источник электромагнитного когерентного излучения (оптич. или радиодиапазона), в к-ром используется явление индуцированного излучения возбуждённых атомов, молекул, ионов и т. д. В качестве рабочего в-ва в К. г. используют газы, жидкости, твёрдые диэлектрики и ПП кристаллы. Возбуждение рабочего в-ва, т. е. подача энергии, необходимой для работы К. г., осуществляется сильным электрич. полем, светом от внеш. источника, электронными пучками и т. д. Излучение К. г., помимо высокой монохроматичности и когерентности, обладает узкой направленностью и значит. мощностью. См. также Лазер, Мазер, Молекулярный генератор.
Начала современного Естествознания
Энциклопедия техники
Энциклопедия техники
Естествознание. Энциклопедический словарь
Большой медицинский словарь
Большой энциклопедический политехнический словарь
Большая Советская энциклопедия
Современная энциклопедия
Большой энциклопедический словарь
Толковый словарь Ожегова
Толковый словарь Ушакова
Толковый словарь Ефремовой
Русский орфографический словарь
Квантовый переход Новейшие реформаторы, которые на бумаге измышляют образцовые социальные системы, хорошо бы сделали, если бы бросили взгляд на социально-общественную систему, по которой жили первые евреи. К произошедшему на Синае можно относиться по-разному.
Квантовый скачёк 589 = Человек несёт в себе творческую энергию Бога – Любовь = 592 = Великое духовное пробуждение – Знак Космических циклов = «Числовые коды». Книга 2. Крайон Иерархия 27 01.2012 г.«Пространство Времени – Время Пространства…» – слова при просыпании.Я Есмь Что Я
4.1. Квантовый процессор
Квантовый скачек Джерри: Легко сделать небольшой шаг оттуда, где мы находимся, и просто сделать чуть больше, чем мы делаем, быть собой немного больше, и иметь чуть больше, чем у нас есть сейчас. А как насчет того, что можно назвать «квантовым скачком», то есть достичь чего-то,
Квантовый скачок Результатом очищения является осознание, что все происходит «на наших ладонях». Метод, который помогает утвердиться в этом, называется в игре квантовым скачком. И он базируется на природной доверчивости смотрящего в нас пространства.Дело в том, что
Квантовый мозг Начнем с поэзии: сэр Чарльз Шеррингтон, общепризнанный отец нейрофизиологии, уподобляет мозг «…волшебному самоткущему станку, в котором миллионы сверкающих челноков ткут тающий на глазах узор (обратите внимание – «тающий на глазах». – В. Д.), всегда
Квантовый мир Меня вдохновляет мысль, что во Вселенной (от микро- до макроуровня, от космического передвижения планет до взаимодействия электронов, от микроскопического диоксида кремния до созданной человеком египетской пирамиды) заложена универсальная модель, не
Квантовый бог Во время работы над этой книгой я позволил себе один день отдыха от квантовой физики и поехал в Личфилд, в графство Стаффордшир. Я прекрасно провел время в красивом, исполненном чувства эзотерического Личфилдском соборе, рассматривая его изумительный фасад
КВАНТОВЫЙ СКАЧОК Когда достигаешь самадхи - душа превращается в Божественный Свет Дорогие читатели, вы уже знаете, что в 2011 году на нашем небе будет видна двенадцатая планета солнечной системы - Нибиру. В феврале 2013 года Планета Х приблизится на ближайшее к Земле
Приложение III. УМЫ: Квантовый ум На последующих страницах я резюмирую некоторые из многих значений, которые я связываю с термином «квантовый ум».Техническое - и в то же время, популярно изложенное - описание квантового ума можно найти в книгах Ника Херберта
Квантовый дуализм Есть один вопрос, с которым соглашаются Крик, Эдельман и почти все неврологи: свойства разума существенным образом не зависят от квантовой механики. Физики, философы и другие ученые размышляли о связях между квантовой механикой и сознанием, по крайней
Квантовый ум и процессуальный ум Процессуальный ум – это развитие всей моей предшествующей работы и, в особенности, книги «Квантовый ум», написанной около десяти лет тому назад. В этой книге я обсуждал квантово-подобные характеристики нашей психологии и показывал, как
ЭЛЕКТРОНЫ - КВАНТОВЫЙ ГАЗ В истории изучения кристаллов в начале нашего века был период, когда среди прочих проблема «электроны в металле» была весьма загадочной, интригующей, казалось - тупиковой. Посудите сами. Экспериментаторы, изучающие электрические свойства
Успехи, достигнутые при разработке и исследовании квантовых усилителей и генераторов в радиодиапазоне, послужили базой для реализации предложения об усилении и генерации света на основе индуцированного излучения и привели к созданию квантовых генераторов оптического диапазона. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) или лазеры являются единственными источниками мощного монохроматического света. Принцип усиления света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. В.А. Фабрикантом. Однако обоснование возможности создания оптического квантового генератора было дано лишь в 1958 г. Ч. Таунсом и А. Шавловым на основе достижений разработок квантовых приборов в радиодиапазоне. Первый оптический квантовый генератор был реализован в I960 г. Это был ОКГ с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества. Создание инверсии населенностей в нем осуществлялось методом трехуровневой накачки, применявшимся обычно в парамагнитных квантовых усилителях.
