Квантовые генераторы

Балтийский  государственный технический университет

«Военмех» им. Д. Ф. Устинова

Кафедра И4

«Радиоэлектронные системы управления» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Устройства  приема и преобразования сигналов

Курсовая  работа на тему

  «Квантовые генераторы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

 Передельский  Олег

Группа  И471

Проверил:

Тарасов А.И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт –  Петербург

2010

Содержание 

1. Введение

     В данной работе рассматриваются принципы работы квантовых генераторов, схемы  генераторов, их конструктивные особенности, вопросы стабильности частоты генераторов и принципы модуляции в квантовых генераторах.

1.1 Общие сведения

Принцип действия квантовых генераторов  основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. Они позволяют генерировать  колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности.

      На  базе квантовых генераторов удается  создать эталоны частоты, по точности превышающие все существующие эталоны. Долговременная стабильность частоты, т.е. стабильность за длительный период оценивается значениями 10^-9 – 10^-10, а кратковременная стабильность(минутная) может достигать 10^-11.  

В настоящее время квантовые генераторы широко используются в качестве стандартов частоты в системах службы времени. Квантовые усилители, применяемые в приемных устройствах различных радиотехнических систем, позволяют существенно повысить чувствительность аппаратуры и снизить уровень внутренних шумов.

Одной из особенностей квантовых генераторов, определяющей их быстрое совершенствование, является их способность эффективно работать на весьма высоких частотах, включая оптический диапазон, т. е. практически до частот порядка 10⁹   Мгц.

Генераторы  оптического диапазона позволяют  получить высокую направленность излучения, высокую плотность энергии в световом пучке (порядка 10¹²—10¹³ вт/м²) и огромный частотный диапазон,  допускающий передачу большого объема информации.

Применение  генераторов оптического диапазона  в системах связи, локации и навигации, открывает новые перспективы существенного повышения дальности и надежности связи, разрешающей способности радиолокационных систем по дальности и углу, а также перспективы создания навигационных систем высокой точности.

Генераторы оптического диапазона находят применение при научных исследованиях

исследованиях и в промышленности. Чрезвычайно высокая концентрация энергии в узком пучке позволяет, например, прожигать отверстия очень малого диаметра в сверхтвердых сплавах и минералах, включая самый твердый минерал- алмаз.

      Квантовые генераторы обычно различают:

1. по характеру активного вещества (твердого или газообразного), квантовые явления в котором определяют работу приборов.
2. по диапазону рабочих частот (сантиметровый и миллиметровый диапазон, оптический диапазон – инфракрасный и видимый участки спектра)
3. по методу возбуждения активного вещества или разделению молекул по энергетическим уровням.

По рабочему диапазону частот квантовые генераторы подразделяются на мазеры и  лазеры. Название мазер - сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation MASER) . Название лазер - сокращение фразы «Усиление света с помощью вынужденного излучения» (light amplification by stimulated emission of radiation LASER)  

1.2 История создания

Историю создания мазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые  ввел представление о вынужденном  испускании. Это был первый шаг  на пути к лазеру. Следующий шаг  сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через 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 возбужденным состояниям”.

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики ( ныне академики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором” (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США ( группой под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” и произошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light – свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип – принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

2. Принципы работы  квантовых генераторов. 

В квантовых  генераторах при определенных условиях наблюдается непосредственное преобразование внутренней энергии атомов или молекул  в энергию электромагнитного  излучения. Это преобразование энергии  происходит в результате квантовых  переходов – энергетических переходов, сопровождающихся выделением квантов(порций) энергии.

      При отсутствии внешнего воздействия между  молекулами( или атомами) вещества происходит обмен энергией. Часть молекул  излучает электромагнитные колебания, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий, часть – поглощает, совершая обратный переход. В целом в стационарных условиях система, состоящая из огромного числа молекул, находится в динамическом равновесии, т.е. в результате непрерывного обмена энергией количество излученной энергии равно количеству поглощенной.

      Населенность  энергетических уровней, т.е. количество атомов или молекул, находящихся  на различных уровнях, определяется температурой вещества. Населенность уровней N₁ и N₂ с энергией W₁ и W₂ определяется распределением Больцмана: 

где k – постоянная Больцмана;

      Т – абсолютная температура вещества. 

В состоянии  теплового  равновесия  квантовые  системы имеют меньшее количество молекул на более высоких энергетических уровнях, и поэтому   они не излучают, а лишь поглощают энергию при внешнем облучении. Молекулы (или атомы) при этом переходят на более высокие энергетические уровни.

