Белов Л.А., Благовещенский М.В., Богачев В.М. и др. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина (1982) (1095868), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Совокупность микрочастиц, обладающих необходимым запасом избыточной внутренней энергии и способных при определенных условиях передавать эту энергию электромагнитному полю, называется активной средой или активным веществом. Квантовая радиотехника имеет дело с большими количествами микрочастиц (до )О'е ... !Ом чаетиц на г см"), образующих активную среду квантовых генераторов или усилителей. Несмотря на различие в назначении, диапазонах частот и выходных параметрах, действие любых квантовых генераторов и усилителей основано на общих принципах, которые определяются основными свойствами мякрочастиц.
Рассмотрим эти свойства на примере молекулы углекислого газа, используемой в качестве рабочей частицы в широко применяемых на практике и выдающихся по своим энергетическим параметрам квантовых генераторах оптическогодиапазона волн— лазерах на смеси углекислого газа, азота и гелия, работающих па длине волны )О,б мкм. Молекула углекислого газа СОэ (рис.
27.!) представляет собой линейную структуру, в которой два атома кислорода и один атом углерода расположены на общей оси, причем атом углерода находится посредине между атомами кислорода. Г|рп колебаниях молекулы, напоминающих колебания пружины или отруиы, взаимное расположение атомов иесхолько изменяется.
Возможны колебания молекулы типа изгиба, продольные, вращательные вокруг перпендикулярной ей оси и другие. В соответствии о законами квантовой механики энергия этим видов движения молекулы, как и любых других, кваитоваиа. Оиа может принимать только вполне определенные, дискретные значения, что характерно кан для молекулярных колебаний, так и для вращения молекул в нелом и отдельныа атомов в них, для вращения электронов вокруг ядра в каждом атоме и т, д.
В со- ЗТВ Рис. 271. Структура молекулы СОа и ее деформации пря колебаниях Рис, 27.2. Диаграмма энергетияескях уровней микрочастиц ответствии с видом движения молекулы говорят о ее колебательныл, иран~атель. иых, электронных и других состояниях и соответственно о колебательных, вращательных или электронных уровнях энергии молекулы. Энергетические уровни микрочастип изображаются в виде диаграммы (рис. 27.2).
Уровень 1, энергия которого обычно принимается равной нулю, называется основным, выше лежащие уровни — возбйтсдемными. Положение уровней энергии микрочаетиц на энергетичецкой шкале определяется структурой микрочастиц и особенностями их внутреннего движения. Например, энергетические зазоры между вращательными уровнями энергии составляют примерно 10 ' ... 10 а эВ, между электронными уровнями — примерно 1 ... 10 чВ. Если совокупность микрочастип, например, в виде газа, жидкости или твердого тела находится в соатоянии теплового равновесия ц окружающей средой, то распределение чацтип по невырожденным энергетическим уровням описывается распределением Больцмана: И, = Мог/ехр ( — ))Угй7), (27.1) где 1 — номеР УРовнЯ; Мг — число микРочастип в ! ама (населенность), обладающих энергией )(т"г,' !Уа — полное число микрочастип в 1 ем*; Т вЂ” абсолютная температура бреды; й — постоянная Больцмана, равная 1,38 10 м Дж/град; г — нормирующая побтоянная.
Из (27.!) следует, что отношение населенностей двух любых произвольных энергетических уровней ! и 1 равно )у',)К, = ехр [ — (йгу — 'Х,)1мТ), (27.2) т. е. при 7') 1 и соответственно Муу) йу, при любой конечной темпера. туре Т среды )Ч, ) М>. Таким образом, в условиях теплового равновесия заселяются преимущественно нижние энергетические уровни. Для создания квантового генератора или усилителя любого диапазона волн, необходимо выполнить условие Лгу) Мь т.
