαλτικής
"Voenmekh" που πήρε το όνομά του. D. F. Ustinova
Τμήμα Ι4
"Ραδιοηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου"
Συσκευές λήψης και μετατροπής σημάτων
Μαθήματα για το θέμα
«
Κβαντικές γεννήτριες »
Ολοκληρώθηκε το:
Peredelsky Oleg
Ομάδα Ι471
Τετραγωνισμένος:
Tarasov A.I.
Αγία Πετρούπολη
2010
1. Εισαγωγή
Αυτή η εργασία πραγματεύεται τις αρχές λειτουργίας κβαντικών γεννητριών, κυκλωμάτων γεννήτριας, σχεδιαστικά χαρακτηριστικά τους, θέματα σταθερότητας συχνότητας γεννητριών και αρχές διαμόρφωσης σε κβαντικές γεννήτριες.
1.1 Γενικές πληροφορίες
Η αρχή λειτουργίας των κβαντικών γεννητριών βασίζεται στην αλληλεπίδραση ενός πεδίου υψηλής συχνότητας με άτομα ή μόρια ύλης. Επιτρέπουν τη δημιουργία ταλαντώσεων σημαντικά υψηλότερης συχνότητας και υψηλής σταθερότητας.
Χρησιμοποιώντας κβαντικές γεννήτριες, είναι δυνατό να δημιουργηθούν πρότυπα συχνότητας που υπερβαίνουν όλα τα υπάρχοντα πρότυπα σε ακρίβεια. Μακροπρόθεσμη σταθερότητα συχνότητας, δηλ. Η σταθερότητα για μεγάλο χρονικό διάστημα υπολογίζεται σε 10 -9 – 10 -10 και η βραχυπρόθεσμη σταθερότητα (λεπτά) μπορεί να φτάσει τα 10 -11.
Επί του παρόντος σεΣήμερα, οι κβαντικοί ταλαντωτές χρησιμοποιούνται ευρέως ως πρότυπα συχνότητας σε συστήματα εξυπηρέτησης χρόνου. Οι κβαντικοί ενισχυτές που χρησιμοποιούνται σε συσκευές λήψης διαφόρων ραδιοφωνικών συστημάτων μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την ευαισθησία του εξοπλισμού και να μειώσουν το επίπεδο του εσωτερικού θορύβου.
Ένα από τα χαρακτηριστικά των κβαντικών γεννητριών, που καθορίζει την ταχεία βελτίωσή τους, είναι η ικανότητά τους να λειτουργούν αποτελεσματικά σε πολύ υψηλές συχνότητες, συμπεριλαμβανομένου του οπτικού εύρους, δηλαδή σχεδόν μέχρι συχνότητες της τάξης του 10 9 MHz
Οι γεννήτριες οπτικού εύρους καθιστούν δυνατή την απόκτηση υψηλής κατευθυντικότητας ακτινοβολίας και υψηλής ενεργειακής πυκνότητας στη δέσμη φωτός (περίπου 10 12 -10 13 W/M 2
)
και ένα τεράστιο εύρος συχνοτήτων, που επιτρέπει τη μετάδοση μεγάλου όγκου πληροφοριών.
Η χρήση γεννητριών οπτικής εμβέλειας σε συστήματα επικοινωνίας, τοποθεσίας και πλοήγησης ανοίγει νέες προοπτικές για σημαντική αύξηση της εμβέλειας και της αξιοπιστίας των επικοινωνιών, της ανάλυσης συστημάτων ραντάρ σε εμβέλεια και γωνία, καθώς και προοπτικές δημιουργίας συστημάτων πλοήγησης υψηλής ακρίβειας.
Οι γεννήτριες οπτικού εύρους χρησιμοποιούνται στην επιστημονική έρευνα
έρευνα και βιομηχανία. Η εξαιρετικά υψηλή συγκέντρωση ενέργειας σε μια στενή δέσμη καθιστά δυνατή, για παράδειγμα, την καύση οπών πολύ μικρής διαμέτρου σε υπερσκληρά κράματα και ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του σκληρότερου ορυκτού, του διαμαντιού.
Οι κβαντικές γεννήτριες συνήθως διακρίνονται:
- από τη φύση της δραστικής ουσίας (στερεό ή αέριο), κβαντικά φαινόμενα στα οποία καθορίζουν τη λειτουργία των συσκευών.
με εύρος συχνοτήτων λειτουργίας (εύρος εκατοστών και χιλιοστών, οπτικό εύρος - υπέρυθρες και ορατά μέρη του φάσματος)
με τη μέθοδο διέγερσης της δραστικής ουσίας ή διαχωρισμού των μορίων κατά ενεργειακά επίπεδα.
1.2 Ιστορία της δημιουργίας
Η ιστορία της δημιουργίας του μέιζερ θα πρέπει να ξεκινήσει το 1917, όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε για πρώτη φορά την έννοια της διεγερμένης εκπομπής. Αυτό ήταν το πρώτο βήμα προς το λέιζερ. Το επόμενο βήμα έγινε από τον σοβιετικό φυσικό V.A. Ένας κατασκευαστής που επεσήμανε το 1939 τη δυνατότητα χρήσης διεγερμένης εκπομπής για την ενίσχυση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καθώς περνά μέσα από την ύλη. Η ιδέα που εξέφρασε ο V.A. Fabrikant, ανέλαβε τη χρήση μικροσυστημάτων με αντίστροφο πληθυσμό επιπέδων. Αργότερα, μετά το τέλος του Μεγάλου Πατριωτικού Πολέμου, ο V.A. Ο Fabrikant επέστρεψε σε αυτή την ιδέα και, με βάση την έρευνά του, υπέβαλε το 1951 (μαζί με τους M.M. Vudynsky και F.A. Butaeva) μια αίτηση για την εφεύρεση μιας μεθόδου για την ενίσχυση της ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας διεγερμένη εκπομπή. Για την αίτηση αυτή εκδόθηκε πιστοποιητικό, στο οποίο, κάτω από την επικεφαλίδα «Αντικείμενο της εφεύρεσης», αναγράφεται: «Μια μέθοδος ενίσχυσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (υπεριώδη, ορατή, υπέρυθρη και ραδιοφωνικά μήκη κύματος), που χαρακτηρίζεται από το ότι η ενισχυμένη ακτινοβολία είναι διέρχονται από ένα μέσο στο οποίο, με τη βοήθεια βοηθητικής ακτινοβολίας ή με άλλο τρόπο δημιουργούν μια περίσσεια συγκέντρωσης ατόμων, άλλων σωματιδίων ή των συστημάτων τους στα ανώτερα ενεργειακά επίπεδα που αντιστοιχούν σε διεγερμένες καταστάσεις σε σύγκριση με την κατάσταση ισορροπίας».
Αρχικά, αυτή η μέθοδος ενίσχυσης της ακτινοβολίας εφαρμόστηκε στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων ή πιο συγκεκριμένα στην περιοχή υπερυψηλών συχνοτήτων (εύρος μικροκυμάτων). Τον Μάιο του 1952, στην Πανενωσιακή Διάσκεψη για τη Ραδιοφασματοσκοπία, οι Σοβιετικοί φυσικοί (τώρα ακαδημαϊκοί) N.G. Basov και A.M. Ο Prokhorov έκανε μια αναφορά σχετικά με τη θεμελιώδη δυνατότητα δημιουργίας ενός ενισχυτή ακτινοβολίας στην περιοχή μικροκυμάτων. Το ονόμασαν «μοριακή γεννήτρια» (υποτίθεται ότι χρησιμοποιούσε μια δέσμη μορίων αμμωνίας). Σχεδόν ταυτόχρονα, η πρόταση για χρήση διεγερμένης εκπομπής για την ενίσχυση και τη δημιουργία κυμάτων χιλιοστού υποβλήθηκε στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια των ΗΠΑ από τον Αμερικανό φυσικό Τσαρλς Τάουνς. Το 1954, ένας μοριακός ταλαντωτής, που σύντομα ονομάστηκε μέιζερ, έγινε πραγματικότητα. Αναπτύχθηκε και δημιουργήθηκε ανεξάρτητα και ταυτόχρονα σε δύο μέρη στον κόσμο - στο Ινστιτούτο Φυσικής Π.Ν. Lebedev Academy of Sciences της ΕΣΣΔ (ομάδα με επικεφαλής τους N.G. Basov και A.M. Prokhorov) και στο Πανεπιστήμιο Columbia στις ΗΠΑ (ομάδα με επικεφαλής τον C. Townes). Στη συνέχεια, ο όρος "λέιζερ" προήλθε από τον όρο "maser" ως αποτέλεσμα της αντικατάστασης του γράμματος "M" (το αρχικό γράμμα της λέξης Microwave - microwave) με το γράμμα "L" (το αρχικό γράμμα της λέξης Light - φως). Η λειτουργία τόσο ενός μέιζερ όσο και ενός λέιζερ βασίζεται στην ίδια αρχή - την αρχή που διατυπώθηκε το 1951 από τον V.A. Κατασκευαστής. Η εμφάνιση του maser σήμαινε ότι γεννήθηκε μια νέα κατεύθυνση στην επιστήμη και την τεχνολογία. Στην αρχή ονομάστηκε κβαντική ραδιοφυσική και αργότερα έγινε γνωστή ως κβαντική ηλεκτρονική.
2. Αρχές λειτουργίας κβαντικών γεννητριών.
