КВА́НТОВЫЙ УСИЛИ́ТЕЛЬ

КВА́НТОВЫЙ УСИЛИ́ТЕЛЬ, 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 энер­гетич. со­стоя­ния­ми $\mathscr E_i$ и $\mathscr E_j$, со­про­во­ж­даемым по­гло­ще­ни­ем или ис­пус­ка­ни­ем кван­та энер­гии $h \nu$ с час­то­той $\nu$, удов­ле­тво­ряю­щей ус­ло­вию $h \nu=\mathscr E_i-\mathscr E_j$, 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.

Схема метода накачки для трёхуровневой системы.

Тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­ные со­стоя­ния с ин­вер­си­ей на­се­лён­но­стей мож­но соз­дать разл. 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 и ока­зал­ся при­год­ным для разл. кван­то­вых сис­тем. Весь­ма эф­фек­ти­вен он для ин­вер­сии спи­но­вых уров­ней па­ра­маг­нит­ных ио­нов в крис­тал­лах и соз­да­ния на их ос­но­ве К. у. СВЧ-диа­па­зо­на (Н. Блом­бер­ген, 1956). Од­на из схем ме­то­да на­кач­ки для трёх­уров­не­вой сис­те­мы при­ве­де­на на ри­сун­ке. Вспо­мо­га­тель­ное из­лу­че­ние внеш­не­го ис­точ­ни­ка час­то­той $\nu_{всп}$, ре­зо­нанс­ной пе­ре­хо­ду ме­ж­ду уров­ня­ми 1 и 3, ин­ду­ци­ру­ет пе­ре­хо­ды ато­мов с ниж­не­го энер­ге­тич. 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 ν_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, т. е. име­ют оди­на­ко­вую час­то­ту, фа­зу и на­прав­ле­ние рас­про­ст­ра­не­ния. Это свой­ст­во обу­слов­ли­ва­ет фа­зо­вую ста­биль­ность уси­ли­те­лей.

Спон­тан­ные пе­ре­хо­ды ато­мов из верх­не­го энер­ге­тич. со­стоя­ния в ниж­нее не за­ви­сят от внеш­не­го по­ля. Спон­тан­ное из­лу­че­ние не­ко­ге­рент­но по от­но­ше­нию к внеш­не­му по­лю и иг­ра­ет роль внутр. 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 разл. ха­рак­те­ри­сти­ки К. у., та­кие, напр., как на­сы­ще­ние уси­ле­ния при силь­ных сиг­на­лах, пе­ре­ход­ные про­цес­сы. Бе­зыз­лу­ча­тель­ные ре­лак­са­ци­он­ные пе­ре­хо­ды ато­мов с од­но­го энер­ге­тич. уров­ня на дру­гой стре­мят­ся воз­вра­тить ато­мы в тер­мо­ди­на­ми­че­ски рав­но­вес­ное со­стоя­ние (те­п­ло­вая ре­лак­са­ция) ли­бо при­во­дят к пе­ре­рас­пре­де­ле­нию на­се­лён­но­стей разл. 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 (напр., в па­ра­маг­нит­ных кри­стал­лах бла­го­да­ря спин-фо­нон­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ям), а кросс­ре­лак­са­ция – вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия ато­мов.

К. у. пред­став­ля­ет со­бой элек­тро­ди­на­мич. сис­те­му (напр., ре­зо­на­тор), за­пол­нен­ную ак­тив­ной сре­дой, ато­мы ко­то­рой на­хо­дят­ся в тер­мо­ди­на­ми­че­ском не­рав­но­вес­ном со­стоя­нии с ин­верс­ной на­се­лён­но­стью энер­ге­тич. уров­ней. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки К. у. (ко­эф. уси­ле­ния, по­ло­са про­пус­ка­ния и др.) оп­ре­де­ля­ют­ся свой­ст­ва­ми ак­тив­ной сре­ды и элек­тро­ди­на­мич. сис­те­мы.

К. у. мож­но раз­де­лить на два клас­са, раз­ли­чаю­щих­ся гл. обр. диа­па­зо­ном час­тот, а сле­до­ва­тель­но, и ти­па­ми ак­тив­ных сред и элек­тро­ди­на­мич. сис­тем, а так­же об­лас­тя­ми при­ме­не­ния, – это К. у. СВЧ-диа­па­зо­на (ма­зе­ры) и уси­ли­те­ли оп­тич. диа­па­зо­на (ла­зе­ры). Оба тер­ми­на (ла­зер и ма­зер) ис­поль­зу­ют­ся как для К. у., так и для кван­то­вых ге­не­ра­то­ров.

