Квантовый усилитель

КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, устройство, в котором электромагнитные колебания усиливаются при взаимодействии с квантовой системой частиц (атомов, молекул, ионов) за счёт вынужденного излучения. Взаимодействие квантовой системы с внешним электромагнитным полем приводит к переходам частиц между энергетическими состояниями E_i  и  E_j , сопровождаемым поглощением или испусканием кванта энергии hv с частотой v, удовлетворяющей условию hv = E_i  - E_j где h - постоянная Планка. Переход из нижнего j-го состояния в верхнее i-е соответствует поглощению, а из верхнего состояния в нижнее - испусканию. В термодинамически равновесной системе больше заселены нижние уровни энергии, а поскольку вероятности обоих процессов одинаковы, система поглощает проходящее через неё излучение. В системе с инверсией населённостей, при которой больше заселён верхний уровень энергии, преобладает вынужденное (индуцированное) излучение.

Термодинамически неравновесные состояния с инверсией населённостей можно создать различными методами в зависимости от типа атомной системы. Один из таких методов основан на использовании вспомогательного электромагнитного излучения (накачки) в многоуровневых квантовых системах. Метод был предложен Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955 году и оказался пригодным для различных квантовых систем. Весьма эффективен он для инверсии спиновых уровней парамагнитных ионов в кристаллах и создания на их основе квантовых усилителей СВЧ-диапазона (Н. Бломберген, 1956). Одна из схем метода накачки для трёхуровневой системы приведена на рисунке. Вспомогательное излучение внешнего источника частотой v_вcп, резонансной переходу между уровнями 1 и 3, индуцирует переходы атомов с нижнего энергетического уровня 1 на верхний уровень 3, при этом возникает инверсия населённостей уровня 3 по отношению к 2, и, следовательно, появляются условия усиления (или генерации) излучения на частоте v_г перехода между уровнями 3 и 2. И если теперь пропускать через эту систему частиц излучение с частотой v_г, то оно будет индуцировать переходы с уровня 3 на 2 и усиливаться. Важным свойством квантового усиления излучения является его когерентность: кванты электромагнитного поля, излучённые при индуцированных переходах, тождественны первичным квантам поля, вызвавшего эти переходы, то есть имеют одинаковую частоту, фазу и направление распространения. Это свойство обусловливает фазовую стабильность усилителей.

Спонтанные переходы атомов из верхнего энергетического состояния в нижнее не зависят от внешнего поля. Спонтанное излучение некогерентно по отношению к внешнему полю и играет роль внутренних шумов усилителей. В радиодиапазоне эти шумы очень малы, а в оптическом уже существенны.

Релаксационные переходы определяют возможность получения и удержания неравновесных состояний с инверсной населённостью и влияют на различные характеристики квантовых усилителей, такие, например, как насыщение усиления при сильных сигналах, переходные процессы. Безызлучательные релаксационные переходы атомов с одного энергетического уровня на другой стремятся возвратить атомы в термодинамически равновесное состояние (тепловая релаксация) либо приводят к перераспределению населённостей различных уровней, когда атомы не находятся в равновесии с термостатом (кроссрелаксация). Механизмы этих двух типов релаксационных процессов различны: тепловая релаксация возникает вследствие взаимодействия атомов с тепловыми движениями (например, в парамагнитных кристаллах благодаря спин-фононным взаимодействиям), а кроссрелаксация - вследствие взаимодействия атомов.

Квантовый усилитель представляет собой электродинамическую систему (например, резонатор), заполненную активной средой, атомы которой находятся в термодинамическом неравновесном состоянии с инверсной населённостью энергетических уровней. Основные характеристики квантового усилителя (коэффициент усиления, полоса пропускания и др.) определяются свойствами активной среды и электродинамической системы.

Квантовые  усилители можно разделить на два класса, различающихся главным образом диапазоном частот, а следовательно, и типами активных сред и электродинамических систем, а также областями применения, - это квантовые усилители СВЧ-диапазона (мазеры) и усилители оптического диапазона (лазеры). Оба термина (лазер и мазер) используются как для квантовых усилителей, так и для квантовых генераторов.

Квантовые усилители СВЧ-диапазона. Активной средой в таких квантовых усилителях являются диэлектрические кристаллы с примесями парамагнитных ионов. Уровни энергии парамагнитных ионов в кристаллах определяются как внутрикристаллическими электрическими полями, так и внешним магнитным полем, изменение величины которого позволяет создавать усилители в заданном диапазоне частот. Переходы между такими уровнями соответствуют частотам электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), и обычно для частот СВЧ-диапазона требуются внешние магнитные поля умеренной напряжённости (до десятков килоэрстэд). Наиболее эффективным для создания квантового усилителя СВЧ-диапазона оказался рубин - кристалл корунда Al₂О₃ с примесью ионов Cr³⁺, обладающий уникальным сочетанием спектральных, релаксационных и диэлектрических свойств, позволяющих создавать высокоэффективные квантовые усилители в диапазоне длин волн от дециметрового до миллиметрового.