Στις κβαντικές γεννήτριες, υπό ορισμένες συνθήκες, παρατηρείται άμεση μετατροπή της εσωτερικής ενέργειας των ατόμων ή των μορίων σε ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτός ο ενεργειακός μετασχηματισμός συμβαίνει ως αποτέλεσμα κβαντικών μεταπτώσεων - ενεργειακών μεταπτώσεων που συνοδεύονται από την απελευθέρωση κβαντών (μερίδων) ενέργειας.
Ελλείψει εξωτερικής επιρροής, η ενέργεια ανταλλάσσεται μεταξύ μορίων (ή ατόμων) μιας ουσίας. Μερικά μόρια εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις, μετακινώντας από ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα χαμηλότερο, ενώ άλλα τα απορροφούν, κάνοντας την αντίστροφη μετάβαση. Γενικά, υπό σταθερές συνθήκες, ένα σύστημα που αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό μορίων βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία, δηλ. Ως αποτέλεσμα μιας συνεχούς ανταλλαγής ενέργειας, η ποσότητα ενέργειας που εκπέμπεται είναι ίση με την ποσότητα που απορροφάται.
Ο πληθυσμός των ενεργειακών επιπέδων, δηλ. ο αριθμός των ατόμων ή μορίων που βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα καθορίζεται από τη θερμοκρασία της ουσίας. Ο πληθυσμός των επιπέδων N 1 και N 2 με ενέργειες W 1 και W 2 προσδιορίζεται από την κατανομή Boltzmann:
(1)
Οπου κ– Σταθερά Boltzmann;
Τ– απόλυτη θερμοκρασία της ουσίας.
Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας, τα κβαντικά συστήματα έχουν λιγότερα μόρια σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, και ως εκ τούτου δεν εκπέμπουν, αλλά απορροφούν μόνο ενέργεια όταν εκτίθενται σε εξωτερική ακτινοβολία. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια (ή τα άτομα) μετακινούνται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.
Σε μοριακούς ταλαντωτές και ενισχυτές που χρησιμοποιούν μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών επιπέδων, είναι προφανώς απαραίτητο να δημιουργηθούν τεχνητές συνθήκες κάτω από τις οποίες ο πληθυσμός ενός υψηλότερου ενεργειακού επιπέδου θα είναι υψηλότερος. Σε αυτή την περίπτωση, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου υψηλής συχνότητας ορισμένης συχνότητας, κοντά στη συχνότητα της κβαντικής μετάβασης, μπορεί να παρατηρηθεί έντονη ακτινοβολία που σχετίζεται με τη μετάβαση από ένα υψηλό σε ένα χαμηλό επίπεδο ενέργειας. Μια τέτοια ακτινοβολία που προκαλείται από ένα εξωτερικό πεδίο ονομάζεται επαγόμενη ακτινοβολία.
Ένα εξωτερικό πεδίο υψηλής συχνότητας της θεμελιώδους συχνότητας που αντιστοιχεί στην συχνότητα κβαντικής μετάπτωσης (αυτή η συχνότητα ονομάζεται συχνότητα συντονισμού) όχι μόνο προκαλεί έντονη διεγερμένη ακτινοβολία, αλλά επίσης ρυθμίζει φάσεις την ακτινοβολία μεμονωμένων μορίων, η οποία
παρέχει την προσθήκη κραδασμών και την εκδήλωση του φαινομένου ενίσχυσης.
Η κατάσταση μιας κβαντικής μετάβασης όταν ο πληθυσμός του ανώτερου επιπέδου υπερβαίνει τον πληθυσμό του κατώτερου επιπέδου μετάβασης ονομάζεται ανεστραμμένη.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να αποκτήσετε υψηλό πληθυσμό των ανώτερων ενεργειακών επιπέδων (αναστροφή πληθυσμού).
Σε αέριες ουσίες, όπως η αμμωνία, είναι δυνατός ο διαχωρισμός (ταξινόμηση) των μορίων σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο.
Στα στερεά, ένας τέτοιος διαχωρισμός είναι δύσκολος, επομένως χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι διέγερσης μορίων, δηλ. μέθοδοι ανακατανομής μορίων σε επίπεδα ενέργειας με ακτινοβολία με εξωτερικό πεδίο υψηλής συχνότητας.
Μια αλλαγή στον πληθυσμό των επιπέδων (αναστροφή του πληθυσμού των επιπέδων) μπορεί να προκληθεί με παλμική ακτινοβολία με πεδίο υψηλής συχνότητας μιας συχνότητας συντονισμού επαρκούς έντασης. Με τη σωστή επιλογή της διάρκειας του παλμού (η διάρκεια του παλμού θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερη από τον χρόνο χαλάρωσης, δηλ. τον χρόνο αποκατάστασης της δυναμικής ισορροπίας), μετά την ακτινοβολία είναι δυνατό να ενισχυθεί το εξωτερικό σήμα υψηλής συχνότητας για κάποιο χρονικό διάστημα.
Η πιο βολική μέθοδος διέγερσης, που χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα στις γεννήτριες, είναι η μέθοδος ακτινοβολίας με εξωτερικό πεδίο υψηλής συχνότητας, το οποίο διαφέρει σημαντικά στη συχνότητα από τους παραγόμενους κραδασμούς, υπό την επίδραση των οποίων γίνεται η απαραίτητη ανακατανομή των μορίων στα επίπεδα ενέργειας.
Η λειτουργία των περισσότερων κβαντικών γεννητριών βασίζεται στη χρήση τριών ή τεσσάρων ενεργειακών επιπέδων (αν και κατ' αρχήν μπορεί να χρησιμοποιηθεί διαφορετικός αριθμός επιπέδων). Ας υποθέσουμε ότι η δημιουργία προκύπτει λόγω μιας επαγόμενης μετάβασης από το επίπεδο
3
ανά επίπεδο 2
(βλ. Εικ. 1).
Για να ενισχυθεί η δραστική ουσία στη συχνότητα μετάβασης
3
-> 2,
πρέπει να γίνει επίπεδο πληθυσμού 3
πάνω από το επίπεδο του πληθυσμού
2.
Αυτή η εργασία εκτελείται από ένα βοηθητικό πεδίο υψηλής συχνότητας με συχνότητα ?
vsp
που «πετάει» μερικά από τα μόρια από το επίπεδο 1
ανά επίπεδο 3.
Η αντιστροφή πληθυσμού είναι δυνατή με ορισμένες παραμέτρους του κβαντικού συστήματος και επαρκή βοηθητική ισχύ ακτινοβολίας.
Μια γεννήτρια που δημιουργεί ένα βοηθητικό πεδίο υψηλής συχνότητας για την αύξηση του πληθυσμού ενός υψηλότερου επιπέδου ενέργειας ονομάζεται αντλία ή γεννήτρια οπίσθιου φωτισμού. Ο τελευταίος όρος σχετίζεται με γεννήτριες ταλάντωσης ορατών και
υπέρυθρες
φάσματα στα οποία χρησιμοποιούνται πηγές φωτός για άντληση.
Έτσι, για να πραγματοποιηθεί η αποτελεσματική λειτουργία μιας κβαντικής γεννήτριας, είναι απαραίτητο να επιλεγεί μια δραστική ουσία που έχει ένα ορισμένο σύστημα ενεργειακών επιπέδων μεταξύ των οποίων θα μπορούσε να συμβεί ενεργειακή μετάβαση, καθώς και να επιλεγεί η καταλληλότερη μέθοδος διέγερσης ή διαχωρισμού μόρια σε ενεργειακά επίπεδα.
Εικόνα 1. Διάγραμμα μεταπτώσεων ενέργειας
σε κβαντικές γεννήτριες
3. Κυκλώματα κβαντικών γεννητριών
Οι κβαντικές γεννήτριες και οι ενισχυτές διακρίνονται από τον τύπο της δραστικής ουσίας που χρησιμοποιείται σε αυτές. Επί του παρόντος, έχουν αναπτυχθεί κυρίως δύο τύποι κβαντικών συσκευών, οι οποίες χρησιμοποιούν αέριες και στερεές δραστικές ουσίες
ικανό για έντονη επαγόμενη ακτινοβολία.
3.1 Μοριακές γεννήτριες με διαχωρισμό μορίων με ενεργειακά επίπεδα.
Ας εξετάσουμε πρώτα μια κβαντική γεννήτρια με μια αέρια δραστική ουσία, στην οποία, χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρική
πεδία, γίνεται διαχωρισμός (διαλογή) μορίων που βρίσκονται σε υψηλά και χαμηλά επίπεδα ενέργειας. Αυτός ο τύπος κβαντικού ταλαντωτή ονομάζεται συνήθως ταλαντωτής μοριακής δέσμης.
Εικόνα 2. Διάγραμμα μοριακής γεννήτριας που χρησιμοποιεί δέσμη αμμωνίας
1 – πηγή αμμωνίας. 2- πλέγμα; 3 – διάφραγμα; 4 – αντηχείο; 5 – συσκευή διαλογής
Σε πρακτικά εφαρμοσμένες μοριακές γεννήτριες, χρησιμοποιείται αέρια αμμωνία (χημικός τύπος NH 3), στην οποία η μοριακή ακτινοβολία που σχετίζεται με τη μετάβαση μεταξύ διαφορετικών επιπέδων ενέργειας είναι πολύ έντονη. Στο εύρος υπερυψηλών συχνοτήτων, η πιο έντονη ακτινοβολία παρατηρείται κατά την ενεργειακή μετάβαση που αντιστοιχεί στη συχνότητα φά n= 23.870 MHz ( ?
n=1,26 cm). Ένα απλοποιημένο διάγραμμα μιας γεννήτριας που λειτουργεί με αμμωνία σε αέρια κατάσταση φαίνεται στο Σχήμα 2.