      В молекулярных генераторах и усилителях, использующих переходы между энергетическими уровнями, очевидно, необходимо создать искусственные условия, при которых населенность более высокого энергетического уровня будет выше. В этом случае под влиянием внешнего высокочастотного поля определенной частоты, близкой к частоте квантового перехода, может наблюдаться интенсивное излучение, связанное с переходом с высокого на низкий энергетический уровень. Такое излучение, вызванное внешним полем, называется индуцированным.

      Внешнее высокочастотное поле основной частоты, соответствующей частоте квантового перехода (эту частоту называют резонансной), не только вызывает интенсивное индуцированное излучение, но и осуществляет  фазирование излучения отдельных молекул, что обеспечивает сложение колебаний и проявление эффекта усиления.

     Состояние  квантового  перехода,  когда населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего уровня перехода называется инвертированным.                             

     Существует  несколько способов для получения высокой населенности верхних энергетических уровней(инверсии населенностей).

      В газообразных веществах, например в  аммиаке, можно осуществить разделение (сортировку) молекул по различным  энергетическим состояниям  с помощью  внешнего постоянного электрического поля.

      В твердых телах такое разделение затруднительно, поэтому используются различные методы возбуждения молекул, т.е. методы перераспределения молекул по энергетическим уровням путем облучения внешним высокочастотным полем. 
 

     Изменение населенности уровней (инверсию населенности уровней) можно произвести путем импульсного облучения высокочастотным полем резонансной частоты достаточной интенсивности. При правильном подборе длительности импульса (длительность импульса должна быть много меньше времени релаксации, т. е. времени восстановления динамического равновесия) после облучения некоторое время можно осуществлять усиление внешнего высокочастотного сигнала.

Наиболее  удобным методом возбуждения, широко используемым в настоящее время  в генераторах, является метод облучения  внешним высокочастотным    полем,    существенно отличающимся по частоте от генерируемых колебаний, под действием которого и происходит необходимое перераспределение молекул по энергетическим уровням.

     Работа  большинства квантовых генераторов основана на использовании трех или четырех энергетических уровней (хотя принципиально можно использовать другое число уровней). Предположим, что генерирование происходит за счет индуцированного перехода с уровня 3 на уровень 2 ( см. рис. 1).

Для того чтобы   активное   вещество усиливало на частоте перехода 3 -> 2, необходимо сделать населенность уровня 3 выше населенности уровня 2. Эту задачу выполняет вспомогательное высокочастотное поле частотой ν_всп   которое «перебрасывает» часть молекул с уровня 1 на уровень 3. Инверсия населенностей возможна при определенных параметрах квантовой системы и достаточной мощности вспомогательного излучения.

     Генератор, создающий  вспомогательное  высокочастотное  поле для увеличения населенности более  высокого энергетического уровня   называют    генератором  подкачки    или    подсветки. Последний термин связан с генераторами колебаний видимого и инфракрасного спектров, в которых для подкачки используются световые источники.

     Таким образом, для осуществления эффективной  работы квантового генератора необходимо подобрать активное вещество, имеющее определенную систему энергетических уровней, между которыми мог бы происходить энергетический переход, а также выбрать наиболее целесообразный способ возбуждения или разделения молекул по энергетическим уровням. 

     Рисунок 1. Схема энергетических переходов

     в квантовых генераторах 
 
 

3. Схемы квантовых  генераторов

Квантовые генераторы и усилители различают по типу используемого в них активного вещества. В настоящее время получили развитие главным образом два вида квантовых приборов, в которых применяются газообразные и твердые активные вещества

способные    к  интенсивному   индуцированному излучению.                                                                                          

3.1 Молекулярные генераторы с разделением молекул по энергетическим уровням. 

Предварительно  рассмотрим квантовый генератор  с газообразным активным веществом, в котором с помощью электрического поля производится разделение (сортировка ) молекул, находящихся на высоком и низком энергетических уровнях. Этот тип квантового генератора обычно называют молекулярным генератором на пучке молекул.                                                             

Рисунок 2. Схема молекулярного генератора на пучке аммиака

1 – источник аммиака; 2- сетка; 3 – диафрагма; 4 – резонатор; 5 – сортирующее устройство 

В практически  реализованных молекулярных  генераторах используется газ аммиак (химическая формула NH₃), в котором весьма ярко выражено молекулярное излучение связанное с переходом между различными энергетическими уровнями. В диапазоне сверхвысоких частот наиболее интенсивное излучение наблюдается при энергетическом переходе, соответствующем частоте f_n = 23 870 МГц (λ_n =1.26 см). Упрощенная схема генератора, работающего на аммиаке в газообразном состоянии изображена на рисунке 2.

Основные  элементы устройства, очерченные на рисунке 2 пунктиром, в ряде случаев размещаются в специальной системе, охлаждаемой жидким азотом, что обеспечивает низкую температуру активного вещества и всех элементов, необходимую для получения низкого уровня шумов и высокой стабильности частоты генератора.