В настоящее время разработано множество разнообразных оптических квантовых генераторов, отличающихся рабочими веществами (в этом качестве используются кристаллы, стекла, пластмассы, жидкости, газы, полупроводники) и способами создания инверсии населенностей (оптическая накачка, разряд в газах, химические реакции и т.д.).
Излучение существующих оптических квантовых генераторов охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, примыкающей к миллиметровым волнам. Аналогично квантовому генератору в радиодиапазоне оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: рабочего (активного) вещества, в котором тем или иным способомсоздается инверсия населенностей, и резонансной системы (рис.62). В качестве последней в ОКГ используются открытые резонаторы типа интерферометра Фабри - Перо, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.
Рабочее вещество осуществляет усиление оптического излучения благодаря индуцированному испусканию активных частиц. Резонансная система, вызывая многократное прохождение возникающего оптического индуцированного излучения через активную среду, обусловливает эффективное взаимодействие поля с ней. Если рассматривать ОКГ как автоколебательную систему, то резонатор обеспечивает положительную обратную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения в активную среду. Дяя возникновения колебаний мощность в ОКГ, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после прохождения через усиливающую среду, отражения от зеркал -/ и 2 , возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.
При прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ изменяется по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ° 1^ ежр [ (ос,^ - b())-c ] , а при отражении от зеркала она изменяется в г раз (т - коэффициент. отражения зеркала), поэтому условие возникновения генерации можно записать как
где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражения зеркал 1 и 2 ; a u - коэффициент усиления активной среды; b 0 - постоянная затухания, учитывающая потери энергии в рабочем веществе в результате рассеяния на неоднородностях и дефектах.
I. Резонаторы оптических квантовых генераторов
Резонансные системы ОКГ, как отмечалось, представляют собой открытые резонаторы. В настоящее время наиболее широко применяются открытые резонаторы с плоскими и сферическими зеркалами. Характерная особенность открытых резонаторов - их геометрические размеры во много раз превышают длину волны. Подобно объемным открытые резонаторы обладают набором собственных типов колебаний, характеризующихся определенным распределением поля в них и собственными частотами. Собственные типы колебаний открытого резонатора представляют собой решения уравнений поля, удовлетворяющие граничным условиям на зеркалах.
Существует несколько методов расчета объемных резонаторов, позволяющих находить собственные типы колебаний. Строгая и наиболее полная теория открытых резонаторов дана в работах Л.А.Вайв-штейна.* Наглядный метод расчета типов колебаний в открытых резонаторах развит в работе А.Фокса и Т.Ли.
| (113) |
В ней используется. численный расчет, моделирующий процесс установления типов колебаний в резонаторе в результате многократного отражения от зеркал. Первоначально задается произвольное распределение поля на поверхности одного из зеркал. Затем, применяя принцип Гюйгенса, вычисляют распределение поля на поверхности другого зеркала. Подученное распределение принимают за исходное и вычисление повторяется. После многократных отражений распределение амплитуды и фазы поля на поверхности зеркала стремится к стационарному значению, т.е. поле на каждом зеркале самовоспроизводится в неизменном виде. Полученное распределение поля представляет собой нормальный тип колебаний открытого резонатора.
Расчет А.Фокса и Т.Ли базируется на следующей формуле Кирхгофа, являющейся математическим выражением принципа Гюйгенса, которая позволяет находить поде в точке наблюдения А по заданному полю на некоторой поверхности Sb
где Eb - поле в точке B на поверхности Sb; k- волновое число; R - расстояние между точками А и В; Q - угол между линией, соединяющей точки А и В, и нормалью к поверхности Sb
С увеличением числа проходов поде на зеркалах стремится к стационарному распределению, которое можно представить так:
где V(x ,у) - функция распределения, зависящая от координат на поверхности зеркал, не меняющаяся от отражения к отражению;
у - комплексная постоянная, не зависящая от пространственных координат.