Τα κύρια στοιχεία της συσκευής, που περιγράφονται στο Σχήμα 2 με μια διακεκομμένη γραμμή, σε ορισμένες περιπτώσεις τοποθετούνται σε ένα ειδικό σύστημα που ψύχεται με υγρό άζωτο, το οποίο εξασφαλίζει τη χαμηλή θερμοκρασία της δραστικής ουσίας και όλα τα απαραίτητα στοιχεία για να επιτευχθεί χαμηλό επίπεδο θορύβου και υψηλή σταθερότητα της συχνότητας της γεννήτριας.
Τα μόρια αμμωνίας εγκαταλείπουν τη δεξαμενή σε πολύ χαμηλή πίεση, μετρούμενη σε μονάδες χιλιοστών υδραργύρου.
Για να ληφθεί μια δέσμη μορίων που κινείται σχεδόν παράλληλα στη διαμήκη κατεύθυνση, η αμμωνία διέρχεται από ένα διάφραγμα με μεγάλο αριθμό στενών αξονικά κατευθυνόμενων καναλιών. Η διάμετρος αυτών των καναλιών επιλέγεται να είναι αρκετά μικρή σε σύγκριση με τη μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων. Για να μειωθεί η ταχύτητα κίνησης των μορίων και, επομένως, να μειωθεί η πιθανότητα συγκρούσεων και αυθόρμητης, δηλαδή μη επαγόμενης, ακτινοβολίας που οδηγεί σε θόρυβο διακύμανσης, το διάφραγμα ψύχεται με υγρό ήλιο ή άζωτο.
Για να μειωθεί η πιθανότητα σύγκρουσης μορίων, θα μπορούσε κανείς να ακολουθήσει όχι την πορεία της μείωσης της θερμοκρασίας, αλλά την πορεία της μείωσης της πίεσης, ωστόσο, αυτό θα μείωνε τον αριθμό των μορίων στον συντονιστή που αλληλεπιδρούν ταυτόχρονα με το πεδίο υψηλής συχνότητας το τελευταίο, και η ισχύς που εκπέμπεται από διεγερμένα μόρια στο πεδίο υψηλής συχνότητας του συντονιστή θα μειωνόταν.
Για να χρησιμοποιηθεί αέριο ως δραστική ουσία σε μια μοριακή γεννήτρια, είναι απαραίτητο να αυξηθεί ο αριθμός των μορίων που βρίσκονται σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο έναντι του αριθμού τους που καθορίζεται από τη δυναμική ισορροπία σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
Σε μια γεννήτρια αυτού του τύπου, αυτό επιτυγχάνεται με την ταξινόμηση μορίων χαμηλού ενεργειακού επιπέδου από τη μοριακή δέσμη χρησιμοποιώντας έναν λεγόμενο τετραπολικό πυκνωτή.
Ένας τετραπολικός πυκνωτής σχηματίζεται από τέσσερις μεταλλικές διαμήκεις ράβδους ειδικού προφίλ (Εικόνα 3α), συνδεδεμένες ανά ζεύγη μέσω ενός σε έναν ανορθωτή υψηλής τάσης, οι οποίοι έχουν το ίδιο δυναμικό αλλά εναλλάσσονται στο πρόσημο. Το προκύπτον ηλεκτρικό πεδίο ενός τέτοιου πυκνωτή στον διαμήκη άξονα της γεννήτριας είναι ίσο με μηδέν λόγω της συμμετρίας του συστήματος και φτάνει στη μέγιστη τιμή του στο διάστημα μεταξύ των παρακείμενων ράβδων (Εικόνα 3β).
Εικόνα 3. Κύκλωμα τετραπολικού πυκνωτή
Η διαδικασία διαλογής των μορίων προχωρά ως εξής. Έχει διαπιστωθεί ότι τα μόρια που βρίσκονται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο αλλάζουν την εσωτερική τους ενέργεια με την αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, η ενέργεια των ανώτερων επιπέδων αυξάνεται και τα κατώτερα επίπεδα μειώνονται (Εικόνα 4).
Σχήμα 4. Εξάρτηση των επιπέδων ενέργειας από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου:
- ανώτερο επίπεδο ενέργειας
χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας
Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Stark. Λόγω του φαινομένου Stark, τα μόρια αμμωνίας, όταν κινούνται στο πεδίο ενός τετραπολικού πυκνωτή, προσπαθώντας να μειώσουν την ενέργειά τους, δηλ. αποκτήσουν μια πιο σταθερή κατάσταση, διαχωρίζονται: μόρια της ανώτερης ενέργειαςτα επίπεδα τείνουν να εγκαταλείπουν την περιοχή ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή κινούνται προς τον άξονα του πυκνωτή, όπου το πεδίο είναι μηδέν, και τα μόρια του κατώτερου επιπέδου, αντίθετα, κινούνται στην περιοχή ενός ισχυρού πεδίου, δηλ. απομακρύνονται από τον άξονα του πυκνωτή, πλησιάζοντας τις πλάκες του τελευταίου. Ως αποτέλεσμα, η μοριακή δέσμη όχι μόνο απελευθερώνεται σε μεγάλο βαθμό από μόρια του χαμηλότερου ενεργειακού επιπέδου, αλλά και αρκετά καλά εστιασμένη.
Αφού περάσει από τη συσκευή διαλογής, η μοριακή δέσμη εισέρχεται σε έναν συντονιστή συντονισμένο στη συχνότητα της μετάβασης ενέργειας που χρησιμοποιείται στη γεννήτρια φά n= 23.870 MHz .
Το πεδίο υψηλής συχνότητας ενός συντονιστή κοιλότητας προκαλεί διεγερμένη εκπομπή μορίων που σχετίζονται με μια μετάβαση από ένα ανώτερο επίπεδο ενέργειας σε ένα χαμηλότερο. Εάν η ενέργεια που εκπέμπεται από τα μόρια είναι ίση με την ενέργεια που καταναλώνεται στον συντονιστή και μεταφέρεται σε εξωτερικό φορτίο, τότε εγκαθίσταται στο σύστημα μια σταθερή ταλαντωτική διαδικασία και η εξεταζόμενη συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια ταλαντώσεων σταθερών στη συχνότητα.
Η διαδικασία δημιουργίας ταλαντώσεων στη γεννήτρια προχωρά ως εξής.
Τα μόρια που εισέρχονται στον συντονιστή, τα οποία βρίσκονται κυρίως στο ανώτερο ενεργειακό επίπεδο, πραγματοποιούν αυθόρμητα (αυθόρμητα) μετάβαση στο κατώτερο επίπεδο, εκπέμποντας ενεργειακά κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και διεγείροντας τον συντονιστή. Αρχικά, αυτή η διέγερση του συντονιστή είναι πολύ ασθενής, αφού η ενεργειακή μετάβαση των μορίων είναι τυχαία. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του συντονιστή, που ενεργεί στα μόρια της δέσμης, προκαλεί επαγόμενες μεταβάσεις, οι οποίες με τη σειρά τους αυξάνουν το πεδίο του συντονιστή. Έτσι, αυξανόμενο σταδιακά, το πεδίο του συντονιστή θα επηρεάζει όλο και περισσότερο τη μοριακή δέσμη και η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τις επαγόμενες μεταβάσεις θα ενισχύσει το πεδίο του συντονιστή. Η διαδικασία αύξησης της έντασης των ταλαντώσεων θα συνεχιστεί μέχρι να επέλθει κορεσμός, οπότε το πεδίο του συντονιστή θα είναι τόσο μεγάλο που κατά τη διέλευση των μορίων μέσω του συντονιστή θα προκαλέσει όχι μόνο επαγόμενες μεταβάσεις από το ανώτερο επίπεδο στο κατώτερο, αλλά Εν μέρει επίσης αντιστρέφουν τις μεταβάσεις που σχετίζονται με την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς που απελευθερώνεται από τα μόρια αμμωνίας δεν αυξάνεται πλέον και, ως εκ τούτου, η περαιτέρω αύξηση του πλάτους των κραδασμών καθίσταται αδύνατη. Καθιερώνεται μια σταθερή λειτουργία παραγωγής.
Επομένως, δεν πρόκειται για απλή διέγερση του αντηχείου, αλλά για ένα αυτοταλαντούμενο σύστημα, συμπεριλαμβανομένης της ανάδρασης, το οποίο πραγματοποιείται μέσω του πεδίου υψηλής συχνότητας του αντηχείου. Η ακτινοβολία των μορίων που πετούν μέσω του συντονιστή διεγείρει ένα πεδίο υψηλής συχνότητας, το οποίο με τη σειρά του καθορίζει την διεγερμένη εκπομπή των μορίων, τη φάση και τη συνοχή αυτής της ακτινοβολίας.
Σε περιπτώσεις που δεν πληρούνται οι συνθήκες αυτοδιέγερσης (για παράδειγμα, η πυκνότητα της μοριακής ροής που διέρχεται από τον συντονιστή είναι ανεπαρκής), αυτή η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτής με πολύ χαμηλό επίπεδο εσωτερικού θορύβου. Το κέρδος μιας τέτοιας συσκευής μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας την πυκνότητα μοριακής ροής.
