Квантовых генераторах

науки и техники, охватывающая изучение и разработку методов и средств генераций, усиления и преобразования частоты электромагн. колебаний радио- и оптич. диапазонов на основе использования явления индуцированного излучения или нелинейного взаимодействия излучения с в-вом. К приборам и устройствам К.э. относятся молекулярные генераторы, квантовые усилители, лазеры, квантовые стандарты частоты, лазерные гироскопы, квантовые магнитометры и др.

МАЗЕР (от нач. букв англ. слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление микроволн с помощью индуцированного излучения) - общее назв. квантового генератора и квантового усилителя СВЧ диапазона. К М. относят, в частности, молекулярные генераторы, парамагн. квантовые усилители. Используются, напр., в космич. связи, в физ. исследованиях, а также как квантовые стандарты частоты. МАЗЕРЫ НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ (МЦР) - электровакуумные СВЧ приборы, работа к-рых осн. на взаимодействии потока электронов, движущихся в пост. магн. поле по винтовым траекториям, с ВЧ полями резонаторов или волноводов на частотах, близких к циклотронной частоте электронов или её гармоник. Предназначены для усиления и генерирования когерентных электромагн. колебаний в осн. в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Из МЦР практически используется лишь генератор, получивший назв. гиротрон. Его выходная мощность в миллиметровом диапазоне длин волн св. 1 МВт в импульсном режиме и св. 200 кВт в непрерывном; электронный кпд достигает 60%. Гиро-троны применяются в установках для

ШУМА КОЭФФИЦИЕНТ, ш у м - ф а к -тор,- числовая хар-ка радиоприёмника, показывающая, насколько ухудшается его чувствительность к входному сигналу под действием собств. шумов (см. Шумы электрические]. Ш.к. измеряют при помощи генераторов шума или генераторов стандартных синусоидальных сигналов, фиксируя, во сколько раз увеличивается полная мощность выходного сигнала приёмника при подаче на вход калибровочного сигнала генератора по сравнению с выходной мощностью при отсутствии такого сигнала. Наименьший Ш.к. имеют квантовые усилители и охлаждаемые параметрич. усилители на ПП диодах. ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА - физ. величина, характеризующая уровень электрич. шумов электронного устройства (усилителя, преобразователя электрич. сигналов, генератора шума

М. наз. также др. квантовые усилители радиодиапазонов, напр, квантовый парамагнитный усилитель.

§ 12.5. КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ*

Квантовые усилители СВЧ диапазона используются обычно для усиле-

Под действием мощной накачки на частоте ю13 населенность уровней EI и Е3 становится одинаковой и равной (п3.-)- п^/2 = 1,0008 п2* Как видим, уровень Е3 оказывается инверсно заселенным относительно уровня ?2, но разность в заселении этих уровней чрезвычайно мала и не может привести к сколько-нибудь высоким коэффициентам усиления. Аналогичные оценки, проведенные для Т ~ 4,2 К (жидкий гелий), показывают, что при этой температуре (п 3 + Ч- «i)/2 = 1,07«2. Таким образом, понижение температуры рабочего нещества с комнатной до к4 К повышает инверсную заселенность на два порядка. Этим объясняется тот факт, что квантовые усилители СВЧ диапазона работают, как правило, при температуре жидкого гелия и используются в стационарных установках: в высокочувствительных приемниках радиолокационных и радиотелескопических систем, в системах связи и т. д. Основным их преимуществом является исключительно низкий уровень собственных шумов. По величине отношения сигнал/шум они примерно в 1000 раз превышают обычные усилители СВЧ диапазона. Это позволяет с их помощью принимать сигналы, не улавливаемые обычной электронной аппаратурой.

Используются различные способы получения инверсной заселенности рабочих уровней. Наиболее широкое применение получили парамагнитные квантовые усилители, основанные на явлении парамагнитного резонанса в твердых телах, описанном в § 11.7. В качестве рабочего вещества в этих усилителях используются диамагнитные кристаллы, содержащие небольшие количества парамагнитной примеси. К таким веществам относится, в частности, рубин,, представляющий собой окись алюминия (А1аО3), содержащий при-

§ 12.5. Когерентное излучение. Квантовые усилители и генераторы . 333

Квантовые усилители и генераторы, лазерные материалы 2—56

§ 1.5. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ние энергетич. уровней атомов, молекул и кристал~ лов во внеш. магнитном поле. Приводит к расщеплению спектр, линий излучения, испускаемого или поглощаемого веществом, находящимся в магнитном поле. 3. я. используется в квантовых генераторах радиочастотного излучения (мазерах), при исследованиях структуры веществ, для определения напряжённостей магнитных полей Солнца и звёзд и т. д.

РУБИН (нем. Rubin, от позднелат. rubinus, от лат. rubeus — красный) — прозрачная разновидность корунда хим. состава А]2О3, окрашенная примесью хрома в красный или фиолетово-красный цвет. Тв. по минералогич. шкале 9; плотн. 4100 кг/м8. Р. кислотостоек, люминесцирует в катодных и УФ лучах п красных тонах. Драгоц. камень 1-го класса. Крупнейшие месторождения Р.— в Бирме, Таиланде, Шри-Ланке. Синтетич. Р. применяется также в качестве подпятников опорных камней и др. деталей часов и различных точных приборов; в оптич. квантовых генераторах — лазерах. Искусств. Р. получают сплавлением чистой окиси алюминия с добавкой Сг2О3 при темп-ре ок. 2000 °С в крупную монокристаллич. «булю» или стержни различного диаметра.