Накачкой активной среды (для получения инверсии населённостей уровней энергии) обычно является излучение клистрона или магнетрона. В качестве электродинамической системы квантового усилителя используется объёмный резонатор либо система бегущей волны. Резонаторные системы (обычно применяемые в квантовом усилителе дециметрового диапазона) представляют собой комбинацию полосковых и объёмных резонаторов, настраиваемых соответственно на частоты сигнала и накачки. В квантовых усилителях бегущей волны (миллиметровый диапазон) используются волноводные замедляющие системы штыревого типа.

Для достижения необходимой инверсии населённостей и получения эффективного усиления и низких собственных шумов активный кристалл и элементы электродинамической системы охлаждаются до низких температур (обычно температур жидкого гелия - около 4 К). При этом в качестве источника внешнего магнитного поля, необходимого для расщепления уровней энергии парамагнитных ионов активного кристалла, применяются электромагниты со сверхпроводящими обмотками. Это обеспечивает высокую стабильность магнитного поля и связанную с ним стабильность частоты, а также компактность конструкции квантового усилителя.

Квантовые  усилители СВЧ-диапазона успешно применяются в космических исследованиях - радиоастрономии, планетной радиолокации, дальней космической связи. Было исследовано излучение галактического водорода на длине волны 21 см, открыты новые линии излучения высоковозбуждённых атомов водорода в 8-мм диапазоне длин волн, что дало ценные сведения о распределении и характеристиках водорода в Галактике. Использование квантового усилителя в планетной радиолокации позволило получить новые данные о характеристиках планет Меркурий, Венера, Марс, Юпитер.

Оптические квантовые усилители.

Квантовые  усилители этого типа имеют весьма широкий диапазон - от инфракрасного до ультрафиолетового. В качестве активной среды в них используются атомарные и молекулярные газы, диэлектрические кристаллы, полупроводники, жидкие растворы органических красителей, полимеры, активированные красителями, и др.

Лазерный усилитель (ЛУ) представляет собой по существу лазер, в котором создана инверсия населённостей, но не достигнуты условия самовозбуждения, т. е. лазер работает ниже порога генерации. В качестве электродинамической системы могут быть использованы резонаторы и системы бегущей волны, но принимаются меры для исключения генерации, т. е. исключается или ослабляется обратная связь прямых и отражённых волн. Для создания инверсии населённостей применяются различные методы в зависимости от типа среды - электрический разряд в газовых средах, вспомогательное излучение в твердотельных средах, электрический ток (инжекция электронов) в полупроводниках и др. В качестве источников накачки используется излучение газоразрядных ламп или других лазеров (например, диодных).

В соответствии с функциями и областью применений различают ЛУ слабых оптических сигналов (ЛУС) и ЛУ мощности (ЛУМ). ЛУС используются в системах связи и обработки информации, ЛУМ - для создания мощных лазерных систем. В системах дистанционной оптической связи наиболее подходящими оказались ЛУС, в которых в качестве активной среды применяются кварцевые волоконные световоды, активированные ионами Er³⁺. Переходы между уровнями Er³⁺ лежат в области длин волн 1,5 мкм (где кварцевые волоконные световоды имеют низкие потери) и при накачке излучением с длиной волны 980 нм обеспечивают высокоэффективное усиление.

Основное назначение ЛУМ - усиление мощности лазерного излучения до необходимого уровня с сохранением (или минимальными искажениями) характеристик входного лазерного пучка. При этом возникают проблемы, связанные с наведённой оптической неоднородностью активных сред, нелинейными эффектами (самофокусировка) и разрушением активных сред под действием усиливаемого лазерного излучения. Это ограничивает предельно достижимые мощности лазерных систем.

Для минимизации этих проблем предложены и реализованы различные методы. В частности, в мощных лазерных системах для коррекции однородности лазерного пучка между каскадами вводят пространственные фильтры, а конечные каскады выполняют в форме широкоапертурных пластин (дисков) для снижения плотности мощности излучения, что устраняет самофокусировку и уменьшает риск разрушения элементов.

Сверхкороткие лазерные импульсы пикосекундной и фемтосекундной длительности испытывают сильные искажения, обусловленные нелинейными эффектами в усиливающей среде и широким спектром импульса. Поэтому для исключения этих искажений применяется принцип усиления, так называемых чирпированных импульсов (импульсов с частотной модуляцией). Этот принцип заключается в предварительном расширении входного лазерного импульса до его усиления в ЛУМ и последующем сжатии уже усиленного импульса на выходе. Расширение и сжатие лазерных импульсов осуществляют на дифракционных решётках или других оптических дисперсионных элементах. Таким образом, в лазерных системах получают очень высокие (около 1 ПВт = 10¹⁵ Вт) мощности лазерного излучения сверхкороткой длительности. С использованием такого подхода в ряде лабораторий (США, Япония и др.) создаются мощные лазерные системы, позволяющие проводить исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом при экстремальных интенсивностях (>10²¹ Вт/см²), что открывает новые перспективы для фундаментальный физики и её приложений, в частности для решения проблем управляемого термоядерного синтеза.

Лит.: Маненков А. А. О роли электронного парамагнитного резонанса в становлении и развитии квантовой электроники // Успехи физических наук. 2006. Т. 176. № 6. Смотри также литературу при статьях Квантовая электроника, Лазер и Мазер.