Ο συντονιστής κοιλότητας μιας μοριακής γεννήτριας έχει έναν πολύ υψηλής ποιότητας παράγοντα, που μετράται σε δεκάδες χιλιάδες. Για να επιτευχθεί ένας τόσο υψηλός παράγοντας ποιότητας, τα τοιχώματα του αντηχείου είναι προσεκτικά επεξεργασμένα και επαργυρωμένα. Οι οπές εισόδου και εξόδου μορίων, που έχουν πολύ μικρή διάμετρο, λειτουργούν ταυτόχρονα ως φίλτρα υψηλής συχνότητας. Είναι μικροί κυματοδηγοί, των οποίων το κρίσιμο μήκος κύματος είναι μικρότερο από το φυσικό μήκος κύματος του συντονιστή και επομένως η ενέργεια υψηλής συχνότητας του συντονιστή ουσιαστικά δεν διαφεύγει μέσω αυτών.
Για να τελειοποιήσει το συντονιστή στη συχνότητα μετάβασης, ο τελευταίος χρησιμοποιεί κάποιο είδος στοιχείου συντονισμού. Στην απλούστερη περίπτωση, πρόκειται για μια βίδα, η βύθιση της οποίας στον αντηχείο αλλάζει ελαφρώς τη συχνότητα του τελευταίου.
Στο μέλλον, θα φανεί ότι η συχνότητα του μοριακού ταλαντωτή είναι κάπως «καθυστερημένη» όταν αλλάζει η συχνότητα συντονισμού του συντονιστή. Είναι αλήθεια ότι η καθυστέρηση συχνότητας είναι μικρή και υπολογίζεται σε τιμές της τάξης του 10 -11, αλλά δεν μπορούν να παραβλεφθούν λόγω των υψηλών απαιτήσεων που τίθενται σε μοριακές γεννήτριες. Για το λόγο αυτό, σε πολλές μοριακές γεννήτριες, μόνο το διάφραγμα και το σύστημα διαλογής ψύχονται με υγρό άζωτο (ή υγρό αέρα) και ο συντονιστής τοποθετείται σε θερμοστάτη, η θερμοκρασία στον οποίο διατηρείται σταθερή από μια αυτόματη συσκευή με μια ακρίβεια κλασμάτων ενός βαθμού. Το Σχήμα 5 δείχνει σχηματικά μια συσκευή αυτού του τύπου γεννήτριας.
Η ισχύς των μοριακών γεννητριών που χρησιμοποιούν αμμωνία συνήθως δεν υπερβαίνει το 10 -7 W,
Επομένως, στην πράξη χρησιμοποιούνται κυρίως ως πρότυπα συχνότητας υψηλής σταθερότητας. Η σταθερότητα συχνότητας μιας τέτοιας γεννήτριας εκτιμάται από την τιμή
10 -8 – 10 -10. Μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, η γεννήτρια παρέχει σταθερότητα συχνότητας της τάξης του 10 -13.
Ένα από τα σημαντικά μειονεκτήματα του εξεταζόμενου σχεδιασμού γεννήτριας είναι η ανάγκη για συνεχή άντληση και διατήρηση της μοριακής ροής.
Εικόνα 5. Σχεδιασμός μοριακής γεννήτριας
με αυτόματη σταθεροποίηση της θερμοκρασίας του συντονιστή:
1- πηγή αμμωνίας. 2 – τριχοειδές σύστημα. 3- υγρό άζωτο. 4 – αντηχείο; 5 – σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας νερού. 6 – τετραπολικός πυκνωτής.
3.2 Κβαντικές γεννήτριες με εξωτερική άντληση
Στον υπό εξέταση τύπο κβαντικών γεννητριών, τόσο στερεά όσο και αέρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δραστικές ουσίες, στις οποίες εκφράζεται ξεκάθαρα η ικανότητα για ενεργειακά επαγόμενες μεταπτώσεις ατόμων ή μορίων που διεγείρονται από ένα εξωτερικό πεδίο υψηλής συχνότητας. Στο οπτικό εύρος, χρησιμοποιούνται διάφορες πηγές ακτινοβολίας φωτός για τη διέγερση (άντληση) της δραστικής ουσίας.
Οι γεννήτριες οπτικής εμβέλειας έχουν μια σειρά από θετικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορα συστήματα ραδιοεπικοινωνίας, πλοήγησης κ.λπ.
Όπως και στις κβαντικές γεννήτριες κυμάτων εκατοστών και χιλιοστών, τα λέιζερ συνήθως χρησιμοποιούν συστήματα τριών επιπέδων, δηλαδή δραστικές ουσίες στις οποίες συμβαίνει μια μετάβαση μεταξύ τριών ενεργειακών επιπέδων.
Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ένα χαρακτηριστικό που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή μιας δραστικής ουσίας για γεννήτριες και ενισχυτές της οπτικής περιοχής.
Από τη σχέση W 2
– W 1
=η;Συνεπάγεται ότι όσο αυξάνεται η συχνότητα λειτουργίας; σε ταλαντωτές και ενισχυτές είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη διαφορά στα επίπεδα ενέργειας. Για γεννήτριες οπτικού εύρους που αντιστοιχεί περίπου στο εύρος συχνοτήτων 2 10 7 -9 10 8 MHz(μήκος κύματος 15-0,33 mk),διαφορά επιπέδου ενέργειας W 2
– W 1
θα πρέπει να είναι 2-4 τάξεις μεγέθους υψηλότερο από ό,τι για γεννήτριες εμβέλειας εκατοστών.
Τόσο τα στερεά όσο και τα αέρια χρησιμοποιούνται ως δραστικές ουσίες σε γεννήτριες οπτικής εμβέλειας.
Το τεχνητό ρουμπίνι χρησιμοποιείται ευρέως ως στερεή δραστική ουσία - κρύσταλλοι κορουνδίου (A1 2 O 3) με ανάμειξη ιόντων χρωμίου (Cr). Εκτός από το ρουμπίνι, γυαλιά ενεργοποιημένα με νεοδύμιο (Nd), κρύσταλλοι βολφραμικού ασβεστίου (CaWO 4) με ανάμειξη ιόντων νεοδυμίου, κρύσταλλοι φθοριούχου ασβεστίου (CaF 2) με ανάμειξη δυσπροσίου (Dy) ή άλλων υλικών ουρανίου χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως.
Τα λέιζερ αερίου συνήθως χρησιμοποιούν μείγματα δύο ή περισσότερων αερίων.
3.2.1 Γεννήτριες με στερεά δραστική ουσία
Ο πιο διαδεδομένος τύπος γεννήτριας οπτικού εύρους είναι οι γεννήτριες στις οποίες το ρουμπίνι με πρόσμιξη χρωμίου (0,05%) χρησιμοποιείται ως δραστική ουσία. Το σχήμα 6 δείχνει ένα απλοποιημένο διάγραμμα της διάταξης των ενεργειακών επιπέδων των ιόντων χρωμίου σε ρουμπίνι. Οι ζώνες απορρόφησης στις οποίες είναι απαραίτητο να αντληθεί (διέγερση) αντιστοιχούν στα πράσινα και μπλε μέρη του φάσματος (μήκος κύματος 5600 και 4100Α). Συνήθως, η άντληση πραγματοποιείται με χρήση λαμπτήρα ξένον εκκένωσης αερίου, το φάσμα εκπομπής του οποίου είναι κοντά σε αυτό του ήλιου. Τα ιόντα χρωμίου, απορροφώντας φωτόνια πράσινου και μπλε φωτός, μετακινούνται από το επίπεδο I στα επίπεδα III και IV. Μερικά από τα διεγερμένα ιόντα από αυτά τα επίπεδα επιστρέφουν στη βασική κατάσταση (στο επίπεδο Ι) και τα περισσότερα από αυτά περνούν χωρίς να εκπέμπουν ενέργεια στο μετασταθερό επίπεδο P, αυξάνοντας τον πληθυσμό του τελευταίου. Τα ιόντα χρωμίου που έχουν περάσει στο επίπεδο II παραμένουν σε αυτή τη διεγερμένη κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επομένως, στο δεύτερο επίπεδο
είναι δυνατό να συσσωρευτεί μεγαλύτερος αριθμός ενεργών σωματιδίων από ό,τι στο επίπεδο Ι. Όταν ο πληθυσμός του επιπέδου ΙΙ υπερβαίνει τον πληθυσμό του επιπέδου Ι, η ουσία μπορεί να ενισχύσει τις ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις στη συχνότητα της μετάβασης II-I. Εάν μια ουσία τοποθετηθεί σε αντηχείο, καθίσταται δυνατή η δημιουργία συνεκτικών, μονοχρωματικών δονήσεων στο κόκκινο τμήμα του ορατού φάσματος (?
= 6943
ΕΝΑ ). Ο ρόλος ενός συντονιστή στο οπτικό εύρος εκτελείται από ανακλαστικές επιφάνειες παράλληλες μεταξύ τους.
Εικόνα 6. Ενεργειακά επίπεδα ιόντων χρωμίου στο ρουμπίνι
- ζώνες απορρόφησης υπό οπτική άντληση
μη ακτινοβολούμενες μεταβάσεις
μετασταθερό επίπεδο
Στην παλμική λειτουργία, το περίβλημα του παλμού ακτινοβολίας της γεννήτριας ρουμπίνι έχει τον χαρακτήρα βραχυπρόθεσμων αναλαμπές που διαρκούν της τάξης των δέκατων του μικροδευτερόλεπτου και με περίοδο της τάξης πολλών μικροδευτερόλεπτων (Εικ. 7, V).
