БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (КВ)

В оптическом диапазоне К. у. широко используются как усилители мощности лазерного излучения. К. у. света имеют много общего по принципу действия и конструкции с квантовыми генераторами света (см. Лазер ).

Вынужденный переход атома из состояния с энергией E 2в состояние с меньшей энергией E 1сопровождающийся испусканием кванта электромагнитной энергии E 2 - E 1= h n (n— частота вынуждающей и испускаемой волн, h — Планка постоянная ), приводит к усилению колебаний. Усиление, создаваемое одним атомом, очень мало. Но если колебание частоты n распространяется в веществе, содержащем большое число одинаковых возбуждённых атомов, находящихся на уровне E 2, то усиление может стать достаточно большим. Атомы же, находящиеся на нижнем уровне E 1, в результате вынужденного поглощения, наоборот, ослабляют волну. В результате вещество будет ослаблять или усиливать волну в зависимости от того, каких атомов в ней больше, невозбуждённых или возбуждённых, или, как говорят, какой из уровней энергии более населён атомами.

Если вещество находится в состоянии равновесия термодинамического , то распределение частиц по уровням энергии определяется его температурой, причём уровень с меньшей энергией более населён, чем уровень с большей энергией ( рис. 1 ; см. также Больцмана статистика ). Такое вещество всегда поглощает электромагнитные волны. Вещество начинает усиливать — становится активным, лишь тогда, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых ( инверсия населённостей ). Чем больше число атомов на верхнем уровне превышает число атомов, находящихся на нижнем уровне, т. е. чем больше инверсная разность населённости D N и = N 2 — N 1, тем эффективней усиление.

Однако инверсное состояние вещества не может существовать сколь угодно долго. После прекращения внешнего воздействия в результате теплового движения частиц и взаимодействия между ними через некоторое время снова устанавливается равновесное распределение населённостей уровней ( рис. 1 ). Этот процесс ( релаксация ) происходит и во время действия внешнего возмущения, стремясь восстановить тепловое равновесие в веществе. Поэтому внешнее воздействие должно быть достаточно сильным, чтобы привести вещество в состояние с инверсией населённостей и не должно быть однократным.

Существуют различные методы создания активной среды. Для К. у. наиболее удобным оказался метод, основанный на использовании 3 уровней энергии, предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым . Частицы (атомы молекулы или ионы), в энергетическом спектре которых есть 3 уровня энергии E 1, E 2, E 3( рис. 2 ), подвергаются воздействию сильного электромагнитного излучения (накачки). Частота этого излучения n соответствует частоте перехода между нижним E 1и верхним E 3уровнями ( h n = E 3 - E 1).

Интенсивность накачки должна быть достаточно велика, чтобы переходы E 1 ® E 3происходили гораздо чаще, чем обратные релаксационные переходы. В этом случае населённости уровней E 1и E 3выравниваются. При этом для одной из пар уровней E 1и E 2или E 2и E 3будет иметь место инверсия населённости. Инверсия населённостей образуется для пары уровней с более медленной релаксацией и с меньшей разностью энергии.

С понижением температуры Т увеличивается как равновесная разность населённостей D N уровней ( рис. 1 ), так и инверсная разность населённостей D N и( рис. 2 ). Кроме того, понижение температуры сильно замедляет релаксацию и тем самым снижает требуемую мощность накачки. Поэтому инверсию населённостей, достаточную для создания эффективных К. у. радиодиапазона, удаётся получить при охлаждении вещества до температуры кипения гелия (4,2 К). Существуют конструкции К. у., которые могут работать при температурах до 77 К (точка кипения азота) и даже 190 К, но они менее эффективны.

Наиболее подходящим материалом для К. у. радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяются рубин (Al 2O 3с примесью ионов хрома Cr 3+), рутил (TiO 2с примесью ионов Cr 3+и Fe 3+), изумруд [Be 3Al 2(SiO 3) 6с примесью окиси хрома Cr 2O 3]. Для К. у. необходимы кристаллы объёмом в несколько см 3, выращенные искусственно из очень чистых материалов со строго дозированной примесью парамагнитных ионов.

В отсутствии внешних магнитных полей магнитные моменты ионов ориентированы хаотически. В постоянном магнитном поле магнитный момент может располагаться только под несколькими определёнными углами к магнитному полю H , энергия иона в этих положениях различна (см. Зеемана эффект ).

Образуется ряд уровней энергии (магнитные подуровни), расстояние между которыми зависит от величины постоянного магнитного поля H . Число магнитных подуровней определяется спином иона ( рис. 3 ). Разность энергии между ними при обычных магнитных полях соответствует радиодиапазону и может быть легко изменена изменением магнитного поля. Такое вещество может усиливать радиоволны нужной частоты.

Основная характеристика всякого усилителя электрических колебаний — его коэффициент усиления К , показывающий, во сколько раз амплитуда колебаний на выходе усилителя больше амплитуды на входе. Чем больше путь, который волна проходит в активном веществе, тем больше коэффициент усиления К. у. В кристалле рубина волна, распространяясь на расстояние, равное её длине l, увеличивает свою амплитуду незначительно. Т. о., для получения достаточного усиления необходимы монокристаллы больших размеров, выращивание которых связано с серьёзными трудностями. Для К. у. с коэффициентом усиления 10 потребовались бы кристаллы (а, следовательно, и магниты) длиной в несколько м . Такой усилитель был бы очень громоздким и дорогим.

Усиление можно увеличить, заставив волну многократно проходить через активное вещество. Для этого активное вещество помещают в объёмный резонатор (полость, ограниченную металлическими стенками). Волна, попавшая из антенны в резонатор через отверстие в его стенке (отверстие связи), многократно отражается от стенок резонатора и длительно взаимодействует с активным веществом ( рис. 4 ). Усиление будет эффективным, если при каждом отражении от стенки фаза отражённой волны совпадает с фазой падающей волны. Это условие выполняется при определённых размерах резонатора, т. е. резонатор гак же, как и само вещество, должен быть настроен на частоту усиливаемой волны. При каждом отражении от стенки с отверстием часть электромагнитной энергии излучается наружу в виде усиленного сигнала. Для разделения входа и выхода резонаторного К. у. применяется циркулятор ( рис. 5 ). Такой К. у. называется отражательным.