В процессе малоцикловых испытаний используют тензометры, основанные на контактном и бесконтактном принципах измерения деформаций. В контактных тензометрах наиболее широко используются тензорезисторные датчики, располагаемые на упругом элементе тензометра. Бесконтактные тензометры применяются, как правило, при высокотемпературных испытаниях. Предполагается использование тензометров на квантовых генераторах и полупроводниковых датчиках [168]; получает распространение измерение деформации с использованием дифференциальных трансформаторов. Предложено175 устройство для задания и регистрации деформаций при малоцикловых испытаниях на усталость со второй электроконтактной микрометрической головкой. Для определения циклического предела пропорциональности (в отличие от статического, определяемого в первом цикле) привлекаются i[124] физические методы исследования, метод измерения температуры рабочей зоны образца и метод измерения электрического сопрртивления этой же зоны.

Кристаллы искусственного Р. можно получить по методу Вернейля и в гидротермальных условиях; могут быть применены для изготовления выпрямителей, работающих при высокой темп-ре, искусственно ограненные кристаллы Р.—• как имитация бриллиантов. Чистые кристаллы Р. с определенными примесями, подобно рубину, могут использоваться в квантовых генераторах света.

состоит большой куб, определенный расположением ионов Са, каждый ион Са окружен 8 ионами F и каждый ион F — 4 ионами Са. Подобного рода структура носит название флюоритовой. Кристаллы Ф. встречаются в виде хорошо образованных кубич., реже октаэдрич. и додекаэд-рич. кристаллов, грани куба обычно гладкие, а октаэдрические — матовые. Двойники встречаются часто по {ill}. Чистые кристаллы Ф. обладают высокой прозрачностью в ультрафиолетовом и инфракрасном свете, ярко люминесцируют в катодных лучах и под действием ультрафиолетового излучения, обнаруживают свечение при нагревании (термолюминесценция). В природе образуется при гидротермальных процессах; как спутник встречается в многочисленных месторождениях цветных и редких металлов. Искусственные кристаллы получают из расплава. Используется в основном в металлургии с целью получения легкоплавких шлаков. В химич. пром-сти из Ф. получают искусственный криолит и ряд фтористых соединений, в керамике — эмали и глазури. Прозрачные бесцветные разности кристаллов применяются в оптике для изготовления линз. Установлено, что кристаллы Ф. с примесями редкоземельных элементов, а также с Fe могут быть применены в квантовых генераторах света.

ШЕЕЛИТ — минерал, химич. формула CaW04 (вольфрамат кальция). Уд. в. 5,8—6,2, спайность по {111}. средняя, твердость по Моосу 4,5—5, обычно окрашен в серый, желтый, бурый и даже красный цвет. Сингояия тетрагональная,ф размеры элементарной ячейки а=5,246 А, с= = 11,349 А. Кристаллы встречаются в виде дипирамид, иногда таблитчатые по {001}. В ультрафиолетовых, катодных и рентгеновских лучах обнаруживает яркое голубоватое свечение. Ш. сравнительно часто встречается как гидротермальный минерал в кварцевых жилах, реже в пегматитах. Наиболее крупные месторождения Ш. находятся в скарнах. Обычными спутниками в таких месторождениях являются гранаты и пироксены. Часто его находят в вольфра-мтоносных, золоторудных и др. жильных месторождениях. Ш. добывается для получения вольфрама и его соединений. Пром. месторождения Ш. известны в СССР, США и др. странах. Кристаллы искусств. Ш. можно получать по методу Вернейля из расплава и из растворителей, какими являются расплавы хлористых щелочных металлов. Кристаллы Ш. могут быть использованы для регистрации а-излучения и медленных нейтронов. В последнее время установлено, что кристаллы Ш. с примесями элементов редких земель могут быть использованы в квантовых генераторах света.

Элементы рубиновые активные (ГОСТ 5.1456—72), изготовляемые из монокристаллов, выращенных из синтетического корунда и предназначенных для работы в твердотельных оптических квантовых генераторах. Элементы рубиновые изготовляют типов: Р — с торцами под углом 90°; РП — с торцами под углом 90° с повышенной выходной энергией; РЛ — с лейкосапфировымп наконечниками с торцами под углом 90° С; РЛП — с лейкосапфировыми наконечниками с торцами под углом 90° с повышенной выходной энергией; Р1Б — с одним из торцов под углом Брюстера; Р2Б — с двумя торцами под углом Брю-стера; РЛ1Б — с лейкосапфировыми наконечниками с одним из торцов под углом Брюстера; РЛ2Б — с лейкосапфировыми наконечниками с двумя торцами под углом Брюстера, в виде круглых стержней диаметрами: 5,2; 6,5; 7 и 8 мм п длиной рубиновой части 75 и 80 мм.

На протяжении последнего десятилетия вследствие использования теории и методов квантовой механики, являющейся одним из основных разделов современной физики, при исследовании проблем генерации, распространения и регистрации излучений СВЧ диапазона радиоволн возникла и стала быстро развиваться новая научная дисциплина — квантовая радиоэлектроника. В квантовых генераторах и усилителях источниками излучений служат так называемые квантовые системы, т. е. молекулы, атомы и электроны, обладающие определенными энергетическими уровнями.

Рассмотрим диаграмму энергетических уровней (рис. 15) ионов Сг3+, внедренного в решетку кристалла розового рубина (Сг2О3: А12О3). Это вещество — одно из основных активных веществ, используемых в оптических квантовых генераторах.

Понятие температуры возбуждения используется при объяснении физических явлений в молекулярных квантовых генераторах (лазерах и мазерах) [8, 79].

Заканчивая рассмотрение квантовых усилителей, необходимо еще раз напомнить, что эффективное с энергетической точки зрения использование активной среды в них. возможно лишь при высоких значениях интенсивности излучения в среде, а это достигается лишь на выходе усилителя. Получить высокую интенсивность излучения и эффективно использовать активную среду проще в квантовых генераторах.