Η χαλάρωση (διακοπτόμενη) φύση της ακτινοβολίας της γεννήτριας εξηγείται από διαφορετικούς ρυθμούς άφιξης ιόντων στο επίπεδο II λόγω άντλησης και μείωση του αριθμού τους κατά τη διάρκεια των επαγόμενων μεταβάσεων από το επίπεδο II στο επίπεδο I.
Το σχήμα 7 δείχνει παλμογράφους που εξηγούν ποιοτικά τη διαδικασία
γενιά σε λέιζερ ρουμπίνι. Υπό την επίδραση της ακτινοβολίας της αντλίας (Εικ. 7, ΕΝΑ)συσσώρευση διεγερμένων ιόντων συμβαίνει στο επίπεδο II. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα ο πληθυσμός Ν 2 θα υπερβεί την τιμή κατωφλίου και θα καταστεί δυνατή η αυτοδιέγερση της γεννήτριας. Κατά την περίοδο της συνεκτικής εκπομπής, η αναπλήρωση των ιόντων επιπέδου ΙΙ λόγω της άντλησης υστερεί σε σχέση με την κατανάλωσή τους ως αποτέλεσμα των επαγόμενων μεταβάσεων και ο πληθυσμός του επιπέδου ΙΙ μειώνεται. Σε αυτήν την περίπτωση, η ακτινοβολία είτε εξασθενεί απότομα είτε σταματά ακόμη και (όπως στην περίπτωση αυτή) έως ότου, λόγω άντλησης, το επίπεδο II εμπλουτιστεί σε τιμή που υπερβαίνει το κατώφλι (Εικ. 7, β) και η διέγερση των ταλαντώσεων καταστεί ξανά δυνατή. Ως αποτέλεσμα της εξεταζόμενης διαδικασίας, θα παρατηρηθεί μια σειρά από βραχυπρόθεσμες λάμψεις στην έξοδο λέιζερ (Εικ. 7, γ).
Εικόνα 7. Ταλαντογράμματα που εξηγούν τη λειτουργία ενός λέιζερ ρουμπίνι:
α) ισχύς της πηγής άντλησης
β) πληθυσμού επιπέδου ΙΙ
γ) Ισχύς εξόδου γεννήτριας
Εκτός από το ρουμπίνι, άλλες ουσίες χρησιμοποιούνται σε γεννήτριες οπτικού εύρους, για παράδειγμα, κρύσταλλο βολφραμικού ασβεστίου και γυαλί ενεργοποιημένο με νεοδύμιο.
Μια απλοποιημένη δομή των ενεργειακών επιπέδων των ιόντων νεοδυμίου σε έναν κρύσταλλο βολφραμικού ασβεστίου φαίνεται στο Σχήμα 8.
Υπό την επίδραση του φωτός από έναν λαμπτήρα άντλησης, τα ιόντα από το επίπεδο I μεταφέρονται σε διεγερμένες καταστάσεις που υποδεικνύονται στο διάγραμμα III. Στη συνέχεια μετακινούνται στο επίπεδο P χωρίς ακτινοβολία Το επίπεδο II είναι μετασταθερό και τα διεγερμένα ιόντα συσσωρεύονται σε αυτό. Συνεκτική ακτινοβολία στην υπέρυθρη περιοχή με μήκος κύματος ?=
1,06 mkεμφανίζεται όταν τα ιόντα μετακινούνται από το επίπεδο II στο επίπεδο IV. Τα ιόντα κάνουν τη μετάβαση από το επίπεδο IV στη βασική κατάσταση χωρίς ακτινοβολία. Το γεγονός ότι εμφανίζεται ακτινοβολία
κατά τη μετάβαση των ιόντων στο επίπεδο IV, το οποίο βρίσκεται πάνω από το επίπεδο του εδάφους, σημαντικά
διευκολύνει τη διέγερση της γεννήτριας. Ο πληθυσμός του επιπέδου IV είναι σημαντικά μικρότερος από το επίπεδο P [αυτό προκύπτει από τον τύπο 1] και έτσι, για να επιτευχθεί το κατώφλι διέγερσης στο επίπεδο II, πρέπει να μεταφερθούν λιγότερα ιόντα και επομένως πρέπει να δαπανηθεί λιγότερη ενέργεια άντλησης.
Εικόνα 8. Απλοποιημένη δομή των επιπέδων ιόντων νεοδυμίου σε βολφραμικό ασβέστιο (CaWO 4 )
Παρόμοιο διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων έχει και το γυαλί με νεοδύμιο. Τα λέιζερ που χρησιμοποιούν ενεργό γυαλί εκπέμπουν στο ίδιο μήκος κύματος = 1,06 μικρά.
Τα ενεργά στερεά κατασκευάζονται με τη μορφή μακριών στρογγυλών (λιγότερο συχνά ορθογώνιων) ράβδων, τα άκρα των οποίων γυαλίζονται προσεκτικά και εφαρμόζονται ανακλαστικές επικαλύψεις σε αυτά με τη μορφή ειδικών διηλεκτρικών πολυστρωματικών μεμβρανών. Τα επίπεδα παράλληλα ακραία τοιχώματα σχηματίζουν έναν συντονιστή στον οποίο δημιουργείται ένα καθεστώς πολλαπλής ανάκλασης των εκπεμπόμενων ταλαντώσεων (κοντά στο καθεστώς των στάσιμων κυμάτων), το οποίο ενισχύει την επαγόμενη ακτινοβολία και διασφαλίζει τη συνοχή της. Το αντηχείο μπορεί επίσης να διαμορφωθεί από εξωτερικούς καθρέφτες.
Τα πολυστρωματικά διηλεκτρικά κάτοπτρα έχουν χαμηλή εσωτερική απορρόφηση και καθιστούν δυνατή την απόκτηση του υψηλότερου συντελεστή ποιότητας του αντηχείου. Σε σύγκριση με τους μεταλλικούς καθρέφτες που σχηματίζονται από ένα λεπτό στρώμα ασημιού ή άλλου μετάλλου, οι πολυστρωματικοί διηλεκτρικοί καθρέφτες είναι πολύ πιο δύσκολο να κατασκευαστούν, αλλά είναι πολύ ανώτεροι σε αντοχή. Οι μεταλλικοί καθρέφτες αποτυγχάνουν μετά από πολλά φλας και επομένως δεν χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα μοντέλα λέιζερ.
Τα πρώτα μοντέλα λέιζερ χρησιμοποιούσαν σπειροειδείς παλμικούς λαμπτήρες xenon ως πηγή άντλησης. Μέσα στη λάμπα υπήρχε μια ράβδος της δραστικής ουσίας.
Ένα σοβαρό μειονέκτημα αυτού του σχεδιασμού γεννήτριας είναι ο χαμηλός ρυθμός χρήσης της φωτεινής ενέργειας της πηγής άντλησης. Προκειμένου να εξαλειφθεί αυτό το μειονέκτημα, οι γεννήτριες χρησιμοποιούν την εστίαση της φωτεινής ενέργειας της πηγής άντλησης χρησιμοποιώντας ειδικούς φακούς ή ανακλαστήρες. Η δεύτερη μέθοδος είναι απλούστερη. Ο ανακλαστήρας κατασκευάζεται συνήθως με τη μορφή ελλειπτικού κυλίνδρου.
Το σχήμα 9 δείχνει το κύκλωμα ενός ταλαντωτή ρουμπινιού. Η λυχνία οπίσθιου φωτισμού, που λειτουργεί σε παλμική λειτουργία, βρίσκεται μέσα σε έναν ελλειπτικό ανακλαστήρα που εστιάζει το φως της λάμπας στη ράβδο ρουμπίνι. Ο λαμπτήρας τροφοδοτείται από ανορθωτή υψηλής τάσης. Στα διαστήματα μεταξύ των παλμών, η ενέργεια της πηγής υψηλής τάσης συσσωρεύεται σε έναν πυκνωτή χωρητικότητας περίπου 400 mkf.
Τη στιγμή της εφαρμογής ενός παλμού ανάφλεξης εκκίνησης με τάση 15 kV,
αφαιρείται από τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή ανύψωσης, η λάμπα ανάβει και συνεχίζει να καίει μέχρι να εξαντληθεί η ενέργεια που συσσωρεύεται στον πυκνωτή του ανορθωτή υψηλής τάσης.
Για να αυξηθεί η ισχύς άντλησης, μπορούν να εγκατασταθούν αρκετοί λαμπτήρες xenon γύρω από τη ράβδο ρουμπινιού, το φως των οποίων συγκεντρώνεται στη ράβδο ρουμπινιού χρησιμοποιώντας ανακλαστήρες.
Για αυτό που φαίνεται στο Σχ. 23,10 κατώφλι γεννήτριας ενέργειας άντλησης, δηλαδή η ενέργεια με την οποία αρχίζει η παραγωγή, είναι περίπου 150 J.
Με τη χωρητικότητα αποθήκευσης που υποδεικνύεται στο διάγραμμα ΜΕ
= 400 mkf
τέτοια ενέργεια παρέχεται σε τάση πηγής περίπου 900 ΣΕ.
