Как устроен квантовый генератор и в чем состоит принцип его действия кратко

Обновлено: 02.07.2024

КВА́НТОВЫЙ ГЕНЕРА́ТОР, устройство, генерирующее когерентное электромагнитное излучение за счёт вынужденного испускания фотонов системой микрочастиц. При термодинамич. равновесии системы число испущенных фотонов равно числу поглощённых. Для генерации излучения необходима инверсия населённостей в ансамбле частиц и обратная связь . Это впервые показали Н. Г. Басов , А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс (с сотрудниками) в 1954 и на основе этого создали К. г. Рабочим веществом этого генератора были молекулы аммиака NH₃, инверсия населённостей в которых создавалась сортировкой молекул по энергиям (см. Молекулярный генератор ), элементом обратной связи служил объёмный резонатор .

Квантовый генератор — это генератор электромагнитных волн, в котором использовано явление вынужденного
излучения. Квантовый генератор радио-диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) так же как и квантовый усилитель
этого диапазона часто называют мазером.
Квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры появились в 1960 г. Лазеры работают в широком
диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном
режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стеклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от
других источников света лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия
которых концентрируется в очень узком телесном угле.
Принцип действия оптического квантового генератора заключается в следующем. Свет определенной длины волны, направленный на вещество, содержащее атомы,
способные находиться г А з на различных энергетических уровнях, возбуждает эти атомы, т. е. передает им дополнительную энергию. После прекращения освещения возбужденные атомы, возвращаясь на исходный уровень, выделяют эту энергию в форме электромагнитного излучения определенной длины волны, обычно в пределах диапазона волн видимого света. При этом кроме генерации излучения имеет место его усиление, что делает оптический квантовый генератор источником излучения высокой удельной мощности.
Эффектом возбуждения (стимулирования) излучения, его усиления и генерации обладают различные материалы.
Для изготовления лазеров на твердом теле в качестве активных материалов применяют кристаллы различных минералов или стекла с примесями редких элементов. Основой большинства применяемых в промышленности лазеров является кристалл синтетического рубина в форме стержня или стержень из неодимового стекла, являющиеся резонаторами, в которых возникает и формируется луч, излучаемый оптическим квантовым генератором.
Сложно? Но о простом просто сказать невозможно.

Перевод атомов в возбуждённое метастабильное состояние (с инверсной заселённостью) за счёт энергии накачки и затем вынужденное излучение фотона таким атомом под действием такого же фотона (то есть с "нужной"частотой" - фактически резонансный эффект) , пролетающего мимо. Этим как раз обусловлена строгая идентичность всех вылетающих фотонов (когерентность излучения)

Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения. Основой работы ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения.

Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющею ту же частоту. Самое важное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения.

Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Он может содержать один или несколько лазерных элементов, помещенных в ОР.

Активный элемент (АЭ) является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда (АС). Лазерное вещество может находиться в плазменном, газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают следующие типы лазеров: плазменные, газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые.

Оптический резонатор в общем случае представляет собой систему отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля. Он должен иметь минимальные потери на поглощение в рабочей части спектра (коэффициент отражения одной из поверхностей часто бывает выше 0,99) и высокую оптическую точность узлов и их установки относительно друг друга.

Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой атомов трехвалентного хрома. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых фотонов (импульсной лампы) возбуждаются и переходят на высокий энергетический уровень. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить фотон, как это вызывает переход других атомов.

Если подействовать на атомы в метастабильном состоянии квантами световой энергии ( частота которых равна частоте перехода из метастабильного состояния в основное), то атомы переходят в основное состояние, излучая световую энергию. Процесс перевода атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки (процесс заселения метастабильного уровня).

Атомы хрома в возбужденном состоянии (черные точки) под действием фотонов (стрелки) переходят в возбужденное состояние (белые точки, рис. а). После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на низкий уровень, излучая избыток энергии в виде электромагнитных колебаний. Одна часть излучаемой энергии рассеивается наружу через стенки стержня (б), другая в виде фотонов параллельно оси стержня (в, г) по пути движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов.