Подставив формулу (112) в выражение (III). получим интегральное уравнение
Оно имеет решение лишь при определенных значениях [Гамма] =[гамма миним.] называемых собственными значениями, Функции Vmn, удовлетворяющие интегральному уравнению, характеризуют структуру поля различных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными колебаниями и обозначают как колебания типа ТЕМmn Символ ТЕM указывает на то, что водны внутри резонатора близки к поперечным электромагнитным, т.е. не имеющим составляющих поля вдоль направления распространения волны. Индексы m и n обозначают число изменений направления поля вдоль сторон зеркала (для прямоугольных зеркал) или по углу и вдоль радиуса (для круглых зеркал). На рис.64 показана конфигурация электрического поля для простейших поперечных типов колебаний открытых резонаторов с круглыми зеркалами. Собственные типы колебаний открытых резонаторов характеризуются не только поперечник распределением поля, но и распределением его вдоль оси резонаторов, которое представляет собой стоячую волну и отличается числом полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Для учета этого в обозначения типов колебаний вводится третий ивдекс а , характеризующий число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора.
Оптические квантовые генераторы на твердом теле
В оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды используются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими частицами, переходы меяду энергетическими состояниями которых определяют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na 3+ , Cr 3+ , Но 3+ , Pr 3+ . Активные частицы составляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентрации и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливающей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.
Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом, аналогичным используемому в парамагнитных усилителях. Она осуществляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучения высокой интенсивности.
Как показывают исследования, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых- в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описываются двумя основными идеализированными энергетическими схемами: трех- и четырехуровневой (рис.71).
 |
Рассмотрим вначале метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энергетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1->2, и 1->3) принадлежат оптическому диапазону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабочей пары уровней. Он в действительности занимает широкую полосу допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.
В квантовых генераторах для создания электромагнитных колебаний используется внутренняя энергия микросистем - атомов, молекул, ионов.
Квантовые генераторы называют еще лазерами. Слово лазер составлено из начальных букв английского названия квантовых генераторов - усилитель света за счет создания стимулированного излучения.
Принцип действия квантового генератора состоит в следующем. При рассмотрении энергетической структуры вещества было показано, что изменение энергии микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов) происходит не непрерывно, а дискретно - порциями, названными квантами (от латинского quantim - количество) .
Микросистемы, в которых элементарные частицы взаимодействуют между собой, называются квантовыми системами.
Переход квантовой системы из одного энергетического состояния в другое сопровождается излучением или поглощением кванта электромагнитной энергии hv: Е 2 - Ei=hv, где Е 1 и Е 2 - энергетические состояния: h - постоянная Планка; v - частота.
Известно, что наиболее устойчивым состоянием любой системы, в том числе атома и молекулы, является состояние с наименьшей энергией. Поэтому каждая система стремится занять и сохранять состояние с наименьшей энергией. Следовательно, в нормальном состоянии электрон движется по наиболее близкой к ядру орбите. Такое состояние атома называется основным или стационарным.
Под действием внешних факторов - нагрева, освещения, электромагнитного поля - энергетическое состояние атома может изменяться.
Если атом, например, водорода взаимодействует с электромагнитным полем, то он поглощает энергию Е 2 - E 1 = hv и его электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбужденным. В нем атом может находиться некоторое очень малое время, называемое временем жизни возбужденного атома. После этого электрон возвращается на нижний уровень, т. е. в основное устойчивое состояние, отдавая избыток энергии в виде излучаемого кванта энергии - фотона.
Излучение электромагнитной энергии при переходе квантовой системы из возбужденного состояния в основное без внешнего воздействия называется самопроизвольным или спонтанным. При спонтанном излучении фотоны испускаются в случайные моменты времени, в произвольном направлении, с произвольной поляризацией. Поэтому оно называется некогерентным.
Однако под действием внешнего электромагнитного поля электрон может быть возвращен на нижний энергетический уровень еще до истечения времени жизни атома в возбужденном состоянии. Если, например, два фотона воздействуют на возбужденный атом, то при определенных условиях электрон атома возвращается на нижний уровень, излучая квант в виде фотона. При этом все три фотона имеют общую фазу, направление и поляризацию излучения. В результате энергия электромагнитного излучения оказывается увеличенной.
Излучение электромагнитной энергии квантовой системой при снижении ее энергетического уровня под действием внешнего электромагнитного поля называют вынужденным, индуцированным или стимулированным.
Индуцированное излучение совпадает по частоте, фазе и направлению с внешним облучением. Отсюда такое излучение называют когерентным (когерентность-от латинского cogerentia - сцепление, связь).
Так как на стимулирование перехода системы на более низкий энергетический уровень энергия внешнего поля не затрачивается, то электромагнитное поле усиливается и его энергия возрастает на значение энергии излучаемого кванта. Это явление используется для усиления и генерирования колебаний с помощью квантовых приборов.
В настоящее время лазеры изготовляют из полупроводниковых материалов.