Εικόνα 9. Ταλαντωτής ρουμπίνι με ελλειπτικό ανακλαστήρα για εστίαση του φωτός της λάμπας άντλησης:
- κάτοπτρο
σπιράλ ανάφλεξης
λάμπα xenon
ρουμπίνι
Λόγω του γεγονότος ότι το φάσμα των πηγών άντλησης είναι πολύ ευρύτερο από τη χρήσιμη ζώνη απορρόφησης του κρυστάλλου, η ενέργεια της πηγής άντλησης χρησιμοποιείται πολύ κακά και επομένως είναι απαραίτητο να αυξηθεί σημαντικά η ισχύς της πηγής προκειμένου να παρέχεται επαρκής ισχύς άντλησης για παραγωγή σε στενή ζώνη απορρόφησης. Φυσικά, αυτό οδηγεί σε έντονη αύξηση της θερμοκρασίας του κρυστάλλου. Για να αποφύγετε την υπερθέρμανση, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε φίλτρα των οποίων το εύρος ζώνης συμπίπτει περίπου με τη ζώνη απορρόφησης της δραστικής ουσίας ή να χρησιμοποιήσετε ένα σύστημα εξαναγκασμένης ψύξης για τον κρύσταλλο, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας υγρό άζωτο.
Η αναποτελεσματική χρήση της ενέργειας της αντλίας είναι ο κύριος λόγος για τη σχετικά χαμηλή απόδοση των λέιζερ. Οι γεννήτριες με βάση το ρουμπίνι σε λειτουργία παλμού καθιστούν δυνατή την απόκτηση απόδοσης της τάξης του 1%, γεννήτριες με βάση το γυαλί - έως και 3-5%.
Τα λέιζερ Ruby λειτουργούν κυρίως σε παλμική λειτουργία. Η μετάβαση στη συνεχή λειτουργία περιορίζεται από την προκύπτουσα υπερθέρμανση των πηγών κρυστάλλου ρουμπίνι και άντλησης, καθώς και από την εξάντληση των κατόπτρων.
Αυτή τη στιγμή βρίσκεται σε εξέλιξη έρευνα για λέιζερ που χρησιμοποιούν υλικά ημιαγωγών. Χρησιμοποιούν μια δίοδο ημιαγωγού από αρσενίδιο του γαλλίου ως ενεργό στοιχείο, η διέγερση (άντληση) της οποίας πραγματοποιείται όχι από φωτεινή ενέργεια, αλλά από ρεύμα υψηλής πυκνότητας που διέρχεται από τη δίοδο.
Ο σχεδιασμός του ενεργού στοιχείου λέιζερ είναι πολύ απλός (βλ. Εικόνα 10) Αποτελείται από δύο μισά υλικού ημιαγωγού R-
Και n-τύπος. Το κάτω μισό του υλικού τύπου n χωρίζεται από το πάνω μισό του υλικού τύπου p με ένα επίπεδο р-n
μετάβαση. Κάθε μία από τις πλάκες είναι εξοπλισμένη με μια επαφή για τη σύνδεση της διόδου με μια πηγή άντλησης, η οποία είναι πηγή συνεχούς ρεύματος. Οι ακραίες όψεις της διόδου, αυστηρά παράλληλες και προσεκτικά γυαλισμένες, σχηματίζουν έναν συντονιστή συντονισμένο στη συχνότητα των παραγόμενων ταλαντώσεων που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 8400 A. Οι διαστάσεις της διόδου είναι 0,1 x 0,1 x 1,25 mm.
Η δίοδος τοποθετείται σε κρυοστάτη με υγρό άζωτο ή ήλιο και διέρχεται ρεύμα αντλίας μέσα από αυτό, η πυκνότητα του οποίου είναι р-n
η μετάβαση φτάνει σε τιμές 10 4 -10 6 a/cm 2
Σε αυτή την περίπτωση, συνεκτικές ταλαντώσεις της υπέρυθρης περιοχής με μήκος κύματος ί ?
= 8400Α.
Εικόνα 10. Δομή του ενεργού στοιχείου λέιζερ διόδου ημιαγωγών.
- γυαλισμένες άκρες
Επικοινωνία
pn επίπεδο διασταύρωσης
Επικοινωνία
Όταν απορροφάται ένα ενεργειακό κβάντο, ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και σχηματίζονται δύο φορείς ρεύματος.
Για να είναι δυνατή η ενίσχυση (καθώς και η δημιουργία) ταλαντώσεων, είναι απαραίτητο ο αριθμός των μεταπτώσεων με απελευθέρωση ενέργειας να υπερισχύει έναντι των μεταβάσεων με απορρόφηση ενέργειας. Αυτό επιτυγχάνεται σε μια δίοδο ημιαγωγών με βαριά ντοπαρισμένη R- Και n-περιοχές όταν εφαρμόζεται προς τα εμπρός τάση, όπως φαίνεται στο Σχήμα 10. Όταν η διασταύρωση είναι πολωμένη προς τα εμπρός, τα ηλεκτρόνια από n-περιοχές διαχέονται σε Π-περιοχή. Λόγω αυτών των ηλεκτρονίων, ο πληθυσμός της ζώνης αγωγιμότητας αυξάνεται απότομα R-αγωγός και μπορεί να υπερβεί τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στη ζώνη σθένους.
Η διάχυση των οπών από R- V n-περιοχή.
Δεδομένου ότι η διάχυση των φορέων συμβαίνει σε μικρό βάθος (της τάξης των λίγων μικρών), δεν συμμετέχει ολόκληρη η επιφάνεια του άκρου της διόδου ημιαγωγών στην ακτινοβολία, αλλά μόνο οι περιοχές που βρίσκονται αμέσως δίπλα στο επίπεδο διεπαφής R- Και n-περιφέρειες.
Σε μια παλμική λειτουργία αυτού του τύπου, τα λέιζερ που λειτουργούν σε υγρό ήλιο έχουν ισχύ περίπου 300 W με διάρκεια περίπου 50 ns και περίπου 15 W με διάρκεια 1 mks. Σε συνεχή λειτουργία, η ισχύς εξόδου μπορεί να φτάσει τα 10-20 mW με ισχύ αντλίας περίπου 50 mW.
Η εκπομπή ταλαντώσεων συμβαίνει μόνο από τη στιγμή που η πυκνότητα του ρεύματος στη διασταύρωση φθάσει μια τιμή κατωφλίου, η οποία για το αρσενικό γάλλιο είναι περίπου 10 4 α/εκ 2 . Μια τέτοια υψηλή πυκνότητα επιτυγχάνεται με την επιλογή μιας μικρής περιοχής р-n Οι μεταβάσεις συνήθως αντιστοιχούν σε ρεύμα διαμέσου της διόδου της τάξης πολλών αμπέρ.
3.2.2 Γεννήτριες με αέρια δραστική ουσία
Στις οπτικές κβαντικές γεννήτριες, η δραστική ουσία είναι συνήθως ένα μείγμα δύο αερίων. Το πιο συνηθισμένο είναι ένα λέιζερ αερίου που χρησιμοποιεί ένα μείγμα ηλίου (He) και νέον (Ne).
Η θέση των ενεργειακών επιπέδων ηλίου και νέον φαίνεται στο Σχήμα 11. Η ακολουθία των κβαντικών μεταπτώσεων σε ένα λέιζερ αερίου είναι η εξής. Υπό την επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων μιας γεννήτριας υψηλής συχνότητας, εμφανίζεται μια ηλεκτρική εκκένωση σε ένα μείγμα αερίων που περικλείεται σε γυάλινο σωλήνα χαλαζία, που οδηγεί στη μετάβαση των ατόμων ηλίου από τη θεμελιώδη κατάσταση Ι στις καταστάσεις II (2 3 S) και III. (2 1 S). Όταν τα διεγερμένα άτομα ηλίου συγκρούονται με άτομα νέον, λαμβάνει χώρα μια ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ τους, ως αποτέλεσμα της οποίας τα διεγερμένα άτομα ηλίου μεταφέρουν ενέργεια στα άτομα νέον και ο πληθυσμός των επιπέδων 2S και 3S του νέου αυξάνεται σημαντικά.
και τα λοιπά.................
Κβαντική γεννήτρια
Κβαντική γεννήτρια- γενική ονομασία για πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που λειτουργούν με βάση την διεγερμένη εκπομπή ατόμων και μορίων. Ανάλογα με το μήκος κύματος που εκπέμπει μια κβαντική γεννήτρια, μπορεί να ονομαστεί διαφορετικά: laser, maser, razer, gaser.
Ιστορία της δημιουργίας
Μια κβαντική γεννήτρια βασίζεται στην αρχή της διεγερμένης εκπομπής που προτείνεται από τον Α. Αϊνστάιν: όταν ένα κβαντικό σύστημα διεγείρεται και ταυτόχρονα υπάρχει ακτινοβολία μιας συχνότητας που αντιστοιχεί σε μια κβαντική μετάβαση, η πιθανότητα ενός άλματος στο σύστημα σε Το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας αυξάνεται ανάλογα με την πυκνότητα των φωτονίων ακτινοβολίας που υπάρχουν ήδη. Η δυνατότητα δημιουργίας μιας κβαντικής γεννήτριας σε αυτή τη βάση επισημάνθηκε από τον Σοβιετικό φυσικό V. A. Fabrikant στα τέλη της δεκαετίας του '40.
Βιβλιογραφία
Landsberg G.S. Εγχειρίδιο στοιχειώδους φυσικής. Τόμος 3. Ταλαντώσεις και κύματα. Οπτική. Ατομική και πυρηνική φυσική. - 1985.