Квантовые усилители СВЧ-диапазона

Ак­тив­ной сре­дой в та­ких К. у. яв­ля­ют­ся ди­элек­трич. кри­стал­лы с при­ме­ся­ми па­ра­маг­нит­ных ио­нов. Уров­ни энер­гии па­ра­маг­нит­ных ио­нов в кри­стал­лах оп­ре­де­ля­ют­ся как внут­ри­кри­стал­лич. элек­трич. 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 К. у. СВЧ-диа­па­зо­на ока­зал­ся ру­бин – кри­сталл ко­рун­да Al₂O₃ с при­ме­сью ио­нов Cr³⁺, об­ла­даю­щий уни­каль­ным со­че­та­ни­ем спек­траль­ных, ре­лак­са­ци­он­ных и ди­элек­трич. свойств, по­зво­ляю­щих соз­да­вать вы­со­ко­эф­фек­тив­ные К. у. 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 элек­тро­ди­на­мич. сис­те­мы К. у. ис­поль­зу­ет­ся объ­ём­ный ре­зо­на­тор ли­бо сис­те­ма бе­гу­щей вол­ны. Ре­зо­на­тор­ные сис­те­мы (обыч­но при­ме­няе­мые в К. у. де­ци­мет­ро­во­го диа­па­зо­на) пред­став­ля­ют со­бой ком­би­на­цию по­лос­ко­вых и объ­ём­ных ре­зо­на­то­ров, на­страи­вае­мых со­от­вет­ст­вен­но на час­то­ты сиг­на­ла и на­кач­ки. В К. у. 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 элек­тро­ди­на­мич. сис­те­мы ох­ла­ж­да­ют­ся до низ­ких темп-р (обыч­но темп-р жид­ко­го ге­лия – ок. 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.

К. у. СВЧ-диа­па­зо­на ус­пеш­но при­ме­ня­ют­ся в кос­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях – ра­дио­ас­тро­но­мии, пла­нет­ной ра­дио­ло­ка­ции, даль­ней кос­мич. свя­зи. Бы­ло ис­сле­до­ва­но из­лу­че­ние га­лак­тич. 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 К. у. в пла­нет­ной ра­дио­ло­ка­ции по­зво­ли­ло по­лу­чить но­вые дан­ные о ха­рак­те­ри­сти­ках пла­нет Мер­ку­рий, Ве­не­ра, Марс, Юпи­тер.

Оптические квантовые усилители

К. у. это­го ти­па име­ют весь­ма ши­ро­кий диа­па­зон – от ин­фра­крас­но­го до ульт­ра­фио­ле­то­во­го. В ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды в них ис­поль­зу­ют­ся ато­мар­ные и мо­ле­ку­ляр­ные га­зы, ди­элек­трич. кри­стал­лы, по­лу­про­вод­ни­ки, жид­кие рас­тво­ры ор­га­нич. 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 элек­тро­ди­на­мич. 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 разл. ме­то­ды в за­ви­си­мо­сти от ти­па сре­ды – элек­трич. раз­ряд в га­зо­вых сре­дах, вспо­мо­га­тель­ное из­лу­че­ние в твер­до­тель­ных сре­дах, элек­трич. ток (ин­жек­ция элек­тро­нов) в по­лу­про­вод­ни­ках и др. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков на­кач­ки ис­поль­зу­ет­ся из­лу­че­ние га­зо­раз­ряд­ных ламп или др. ла­зе­ров (напр., ди­од­ных).

В со­от­вет­ст­вии с функ­ция­ми и об­ла­стью при­ме­не­ний раз­ли­ча­ют ЛУ сла­бых оп­тич. сиг­на­лов (ЛУС) и ЛУ мощ­но­сти (ЛУМ). ЛУС ис­поль­зу­ют­ся в сис­те­мах свя­зи и об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, ЛУМ – для соз­да­ния мощ­ных ла­зер­ных сис­тем. В сис­те­мах дис­тан­ци­он­ной оп­тич. 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.

Осн. на­зна­че­ние ЛУМ – уси­ле­ние мощ­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния до не­об­хо­ди­мо­го уров­ня с со­хра­не­ни­ем (или ми­ним. ис­ка­же­ния­ми) ха­рак­те­ри­стик вход­но­го ла­зер­но­го пуч­ка. При этом воз­ни­ка­ют про­бле­мы, свя­зан­ные с на­ве­дён­ной оп­тич. 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 разл. 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 т. н. 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 др. оп­тич. дис­пер­си­он­ных эле­мен­тах. Та­ким об­ра­зом в ла­зер­ных сис­те­мах по­лу­ча­ют очень вы­со­кие (ок. 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 фун­дам. фи­зи­ки и её при­ло­же­ний, в част­но­сти для ре­ше­ния про­блем управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за.