Полупроводниковым лазером называют полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию излучения оптического диапазона.
Для работы лазера, т. е. для того, чтобы лазер создавал электромагнитные колебания, необходимо, чтобы в его веществе возбужденных частиц было больше, чем невозбужденных.
Но в нормальном состоянии полупроводника на более высоких энергетических уровнях при любой температуре количество электронов меньше, чем на более низких уровнях. Поэтому в нормальном состоянии полупроводник поглощает электромагнитную энергию.
Наличие электронов на том или ином уровне называется населенностью уровня.
Состояние полупроводника, в котором на более высоком энергетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком уровне, называется состоянием с инверсной населенностью. Создавать инверсную населенность можно различными способами: с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении р - я-перехода, путем облучения полупроводника светом и т. д.
Источник энергии, создавая инверсию населенностей, выполняет работу, передавая энергию веществу и далее электромагнитному полю. В полупроводнике с инверсной населенностью можно получить вынужденное излучение, так как в нем имеется большое количество возбужденных электронов, которые могут отдать свою энергию.
Если полупроводник с инверсной населенностью облучить электромагнитными колебаниями частотой, равной частоте перехода между энергетическими уровнями, то электроны с верхнего уровня переходят на нижний вынужденно, излучая фотоны. При этом происходит вынужденное когерентное излучение. Оно является усиленным. Создав в таком устройстве цепь положительной обратной связи, получим лазер - автогенератор электромагнитных колебаний оптического диапазона.
Для изготовления лазеров чаще всего используют арсенид галлия, из которого изготовляют кубик со сторонами длиной в несколько десятых долей миллиметра.
Глава 4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕДАТЧИКОВ
Квантовый генератор
Ква́нтовый генератор - общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул. В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по разному: лазер , мазер , разер, газер .
Квантовый генератор основан на принципе вынужденного излучения , предложенного А. Эйнштейном: когда квантовая система возбуждена и одновременно присутствует излучение соответствующей квантовому переходу частоты, вероятность скачка системы на более низкий энергетический уровень повышается пропорционально плотности уже присутствующих фотонов излучения. На возможность создания квантового генератора на этой основе указал советский физик В. А. Фабрикант в конце 40-х годов.
Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. - 1985.
Херман Й., Вильгельми Б. "Лазеры для генерации сверхкоротких световых импульсов" - 1986.
Wikimedia Foundation . 2010 .
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - генератор эл. магн. волн, в к ром используется явление вынужденного излучения (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА). К. г. радиодиапазона, так же как и квантовый усилитель, наз. мазером. Первый К. г. был создан в диапазоне СВЧ в 1955. Активной средой в нём … Физическая энциклопедия
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - источник когерентного электромагнитного излучения, действие которого основано на вынужденном излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Квантовые генераторы радиодиапазона называются мазерами, квантовые генераторы оптического диапазона… … Большой Энциклопедический словарь
квантовый генератор - Источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного испускания и обратной связи. Примечание Квантовые генераторы разделяются по типу активного вещества, способу возбуждения и по другим признакам, например, пучковые, газовые … Справочник технического переводчика
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - источник монохроматического когерентного электромагнитного излучения (оптического или радиодиапазона), действующий на основе вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул, ионов. В качестве рабочего вещества используют газы, кристаллические … Большая политехническая энциклопедия
квантовый генератор - устройство для генерирования когерентного электромагнитного излучения. Когерентность – это согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении, напр. при интерференции … Энциклопедия техники
квантовый генератор - источник когерентного электромагнитного излучения, действие которого основано на вынужденном излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Квантовые генераторы радиодиапазона называются мазерами, квантовые генераторы оптического диапазона … … Энциклопедический словарь
квантовый генератор - kvantinis generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų generatorius, kurio veikimas pagrįstas sužadintųjų atomų, molekulių, jonų priverstinio spinduliavimo reiškiniu. atitikmenys: angl. quantum… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
квантовый генератор - kvantinis generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quantum generator vok. Quantengenerator, m rus. квантовый генератор, m pranc. oscillateur quantique, m … Fizikos terminų žodynas
Квантовый генератор - генератор электромагнитных волн, в котором используется явление вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение) (см. Квантовая электроника). К. г. радиодиапазона сверхвысоких частот (СВЧ), так же как и Квантовый усилитель этого… … Большая советская энциклопедия
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - источник электромагнитного когерентного излучения(оптич. или радиодиапазона), в к ром используется явление индуцированного излучения возбуждённых атомов, молекул, ионов и т. д. В качестве рабочего в ва в К. г. используют газы, жидкости, твёрдые… … Большой энциклопедический политехнический словарь