Herman J., Wilhelmi B. "Λέιζερ για τη δημιουργία υπερμικρών παλμών φωτός" - 1986.
Ίδρυμα Wikimedia. 2010.
- Notker Stutterer
- Επανασύνθεση
Δείτε τι είναι η "Κβαντική Γεννήτρια" σε άλλα λεξικά:
ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ- ηλεκτρική γεννήτρια μαγ. κύματα, στα οποία χρησιμοποιείται το φαινόμενο της διεγερμένης εκπομπής (βλ. ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ). Κ. g. ραδιοεύρος, καθώς και ένας κβαντικός ενισχυτής, που ονομάζεται. μέιζερ. Το πρώτο K. g δημιουργήθηκε στην περιοχή μικροκυμάτων το 1955. Το ενεργό μέσο σε αυτό ... Φυσική εγκυκλοπαίδεια
ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ- μια πηγή συνεκτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η δράση της οποίας βασίζεται στην διεγερμένη εκπομπή φωτονίων από άτομα, ιόντα και μόρια. Οι κβαντικές γεννήτριες στην περιοχή ραδιοφώνου ονομάζονται μέιζερ, οι κβαντικές γεννήτριες στην οπτική περιοχή... ... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό
κβαντική γεννήτρια- Μια πηγή συνεκτικής ακτινοβολίας που βασίζεται στη χρήση διεγερμένης εκπομπής και ανάδρασης. Σημείωση Οι κβαντικές γεννήτριες χωρίζονται ανάλογα με τον τύπο της δραστικής ουσίας, τη μέθοδο διέγερσης και άλλα χαρακτηριστικά, για παράδειγμα, δέσμη, αέριο... Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή
ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ- μια πηγή μονοχρωματικής συνεκτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (οπτικής ή ραδιοεύρους), που λειτουργεί με βάση την διεγερμένη εκπομπή διεγερμένων ατόμων, μορίων, ιόντων. Αέρια, κρυσταλλικά... Μεγάλη Πολυτεχνική Εγκυκλοπαίδεια
κβαντική γεννήτρια- συσκευή παραγωγής συνεκτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η συνοχή είναι η συντονισμένη εμφάνιση στο χρόνο και στο χώρο πολλών ταλαντωτικών ή κυματικών διεργασιών, η οποία εκδηλώνεται όταν προστίθενται, για παράδειγμα. σε περίπτωση παρεμβολής... Εγκυκλοπαίδεια της τεχνολογίας
κβαντική γεννήτρια- μια πηγή συνεκτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η δράση της οποίας βασίζεται στην διεγερμένη εκπομπή φωτονίων από άτομα, ιόντα και μόρια. Οι κβαντικές γεννήτριες στην περιοχή ραδιοφώνου ονομάζονται μέιζερ, οι κβαντικές γεννήτριες στην οπτική περιοχή ... ... εγκυκλοπαιδικό λεξικό
κβαντική γεννήτρια- kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorus, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo. ατιτικμενύς: αγγλ. κβαντική...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
κβαντική γεννήτρια- kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: αγγλ. κβαντική γεννήτρια vok. Quantengenerator, m rus. κβαντική γεννήτρια, m pranc. oscillateur quantique, m … Fizikos terminų žodynas
Κβαντική γεννήτρια- μια γεννήτρια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που χρησιμοποιεί το φαινόμενο της διεγερμένης εκπομπής (Βλ. Διεγερμένη εκπομπή) (Βλ. Quantum electronics). Κ. g. εμβέλεια υπερυψηλών συχνοτήτων (μικροκύματα), καθώς και ο κβαντικός ενισχυτής αυτού του ... ... Μεγάλη Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια
ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ- μια πηγή ηλεκτρομαγνητικής συνεκτικής ακτινοβολίας (οπτική ή ραδιοεύρος), η οποία χρησιμοποιεί το φαινόμενο της επαγόμενης ακτινοβολίας διεγερμένων ατόμων, μορίων, ιόντων κ.λπ. Αέρια, υγρά, στερεά χρησιμοποιούνται ως ενέργεια εργασίας σε συνεκτικά αέρια... ... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Πολυτεχνικό Λεξικό
Οι επιτυχίες που σημειώθηκαν στην ανάπτυξη και έρευνα κβαντικών ενισχυτών και ταλαντωτών στο ραδιόφωνο λειτούργησαν ως βάση για την εφαρμογή της πρότασης για ενίσχυση και παραγωγή φωτός με βάση την διεγερμένη εκπομπή και οδήγησαν στη δημιουργία κβαντικών ταλαντωτών στο οπτικό εύρος. Οι οπτικοί κβαντικοί ταλαντωτές (OQOs) ή τα λέιζερ είναι οι μόνες πηγές ισχυρού μονοχρωματικού φωτός. Η αρχή της ενίσχυσης του φωτός με χρήση ατομικών συστημάτων προτάθηκε για πρώτη φορά το 1940 από τον V.A. Κατασκευαστής. Ωστόσο, η αιτιολόγηση για τη δυνατότητα δημιουργίας μιας οπτικής κβαντικής γεννήτριας δόθηκε μόλις το 1958 από τους C. Townes και A. Shavlov με βάση τα επιτεύγματα στην ανάπτυξη κβαντικών συσκευών στην περιοχή ραδιοφώνου. Η πρώτη οπτική κβαντική γεννήτρια πραγματοποιήθηκε το 1960. Ήταν ένα λέιζερ με ένα κρύσταλλο ρουμπίνι ως ουσία εργασίας. Η δημιουργία αντιστροφής πληθυσμού σε αυτό πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της άντλησης τριών επιπέδων, που χρησιμοποιείται συνήθως σε παραμαγνητικούς κβαντικούς ενισχυτές.
Επί του παρόντος, έχουν αναπτυχθεί πολλές διαφορετικές οπτικές κβαντικές γεννήτριες, που διαφέρουν ως προς τις λειτουργικές ουσίες (χρησιμοποιούνται κρύσταλλοι, γυαλιά, πλαστικά, υγρά, αέρια, ημιαγωγοί) και μεθόδους δημιουργίας αντιστροφής πληθυσμού (οπτική άντληση, εκκένωση αερίων, χημικές αντιδράσεις κ.λπ.) .
Η ακτινοβολία των υφιστάμενων οπτικών κβαντικών γεννητριών καλύπτει το εύρος μήκους κύματος από το υπεριώδες έως την μακρινή υπέρυθρη περιοχή του φάσματος δίπλα σε κύματα χιλιοστών. Παρόμοια με μια κβαντική γεννήτρια στην περιοχή ραδιοφώνου, μια οπτική κβαντική γεννήτρια αποτελείται από δύο κύρια μέρη: μια λειτουργική (ενεργή) ουσία, στην οποία με τον ένα ή τον άλλο τρόποδημιουργείται αντιστροφή πληθυσμών και σύστημα συντονισμού (Εικ. 62). Ως το τελευταίο, οι ανοιχτοί συντονιστές του τύπου συμβολόμετρου Fabry-Perot χρησιμοποιούνται στα λέιζερ, που σχηματίζονται από ένα σύστημα δύο κατόπτρων που βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους.
Η ουσία εργασίας ενισχύει την οπτική ακτινοβολία λόγω της επαγόμενης εκπομπής ενεργών σωματιδίων. Το σύστημα συντονισμού, που προκαλεί πολλαπλή διέλευση της προκύπτουσας οπτικά επαγόμενης ακτινοβολίας μέσω του ενεργού μέσου, καθορίζει την αποτελεσματική αλληλεπίδραση του πεδίου με αυτό. Εάν θεωρήσουμε ένα λέιζερ ως ένα αυτοταλαντούμενο σύστημα, τότε ο συντονιστής παρέχει θετική ανάδραση ως αποτέλεσμα της επιστροφής μέρους της ακτινοβολίας που διαδίδεται μεταξύ των κατόπτρων στο ενεργό μέσο. Για να συμβούν ταλαντώσεις, η ισχύς στο λέιζερ που λαμβάνεται από το ενεργό μέσο πρέπει να είναι ίση ή να υπερβαίνει την ισχύ που χάνεται στον συντονιστή. Αυτό ισοδυναμεί με το γεγονός ότι η ένταση του κύματος παραγωγής μετά τη διέλευση από το μέσο ενίσχυσης, η ανάκλαση από τα κάτοπτρα -/ και 2, η επιστροφή στην αρχική διατομή πρέπει να παραμείνει αμετάβλητη ή να υπερβαίνει την αρχική τιμή.
Όταν διέρχεται από το ενεργό μέσο, η ένταση του κύματος 1^ αλλάζει σύμφωνα με τον εκθετικό νόμο (αγνοώντας τον κορεσμό) L, ° 1^ ezhr [ (oc,^ - b())-c ], και όταν αντανακλάται από τον καθρέφτη αλλάζει σολμια φορά ( T -συντελεστής. κατοπτρική αντανάκλαση), επομένως η συνθήκη για να συμβεί η δημιουργία μπορεί να γραφτεί ως
Οπου μεγάλο - μήκος του ενεργού μέσου εργασίας· r 1 και r 2 - συντελεστές ανάκλασης των κατόπτρων 1 και 2. a u είναι το κέρδος του ενεργού μέσου. b 0 - σταθερά εξασθένησης, λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες ενέργειας στην ουσία εργασίας ως αποτέλεσμα της διασποράς από ανομοιογένειες και ελαττώματα.