е. нарушить равновесное распределение частиц по энергетическим уровням. Из (27.2) фор- ауа мально следует, что У,) )У, при Т- . О, поэтому активные среды квантовых генераторов, в которых выполняется условие Л'~) Мп назы. вают также средами с отрицательной температурой. Термин «отрицательная температура» не имеет физйческого смысла, хотя и удобен для описания свойств активных сред. Положение частиц на том или ином энергетическом уровне не является раз и навсегда заданным, так как частица с конечной вероятностью может перейти с одного уровня на другой, Очевидно, что прн этом должен соблюдаться закон сохранения энергии. Переход е нижнего уровня 1 на верхний 1' возможен, если частица откуда-то получит добавочную энергию Л)(Г = 1Г1 — ))Уо при обратном переходе она должна отдать эту энергию. В том случае, когда энергия ЬЮ отбирается от внешнего электромагнитного поля или передается ему, закон сохранения энергии с учетом квантового характера электромагнитного поля записывается в виде ЛЖ = — йт„= %'> — Юь (27.3) где Ь вЂ” постоянная Планка, равная 6,62 !О вх Дж с; т„— частота колебаний электромагниного поля.
Из (27,3) вытекает, что взаимодействие микрочастиц с внешним электромагнитным полем носит резонансный характер. Условие резонанса состоит в равенстве частоты электромагнитного поля ч„ и собственной частоты тз Рабочего пеРехода 1 — В (27 А) ч„=- тп — — (Ж'~ — уг',) Ь. Зто дает право при определенных условиях рассматривать микрочастицы как своеобразные атомные или молекулярные резонаторы. На практике достаточно эффективное взаимодействие поля с микрочастицами возможно и при неточном выполнении условия (27.4). Это объясняется тем, что атомный резонатор, как и обычный, имеет по ряду причин частотную характеристику конечной ширины, опреде. ляющей эквивалентную добротность 9„ линии.
Эта частотная характеристика называется спектральной линией микрочастицы. Предположим теперь, что на систему микрочастиц, обладающих энергетическими уровнями, изображенными на рис. 27.2, действует электромагнитное поле с частотой ч„= чм = (Ю, — )Р1)1Й. Зто поле играет роль внешней силы, которая вынуждает частицы, находящиеся на уровне 1, переходить на уровень 2, поглощая кванты электроматннтного поля.
а частицы, находящиеся на уровне 2, переходить на уровень 1, излучая ючно такие же кванты. Второй процесс, называемый вынужденным или индуцированным излучением, является фундаментальной основой работы всех известных квантовых генераторов и усилителей. Важнейшее свойство вынужденного излучения состоит в том, что оно по частоте, фазе, поляризации я направлению распространения совпадает с действующим на активную среду внешним электромагнитным полем, т. е. усиливает это поле за счет избыточной энергии частиц, находящихся на уровне 2.
Какой процес будет доминировать, зависит от соотношения насе- ленностей уровней ) и 2, так как вероятности единичных актов поглощения и вынужденного излучения под влиянием внешнего электромагнитного поля одинаковы. Из их равенства следует, что для усиления электромагнитного поля с частотой ч„= им необходимо выполнить условие Мз)МТ или же Ж, 1Уь если частота поля ч„=им. Возбужденные частицы, находящиеся на уровне 2 и выше, могут переходить вниз и в отсутствие внешнего резонансного дли данного перехода электромагнитного поля. Энергия, запасенная этими частицами, может излучаться пми спонтанно (т.
е. самопроизвольно) в виде квантов электромагнитного поля с частотами, лежащими в пределах ширины спентральной линии частицы, или выделяетси непосредственно и виде тепловой энергии при взаимодейстини с окружающей средой, Переходы первого типа называются спонтанными излучательнымн, переходы второго типа — безызлучвтельными, Конечная вероятность обоих процессов приводит н тому, что время пребывания, или время жизни, возбужденной частицы на данном уроине ограничено и может колебаться в значительных пределах от часов до 1О " ...1О-'з с. В квантовых генераторах и усилителях обычно нспользуются вещества с достаточно большими временами жизни частиц на верхних рабочих уропиях порядка 10-" ...10 з с, что облегчает выполнение условия Мз ~ Х ы особенно при работе генератора в непрерывном режиме.
Энергетические уровни с указанными временами жизни носят название метастабильных, Для получения избытка числа частиц на верхнем из выбранной пары энергетических уровней=используются различные способы в зависимости от рабочего вещества квантового прибора. Зля газов чаще всего используются метод возбуждения частиц с помощью электрического разряда и пространственное разделение возбужденных и невозбужденных частиц в неоднородных электрических или магнитных полях Для кристаллов, стекол и жидкостей наиболее употребителен метод возбуждения вещества с помощью вспомогательного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
