Принцип роботи квантових приладів.
Робота квантових приладів заснована, на явищі вимушеного випромінювання.
Розглянемо два рівня. Хай
значення енергії електронів на цих
рівнях будуть
і
.
Величиною позначимо
частоту електромагнітних коливань
кванта, що поглинається електроном при
переході з рівня 1 на рівень 2.
Відомо, що якщо електрон нижнього рівня
поглине квант енергії,
,
де h=6,62 10–34 Дж·с - постійна Планка, то
цей електрон перейде на верхній рівень
в збуджений стан, а квант
зникне, віддавши свою енергію на збудження
(рис.1,а).
а)
б)
Рисунок 1 – Енергетичні рівні електрона
Проте довго електрон у збудженому стані пробути не може, оскільки це стан енергетично менш вигідно, бо в цьому випадку система не має мінімуму енергії. Тому через невеликий час, електрон перейде назад на нижній рівень, випустивши при цьому такий самий квант енергії , як і той квант, який був спочатку поглинений при збудженні (рис. 1, б).
Зазвичай такий перехід вниз, супроводжуваний випромінюванням, відбувається мимоволі, тому таке випромінювання називається спонтанним випромінюванням. Проте окрім спонтанного випромінювання може бути ще вимушене випромінювання.
Фізична суть його полягає в наступному. Якщо в той момент, коли електрон знаходиться у збудженому стані, на нього потрапляє квант тієї ж самої енергії , яка раніше викликала його збудження, то виявляється, що під впливом цього кванта електрон перейде на нижній рівень, випромінює при цьому аналогічний квант енергії , причому перший квант, що вимушує цей перехід вниз, при цьому не зникає (рис.2).
Рисунок 2- Фізичний зміст вимушеного випромінювання
Спонтанне випромінювання багатьох атомів (наприклад, в газі, в рідині, в твердому тілі) відбувається так, що у кожного з різних атомів переходи електронів на нижній рівень і відповідні випромінювання квантів трапляються абсолютно самостійно, не синхронно і незалежно від того, що робиться в сусідніх атомах. Світло (або в загальному випадку електромагнітні коливання), яке випромінює при цьому колектив атомів, буде хаотичне, несинфазне або, як то кажуть, некогерентне.
Всі звичайні, природні, джерела світла (лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, сонце, нагріті тіла, плазма газового розряду і ін.) дають саме таке некогерентне випромінювання.
Індуковане випромінювання багатьох атомів виходить, навпаки, когерентним. Відбувається це тому, що зовнішній квант або, інакше, зовнішня електромагнітна хвиля, впливає на збуджені електрони відразу багатьох атомів, викликаючи в них переходи електронів на нижні рівні і відповідні індуковані випромінювання, які відбуваються синфазно із зовнішньою падаючою електромагнітною хвилею, що вимушує або стимулює ці переходи вниз.
Використовуючи явище вимушеного випромінювання, можна отримати посилення електромагнітних коливань (хай число атомів, у яких в даний момент електрони знаходяться у збудженому стані, буде N2, а число атомів з електронами, що знаходяться у нормальному стані, буде N1, причому N1+N2=N). Для реалізації цього ефекту необхідне виконання умови, яка називається умовою інверсною, або оберненою, населеності квантових рівнів, коли сумарна населеність верхніх рівнів переходу W1→←W2 більша, ніж населеність нижніх рівнів. Очевидно, що в звичайному рівноважному стані, коли на середовище не діють ніякі зовнішні сили, N1>N2, оскільки положення на рівнях W1 для електронів є енергетично вигіднішим, ніж положення на рівнях W2 за наявності вільних рівнів W1. Тому при звичайному, не оберненому стані завжди N1>N2 і навіть N1>>N2.
У зв'язку з цим стан середовища з підвищеною населеністю верхніх рівнів, при якому N2>N1, і називається інверсним, або оберненим, по відношенню до звичайного стану, при якому N1>N2. Квантові підсилювачі зазвичай роблять шляхом приміщення в резонатор середовища з інверсною населеністю, що в схемному відношенні еквівалентно внесенню від’ємною провідності до контуру еквівалентного представлення резонатора.
Очевидно, що чим більше інверсія населеності середовища, тим більшу по абсолютній величині негативну провідність вносить середовище, і при деякому значенні цієї від’ємної провідності, коли вона перевищує провідність сумарних втрат в системі. Ця система може самозбудитись, тобто перетворитися на автогенератор.