КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ – электронные устройства для получения и / или усиления когерентных электромагнитных волн (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ), работа которых основана на явлении вынужденного излучения. Излучение создают связанные электроны, входящие в состав атомов и молекул рабочего вещества. Их поведение подчиняется законам квантовой механики, в отличие от свободных электронов, движение которых в вакууме и элементах схем «обычной» радиоэлектроники хорошо описывает механика классическая.

Вынужденное излучение возникает в результате одновременного, согласованного по частоте и направлению испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул вещества под действием внешнего поля. Оно может происходить в широком диапазоне частот – от радиоволн до ультрафиолета и гамма-излучения.

Квантовая механика, созданная в начале 20 в., показала, что электроны в атомах могут занимать только вполне определенные энергетические уровни Е₀, Е₁, Е₂ …. Уровень Е₀, соответствующий наименьшей энергии, называется основным, остальные – возбужденными. Под действием кванта электромагнитного излучения электрон может перейти с одного уровня на другой, причем Е₂ – Е₁ = hn, где n – частота излучения, h = 6,626Ч10^–34 ДжЧс – постоянная Планка. Если переход осуществляется с низкого уровня на более высокий, происходит поглощение кванта излучения. Обратный переход сопровождается его испусканием, причем частота и фаза возникшей и первичной волн в точности совпадают. Это излучение называется вынужденным.

Таким образом, в результате вынужденного излучения каждый квант, действующий на возбужденный атом, молекулу или ион, удваивается. И если количество возбужденных атомов вещества больше, чем его атомов в основном состоянии (такое положение называется инверсной населенностью, а само вещество – активным), вещество начинает усиливать проходящую сквозь него электромагнитную волну.

Вещество не только может усиливать электромагнитные волны, но одновременно и поглощает их. Величина усиления зависит от соотношения между числом актов вынужденного излучения и величиной потерь. Чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Его можно повысить, если заставить электромагнитную волну проходить активное вещество многократно, увеличивая число излученных квантов. Для этого вещество помещают в полость, ограниченную отражающими стенками – резонатор. Волну вводят в резонатор через отверстие связи в его стенке, и сквозь нее же выводят усиленное излучение, увеличивая тем самым потери. Поэтому коэффициент усиления такого квантового усилителя будет расти при уменьшении отверстия связи.

Если отверстие связи и поглощение внутри резонатора сделать очень малыми, приращение энергии волны за счет усиления станет больше ее потерь. Тогда амплитуда любого случайно возникшего в резонаторе электромагнитного колебания станет быстро возрастать – квантовый усилитель превратится в квантовый генератор электромагнитного излучения. Квантовые генераторы оптического диапазона называются лазерами. Квантовые усилители, атомные и молекулярные генераторы, работающие в радиодиапазоне, нередко объединяют общим термином «мазеры», аббревиатурой английской фразы «Microwave amplification by stimulated emission of radiation» – усиление микроволн (волн сантиметрового диапазона) при помощи вынужденного излучения.

Квантовые молекулярные генераторы, отличающиеся чрезвычайно высокой стабильностью (относительная погрешность Dn/n Ј 10^–11) используются в качестве стандартов частоты и времени.

Квантовые усилители нашли широкое применение в радиоастрономии. Чувствительность радиотелескопов нельзя повышать только за счет увеличения размеров приемной антенны – их ограничивает прочность материалов и стоимость сооружения. Кроме того, слабое излучение космического объекта приходит на фоне значительных шумов. От них можно избавиться, увеличивая время наблюдения и накапливая полезный сигнал. Применение квантовых усилителей, настроенных на его частоту, позволяет подавить шумы и увеличить скорость накопления сигнала в десятки раз.

Понятие вынужденного излучения сформулировал в 1916 А.Эйнштейн и показал, что это излучение должно быть когерентным. Однако возможность применить его для усиления и генерации электромагнитных волн стали серьезно рассматривать только в начале 50-х.

В 1951 советский физик В.А.Фабрикант с сотрудниками подал авторскую заявку на новый способ усиления электромагнитных волн, в которой опирался на свои эксперименты 1939 по регистрации вынужденного излучения. По заявке было выдано свидетельство на изобретение, предметом которого стал «Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов длин волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается сквозь среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную, по сравнению с равновесной, концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию».

Работы группы В.А.Фабриканта были связаны с вопросами радиолокации, поэтому формула изобретения была опубликована в открытой печати только в 1959 и никакого влияния на создание квантовых приборов оказать не могла.

Использовать вынужденное излучение для получения радиоволн миллиметрового диапазона предложил в мае 1951 американский физик Ч.Таунс (Колумбийский университет), а в декабре он уже дал принципиальную схему генератора. Ему же принадлежит термин «мазер». Практически одновременно и независимо – в мае 1952 – доклад о возможности создания квантового генератора на молекулах сделали А.М.Прохоров и Н.Г.Басов (Физический институт им. П.Н.Лебедева).

Первый квантовый генератор был построен в 1954 одновременно группами Таунса и Басова-Прохорова. Его рабочим веществом служил пучок молекул аммиака NH₃. В их спектре имеются пары энергетических уровней с разностью энергий, соответствующих частоте перехода n = 23,87 ГГц, т.е. лежащей в области СВЧ радиодиапазона. Инверсную населенность осуществляли путем разделения молекул, находящихся в различных энергетических состояниях, неоднородным электрическим полем. Пучок возбужденных молекул пролетал через резонатор – полость, ограниченную металлическими стенками. Волна, которую испускают первые влетевшие в резонатор молекулы, отражается от его стенок и взаимодействует с поступающими молекулами. Возникает вынужденное излучение, распространяющееся поперек пучка.

За разработку нового метода генерации и усиления электромагнитных волн и фундаментальные работы в области квантовой электроники Ч.Таунс, А.М.Прохоров и Н.Г.Басов были удостоены Нобелевской премии по физике (1964).

Сергей Транковский