      Молекулы  аммиака выходят из резервуара при  весьма низком давлении, измеряемом   единицами   миллиметров   ртутного   столба.

     Для получения пучка молекул, движущихся практически параллельно в продольном направлении, аммиак пропускается через диафрагму с большим числом узких аксиально направленных каналов. Диаметр этих каналов выбирается достаточно малым по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул.  Для уменьшения скорости движения молекул и, следовательно, снижения вероятности столкновения и самопроизвольного , т. е. неиндуцированного, излучения, приводящего к флюктуационным шумам, диафрагма охлаждается жидким гелием или азотом.

     Для уменьшения вероятности столкновения молекул можно было бы идти не по пути снижения температуры, а по пути уменьшения давления, однако при этом уменьшалось бы число молекул в резонаторе, одновременно взаимодействующих с высокочастотным полем последнего, и уменьшалась бы мощность, отдаваемая возбужденными молекулами высокочастотному полю резонатора.

     Для использования газа в качестве активного  вещества молекулярного генератора необходимо повысить число молекул, находящихся на более высоком  энергетическом уровне, против их количества, определяемого динамическим равновесием при  заданной  температуре.

     В генераторе рассматриваемого типа это  достигается путем отсортирования из молекулярного пучка молекул  низкого энергетического уровня с помощью так называемого квадрупольного конденсатора.

Квадрупольный конденсатор образуется четырьмя металлическими продольными стержнями специального профиля (рисунок 3а), соединённых попарно  через один с высоковольтным выпрямителем  которые имеют одинаковый по величине, но чередующийся по знаку потенциал. Результирующее электрическое поле такого конденсатора на продольной оси генератора из-за симметрии системы равно нулю и достигает максимального значения в пространстве между смежными стержнями   (рисунок 3б).

Рисунок 3. Схема квадрупольного конденсатора 

Процесс   сортировки   молекул   протекает  следующим образом. Установлено, что  молекулы, находящиеся в электрической  поле изменяют свою внутреннюю энергию  с возрастанием напряженности электрического поля энергия  верхних  уровней возрастает  а нижних - уменьшается   (рисунок   4).

Рисунок 4. Зависимость энергии уровней от напряженности электрического поля:

1. верхний энергетический уровень
2. нижний энергетический уровень

  Это  явление носит название эффекта Штарка. Вследствие эффекта Штарка молекулы аммиака при движении  в поле    квадрупольного    конденсатора,      стремясь уменьшить свою энергию,   т. е. приобрести    более     устойчивое состояние,    разделяются:   молекулы верхнего энергетического уровня стремятся выйти   из области сильного   электрического поля,   т. е.    смещаются   к   оси конденсатора,  где    поле   равно нулю,    а    молекулы    нижнего уровня,  наоборот,   перемешаются в область    сильного    поля, т. е. удаляются от оси   конденсатора, приближаясь   к пластинам  последнего.    В   результате этого молекулярный пучок оказывается не только в значительной степени   освобожденным  от молекул нижнего энергетического уровня, но и достаточно хорошо сфокусированным.

      После прохождения сортирующего устройства молекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту используемого в   генераторе  энергетического  перехода  f_n = 23 870  Мгц.

     Высокочастотное поле объемного резонатора вызывает индуцированное излучение молекул, связанное с переходом с верхнего энергетического уровня на нижний. Если излучаемая молекулами энергия равна энергии, расходуемой в резонаторе и передаваемой во внешнюю нагрузку то в системе устанавливается стационарный колебательный процесс и рассмотренное устройство может быть использовано в качестве генератора стабильных по частоте колебаний. 

     Процесс установления колебаний в генераторе протекает следующим образом.

Поступающие в  резонатор  молекулы,     находящиеся   преимущественно   на   верхнем   энергетическом   уровне,   самопроизвольно (спонтанно}  совершают переход на нижний уровень,    излучая при этом кванты энергии электромагнитной энергии и возбуждая резонатор. Вначале это возбуждение резонатора весьма слабо, так как энергетический переход молекул носит случайный характер. Электромагнитное поле резонатора, воздействуя на молекулы пучка, вызывает индуцированные переходы,   которые  в свою очередь увеличивают поле резонатора. Так, постепенно возрастая, поле резонатора будет все в большей степени воздействовать на молекулярный пучок, а энергия, выделяемая при индуцированных переходах, будет усиливать поле резонатора. Процесс увеличения интенсивности колебаний будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение, при котором поле резонатора будет настолько велико,   что в  период прохождения   молекул   через   резонатор   оно   будет   вызывать   не только индуцированные переходы с верхнего уровня  на нижний, но частично и обратные переходы, связанные с поглощением электромагнитной энергии.  При  этом мощность,  выделяемая молекулами аммиака, уже не увеличивается и, следовательно, дальнейшее нарастание амплитуды колебаний становится невозможным.  Устанавливается стационарный режим генерации.

