Квантовое усиление.

При взаимодействии вещества с внешним электромагнитным полем одновременно происходят два противоположных процесса – вынужденное испускание и поглощение фотонов. В зависимости от того какой из этих процессов преобладает, происходит усиление или ослабление электромагнитных колебаний в веществе.

Выясним, при каких условиях может быть получено квантовое усиление. Если вещество взаимодействует с излучением на частоте перехода микрочастиц между энергетическими уровнями W_j и W_i, то число вынужденных переходов с поглощением фотонов в единице объема за время dt определяется выражением (1.7), а число вынужденных переходов с испусканием фотонов в единице объема за время dt – формулой (1.5). Поскольку при каждом переходе испускается или поглощается квант энергии , то вся поглощаемая в единице объема вещества энергия за время dt равна

(1.18)

В последнем выражении учтено, что коэффициенты Эйнштейна для поглощения и вынужденного испускания равны между собой, т.е.

Мощность, поглощенная единицей объема вещества, составляет

(1.19)

Если населенность нижнего рабочего уровня больше, чем верхнего , то поглощаемая мощность Р_погл > 0, т.е. происходит ослабление электромагнитных колебаний, взаимодействующих с веществом. В случае когда , процессы вынужденного испускания преобладают над поглощением и мощность Р_погл отрицательна. При этом электромагнитные колебания усиливаются. Следует подчеркнуть, что квантовое усиление оказывается возможным вследствие того, что фотоны, испускаемые при вынужденных переходах, не отличимы от фотонов усиливаемого сигнала.

Так как при термодинамическом равновесии населенности нижних уровней больше, чем верхних, то вещество, находящееся в равновесном состоянии, не может усиливать электромагнитные колебания. Необходимым условием для осуществления квантового усиления является создание инверсии населенности на рабочих уровнях, т.е. такого распределения населенностей, при котором . Создание инверсии населенностей на рабочих уровнях может быть осуществлено различными способами. Основными из них являются:

1. Использование вспомогательного излучения для увеличения населенности верхнего рабочего уровня и уменьшения населенности нижнего.

2. Пространственное разделение (сортировка) частиц, находящихся в различных энергетических состояниях.

Рассмотренный принцип квантового усиления находится в основе работы всех квантовых приборов. Усиление сигнала осуществляется за счет внутренней энергии микрочастиц, передаваемой ими полю при вынужденных переходах. Этим квантовые приборы принципиально отличаются от электровакуумных приборов, где усиление полезного сигнала происходит за счет кинетической или потенциальной энергии свободных электронов. С указанным обстоятельством связаны весьма существенные различия в параметрах квантовых приборов одинакового назначения.

Так в квантовых усилителях отсутствуют основные источники шумов, характерные для электровакуумных приборов: дробовой эффект, токораспределение и т.д. Кроме того, квантовые приборы могут работать при низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это позволило создать малошумящие квантовые усилители СВЧ (квантовые парамагнитные усилители), обладающие температурой шума порядка единиц градусов по абсолютной шкале.

В квантовых генераторах может быть получена чрезвычайно высокая стабильность частоты, поскольку положение используемых энергетических уровней микрочастиц слабо зависит от внешних условий. В диапазоне СВЧ созданы молекулярные и атомные генераторы, имеющие относительную нестабильность частоты 10^-12 - 10^-14.

Эффективность работы электровакуумных приборов уменьшается с укорочением рабочей длины волны, и их применение в настоящее время ограничивается миллиметровым диапазоном. В квантовых приборах возможные рабочие частоты определяются только структурой энергетических уровней микрочастиц. Поэтому квантовые приборы работают во всем сверхвысокочастотном и оптическом диапазоне вплоть до ультрафиолетовой области спектра.