I. Αντηχεία οπτικών κβαντικών γεννητριών
Τα συστήματα συντονισμού λέιζερ, όπως σημειώθηκε, είναι ανοιχτοί συντονιστές. Επί του παρόντος, οι ανοιχτοί συντονιστές με επίπεδα και σφαιρικά κάτοπτρα χρησιμοποιούνται ευρέως. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των ανοιχτών συντονιστών είναι ότι οι γεωμετρικές τους διαστάσεις είναι πολλές φορές μεγαλύτερες από το μήκος κύματος. Όπως οι ογκομετρικοί ανοιχτοί συντονιστές, έχουν ένα σύνολο δικών τους τύπων ταλαντώσεων, που χαρακτηρίζονται από μια ορισμένη κατανομή πεδίου σε τους καιδικές τους συχνότητες. Οι φυσικοί τύποι ταλαντώσεων ενός ανοιχτού συντονιστή είναι λύσεις των εξισώσεων πεδίου που ικανοποιούν τις οριακές συνθήκες στα κάτοπτρα.
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τον υπολογισμό των συντονιστών κοιλότητας που επιτρέπουν σε κάποιον να βρει τους δικούς του τύπους δονήσεων. Μια αυστηρή και πιο ολοκληρωμένη θεωρία των ανοιχτών συντονιστών δίνεται στα έργα του L.A. Vaivestein.* Μια οπτική μέθοδος για τον υπολογισμό των τύπων ταλαντώσεων σε ανοιχτούς συντονιστές αναπτύχθηκε στο έργο των A. Fox και T. Lee.
| (113) |
Χρησιμοποιείται σε αυτό. αριθμητικός υπολογισμός που προσομοιώνει τη διαδικασία καθορισμού των τύπων ταλαντώσεων στον συντονιστή ως αποτέλεσμα πολλαπλής ανάκλασης από καθρέφτες. Αρχικά, ρυθμίζεται μια αυθαίρετη κατανομή πεδίου στην επιφάνεια ενός από τους κατόπτρες. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την αρχή του Huygens, υπολογίζεται η κατανομή πεδίου στην επιφάνεια ενός άλλου καθρέφτη. Η κατανομή λαμβάνεται ως η αρχική και ο υπολογισμός επαναλαμβάνεται. Μετά από πολλαπλές ανακλάσεις, η κατανομή του πλάτους και της φάσης του πεδίου στην επιφάνεια του κατόπτρου τείνει σε μια σταθερή τιμή, δηλ. το πεδίο σε κάθε καθρέφτη αναπαράγεται αμετάβλητο. Η κατανομή πεδίου που προκύπτει αντιπροσωπεύει τον κανονικό τύπο ταλάντωσης ενός ανοιχτού συντονιστή. Ο υπολογισμός των A. Fox και T. Lee βασίζεται στον ακόλουθο τύπο Kirchhoff, ο οποίος είναι μια μαθηματική έκφραση της αρχής του Huygens, που επιτρέπει σε κάποιον να βρει το κάτω μέρος στο σημείο παρατήρησης ΕΝΑαπό ένα δεδομένο πεδίο σε κάποια επιφάνεια Sb
όπου Eb είναι το πεδίο στο σημείο Β στην επιφάνεια S σι; κ-αριθμός κύματος? R - απόσταση μεταξύ των σημείων ΕΝΑΚαι ΣΕ; Q - γωνία μεταξύ της γραμμής που συνδέει τα σημεία ΕΝΑΚαι ΣΕ,και κάθετη προς την επιφάνεια Sb
Καθώς ο αριθμός των διελεύσεων αυξάνεται, ο ρυθμός ροής στους καθρέφτες τείνει σε μια σταθερή κατανομή, η οποία μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:
Οπου V(x ,у) - μια συνάρτηση κατανομής που εξαρτάται από τις συντεταγμένες στην επιφάνεια των κατόπτρων και δεν αλλάζει από ανάκλαση σε ανάκλαση.
Το y είναι μια σύνθετη σταθερά ανεξάρτητη από χωρικές συντεταγμένες.
Αντικατάσταση του τύπου (112) στην έκφραση (III). παίρνουμε την ολοκληρωτική εξίσωση
Έχει μια λύση μόνο για ορισμένες τιμές [Gamma] = [gamma min.] καλείται ιδιοτιμές,Λειτουργίες Vmn , ικανοποιώντας την ολοκληρωτική εξίσωση, χαρακτηρίζουν τη δομή του πεδίου διαφόρων τύπων ταλαντώσεων του συντονιστή, που ονομάζονται εγκάρσιοςδονήσεις και χαρακτηρίζονται ως δονήσεις του τύπου TEMmnΣύμβολο ΤΕΜδείχνει ότι τα νερά μέσα στον συντονιστή είναι κοντά σε εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά, δηλ. χωρίς στοιχεία πεδίου κατά την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Ευρετήρια Μκαι n υποδηλώνουν τον αριθμό των αλλαγών στην κατεύθυνση του πεδίου κατά μήκος των πλευρών του κατόπτρου (για ορθογώνια κάτοπτρα) ή κατά μήκος της γωνίας και κατά μήκος της ακτίνας (για στρογγυλούς καθρέφτες). Το σχήμα 64 δείχνει τη διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου για τους απλούστερους εγκάρσιους τύπους ταλαντώσεων ανοιχτών συντονιστών με στρογγυλά κάτοπτρα. Οι εγγενείς τύποι ταλαντώσεων των ανοιχτών συντονιστών χαρακτηρίζονται όχι μόνο από την εγκάρσια κατανομή του πεδίου, αλλά και από την κατανομή του κατά μήκος του άξονα των συντονιστών, που είναι στάσιμο κύμα και διαφέρει στον αριθμό των ημικυμάτων που ταιριάζουν κατά μήκος του μήκος του αντηχείου. Για να ληφθεί αυτό υπόψη, ένας τρίτος δείκτης εισάγεται στον προσδιορισμό των τύπων δονήσεων ΕΝΑ, που χαρακτηρίζει τον αριθμό των ημικυμάτων που ταιριάζουν κατά μήκος του άξονα του συντονιστή.
Οπτικές κβαντικές γεννήτριες στερεάς κατάστασης
Οι οπτικοί κβαντικοί ταλαντωτές στερεάς κατάστασης ή τα λέιζερ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν κρυστάλλους ή άμορφα διηλεκτρικά ως ενεργό μέσο κέρδους. Τα σωματίδια εργασίας, οι μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων των οποίων καθορίζουν την παραγωγή, είναι, κατά κανόνα, ιόντα ατόμων μεταβατικών ομάδων του Περιοδικού Πίνακα Τα ιόντα Na 3+, Cr 3+, Ho 3+, Pr 3+ είναι πιο συχνά μεταχειρισμένος. Τα ενεργά σωματίδια αποτελούν κλάσματα ή μονάδες ποσοστού επί τοις εκατό του συνολικού αριθμού ατόμων του μέσου εργασίας, έτσι φαίνεται να σχηματίζουν ένα «διάλυμα» ασθενούς συγκέντρωσης και επομένως αλληλεπιδρούν ελάχιστα μεταξύ τους. Τα επίπεδα ενέργειας που χρησιμοποιούνται είναι τα επίπεδα των λειτουργικών σωματιδίων, τα οποία διασπώνται και διευρύνονται από ισχυρά ανομοιογενή εσωτερικά πεδία της στερεάς ουσίας. Οι κρύσταλλοι κορουνδίου (Al2O3) και γρανάτης υττρίου-αλουμινίου χρησιμοποιούνται συχνότερα ως βάση για το ενεργό μέσο απολαβής. ΥΑΓ(Y3Al5O12), διαφορετικές μάρκες γυαλιού κ.λπ.
Η αντιστροφή πληθυσμού στην ουσία εργασίας των λέιζερ στερεάς κατάστασης δημιουργείται με μια μέθοδο παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται στους παραμαγνητικούς ενισχυτές. Πραγματοποιείται με τη χρήση οπτικής άντλησης, δηλ. έκθεση μιας ουσίας σε ακτινοβολία φωτός υψηλής έντασης.
Όπως δείχνουν οι μελέτες, τα περισσότερα από τα υπάρχοντα ενεργά μέσα που χρησιμοποιούνται σε λέιζερ στερεάς κατάστασης περιγράφονται ικανοποιητικά από δύο κύρια εξιδανικευμένη ενέργεια σχήματα:τριών και τεσσάρων επιπέδων (Εικ. 71).
 |
Ας εξετάσουμε πρώτα τη μέθοδο δημιουργίας αντιστροφής πληθυσμού σε μέσα που περιγράφεται από ένα σχήμα τριών επιπέδων (βλ. Εικ. 71, α). Στην κανονική κατάσταση, κατοικείται μόνο το κατώτερο κύριο επίπεδο 1 (η ενεργειακή απόσταση μεταξύ των επιπέδων είναι σημαντικά μεγαλύτερη από kT), αφού οι μεταβάσεις 1->2 και 1->3) ανήκουν στην οπτική περιοχή. Η μετάβαση μεταξύ των επιπέδων 2 και 1 είναι λειτουργική. Επίπεδο 3 βοηθητικό και χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αντιστροφής του ζεύγους επιπέδων εργασίας. Στην πραγματικότητα καταλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα επιτρεπόμενων ενεργειακών τιμών, λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων εργασίας με τα ενδοκρυσταλλικά πεδία.