      Следовательно это  не простое возбуждение резонатора, а автоколебательная система, включающая в себя обратную связь, которая осуществляется через высокочастотное поле резонатора. Излучение пролетающих через резонатор молекул возбуждает высокочастотное поле, которое в свою очередь обусловливает индуцированное излучение молекул, фазирование и когерентность этого излучения.

      В тех случаях, когда условия самовозбуждения  не выполняются (например, недостаточна плотность молекулярного потока, пронизывающего резонатор), данное устройство может быть использовано в качестве усилителя с весьма малым уровнем внутренних шумов. Коэффициент усиления такого прибора можно регулировать, изменяя   плотность   молекулярного   потока.

     Объемный  резонатор молекулярного генератора имеет весьма высокую добротность, измеряемую десятками тысяч. Для получения столь высокой добротности стенки резонатора подвергаются тщательной обработке и серебрятся. Отверстия для входа и выхода молекул, имеющие очень малый диаметр, одновременно выполняют роль высокочастотных фильтров. Они являются короткими волноводами, критическая длина волны которых меньше собственной длины волны резонатора, и поэтому высокочастотная энергия резонатора практически   через   них   не   выходит.

     Для  точной настройки резонатора на частоту  перехода в последнем используется какой-либо подстраивающий элемент. В простейшем случае -  это винт, погружение которого в резонатор несколько   изменяет   частоту   последнего.

      В дальнейшем будет показано, что частота  молекулярного генератора несколько  «затягивается» при изменении частоты настройки резонатора. Правда затягивание частоты невелико и оценивается величинами порядка 10^-11, однако ими нельзя пренебрегать, вследствие высоких требований, предъявляемых к молекулярным генераторам. По этой причине в ряде молекулярных генераторов жидким азотом (или жидким воздухом) охлаждается только диафрагма и сортирующая система, а резонатор помещается в термостат, температура в котором с помощью автоматического устройства поддерживается постоянной с точностью до долей градуса. На рисунке 5 схематически показано устройство подобного типа генератора.

      Мощность  молекулярных генераторов на аммиаке  обычно не превышает 10^-7 Вт,

поэтому практически они используются главным образом в качестве высокостабильных эталонов частоты. Стабильность частоты такого   генератора   оценивается   величиной

10^-8 – 10^-10.  В течение одной секунды генератор обеспечивает стабильность частоты порядка 10^-13.

Одним из существенных  недостатков рассмотренной  конструкции генератора  является  необходимость непрерывной откачки  и поддержания молекулярного потока. 

Рисунок 5. Устройство молекулярного генератора

  с автоматической  стабилизацией температуры  резонатора:

1- источник  аммиака; 2 – система капилляров; 3- жидкий азот; 4 –резонатор; 5 – система  водяной терморегулировки; 6 – квадрупольный конденсатор.

3.2 Квантовые генераторы  с внешней подкачкой 

      В рассматриваемом типе квантовых  генераторов в качестве активного  вещества могут использоваться как  твердые тела, так и газы, в  которых ярко выражена способность  к индуцированным энергетически переходам атомов или молекул, возбужденных внешним высокочастотным полем. В оптическом диапазоне для возбуждения(подкачки) активного вещества применяются различные источники светового излучения.

      Генераторы  оптического диапазона обладают рядом положительных качеств, и нашли широкое применение в различных радиотехнических системах связи, навигации и т. п.

Как и  в квантовых генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов, в лазерах обычно используются трехуровневые системы, т. е. активные вещества, в которых осуществляется переход между тремя энергетическими уровнями.

Однако  следует отметить одну особенность, которую необходимо учитывать при выборе активного вещества для генераторов и усилителей  оптического диапазона.

      Из  соотношения W₂ –W₁ =hν следует, что по мере повышения рабочей частоты ν в генераторах и усилителях необходимо использовать более высокую разность энергетических уровней. Для генераторов оптического диапазона, ориентировочно соответствующего частотному диапазону 2∙10⁷—9∙10⁸ Мгц (длина волны 15—0,33 мк), разность энергии уровней W₂ –W₁ должна быть на 2—4 порядка выше, чем для генераторов сантиметрового диапазона.

     В качестве активного вещества в генераторах  оптического диапазона используются как твердые тела, так и газы.

     В качестве твердого активного вещества широко используется искусственный  рубин — кристаллы корунда (А1₂О₃) с примесью ионов хрома (Сr). Помимо рубина широкое применение находят также стекла, активированные неодимом (Nd), кристаллы вольфрамата кальция (СаWO₄) с примесью ионов неодима, кристаллы фтористого кальция (СаF₂) с примесью ионов диспрозия (Dy) или урана и другие материалы.