Возникший поток световой энергии отражается от зеркал на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конце в виде светового луча выходит из торца стержня в том месте, где находится полупрозрачное зеркало.

Твердотельные полупроводниковые лазеры отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего вещества используют проводник.

Жидкостные лазеры – основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью её охлаждения, что позволяет получать больше энергии в импульсном и непрерывном режимах (активная среда – раствор органических жидкостей).

Газовые лазеры – стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В её торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания.

Химические лазеры – инверсия и генерация излучения осуществляется или в результате химической реакции, или после реакции при обмене энергией между компонентами среды.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование).

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Также лазеры применяются для передачи информации.

20. Блок-схема комплекта “лампа-ПРА”. Основные параметры, характеризующие ПРА. Статистические и динамические вольт-амперные характеристики газоразрядных ламп (ГРЛ). Условия устойчивости работы ГРЛ в контуре.

21. Схемы зажигания и стабилизации работы ГРЛ. Схемы зажигания ГРЛ с холодными электродами. Схемы включения ламп с предварительным подогревом электрода. Схемы зажигания импульсом. Стартерные схемы; стартеры; схемы, обеспечивающие работу ламп в импульсном режиме. Принципы выбора типа схем для различных ГРЛ.

22. Методы электрического расчета. Методы расчета контуров “ГРЛ - линейный индуктивный балласт”, “ГРЛ – емкостно-индуктивный-линейный балласт”. Особенности работы ГРЛ с нейлоновыми балластами. Методы электротехнического расчета многоэлементных схем; согласование пускового и рабочего режимов. Метод расчета многофазных схем включения ГРЛ.

23. Расчет и конструирование индуктивного балласта (ИБ). Определение исходных данных. Конструктивный расчет дросселя. Метод расчета балласта на стандартный магнитопровод. Принципы оптимизации параметров ИБ. Метод конструктивного расчета трансформатора с большим внутренним сопротивлением. Компенсация реактивной мощности ПРА. Уменьшение пульсации светового потока.

Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:

Также лазеры применяются для передачи информации.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Сегодня нашу жизнь сложно представить без квантовых генераторов, хотя не все обращают на это внимание. Множество детских игрушек являют собой именно квантовые генераторы и это не единственная область их применения.

Что же такое квантовый генератор?

КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - устройство, генерирующее эл--магн. излучение за счёт вынужденного испускания фотонов ансамблем микрочастиц.

Ква́нтовый генера́тор — 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 (оптический диапазон);

мазер (микроволновой диапазон);

разер (рентгеновский диапазон);

Реально работа данных устройств базируются на использовании постулатов Бора:

Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Рассмотрим детально принцип работы лазера

Лазер - оптический квантовый генератор, создающий мощный узконаправленный когерентный монохроматический луч света. (слайды 1, 2)

( 1. Спонтанное и вынужденное излучение.

Если электрон находится на нижнем уровне, то атом поглотит падающий фотон, и электрон перейдет с уровня Е ₁ на уровень Е ₂ . Это состояние неустойчивое, электрон самопроизвольно перейдет на уровень Е ₁ с испусканием фотона. Спонтанное излучение происходит самопроизвольно, следовательно, атом будет испускать свет несогласованно, хаотично, поэтому световые волны несогласованны друг с другом ни по фазе, ни по поляризации, ни по направлению. Это естественный свет.

Но возможно и индуцированное (вынужденное) излучение. Если электрон находится на верхнем уровне Е ₂ (атом в возбужденном состоянии), то при падении фотона может произойти вынужденный переход электрона на нижний уровень испусканием второго фотона.

Излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона) называют вынужденным, или индуцированным .

Свойства вынужденного излучения:

одинаковая частота и фаза фотонов первичного и вторичного;

одинаковое направление распространения;

Следовательно, при вынужденном излучении образуются два одинаковых фотона-близнеца.

2. Использование активных сред.

Состояние вещества среды, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной заселенностью энергетических уровней . Это обычное состояние среды.

Среду, в которой больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют активной средой с инверсной заселенностью энергетических уровней . (слайд 9)

В среде с инверсной заселенностью энергетических уровней обеспечивается усиление световой волны. Это активная среда.

Усиление света можно сравнить с нарастанием лавины.

Для получения активной среды используют трехуровневую систему.

На третьем уровне система живет очень мало, после чего самопроизвольно переходит в состояние Е ₂ без испускания фотона. Переход из состояния 2 в состояние 1 сопровождается излучением фотона, что и используется в лазерах.

Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой . Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Например, после вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 , спустя малый промежуток времени в состояние 2 , в котором живет сравнительно долго. Так создается перенаселенность на уровне 2 .

3. Положительно обратная связь.

Для того чтобы из режима усиления света перейти к режиму генерации в лазере используют обратную связь.

Обратная связь осуществляется с помощью оптического резонатора, который обычно представляет собой пару параллельных зеркал. (слайд 11)

В результате одного из спонтанных переходов с верхнего уровня на нижний возникает фотон. При движении в сторону одного из зеркал фотон вызывает целую лавину фотонов. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя испускать фотоны все новые атомы. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока существует инверсная заселенность уровня

Инверсная заселенность энергетических уровней — неравновесное состояние среды, при котором число частиц (атомов, молекул), находящихся на верхних энергетических уровнях, т. Е. В возбужденном состоянии, больше, чем число частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях. .

Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительной энергии. Световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно усиливается. Дно из зеркал делается полупрозрачным, и из него лазерная волна выходит наружу в окружающую среду.

4. Рубиновый лазер .

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень . Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr . Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки . Лампа кратковременно вспыхивает, происходит накачка.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют и другие типы лазеров: газовые, полупроводниковые. Они могут работать в непрерывном режиме.

5. Свойства лазерного излучения :

самый мощный источник света;

Р _Солнца = 10 4 Вт/см 2 , Р _лазера = 10 14 Вт/см 2 .

исключительная монохроматичность( монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты) ;

дает очень малую степень расхождения угла;

когерентность ( т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов) .

Для работы лазера

необходима система накачки. То есть мы придадим атому либо атомной системе какую-либо энергию, тогда, согласно 2 постулату Бора атом перейдет на более высокий уровень с большим количеством энергии. Далее задача состоит в том, чтобы вернуть атом на прежний уровень, при этом, он излучает фотоны в качестве энергии.

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение )

Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу

Такой же принцип работы и у других квантовых генераторов: мазера, газера и разера, однако они излучают волны другого диапазона.

Мазер излучает микроволны , разер – рентгеновские , а газер – гамма-излучение.

Мазер — квантовый генератор, излучающий

когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).

Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Разер (рентгеновский лазер) — источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, основанный на эффекте вынужденного излучения. Является коротковолновым аналогом лазера.

Применение когерентного рентгеновского излучения включают в себя исследования в области плотной плазмы, рентгеновской микроскопии, медицинской визуализации фазы с разрешением, исследование поверхности материала, и оружия. Мягкий рентгеновский лазер может выполнять функции лазера двигательной установки.

Работы в области газера ведутся, так как не создана эффективная система накачки.

Лазеры же используются в целом списке отраслей :

6. Применение лазеров : (слайд 16)

в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);

обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);

в хирургии вместо скальпеля (например, в офтальмологии);

для получения объемных изображений (голография);

связь (особенно в космосе);

запись и хранение информации;

в химических реакциях;

для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;

Таким образом, квантовые генераторы прочно вошли в быт человечества, позволив решить множество актуальных на тот момент проблем.

Читайте также: