Квантові підсилювачі

Пристрої, які здатні за рахунок внутрішньої енергії електронів, звязаних з атомами і молекулами активної речовини, підсилювати малі сигнали без викривлення форми електромагнітного поля, називаються квантовими підсилювачами (КП). По довжині хвилі підсиленого ним електромагнітного поля КП діляться на дві великі групи: підсилювачі СВЧ-діапазона довжин хвиль і оптичні квантові підсилювачі (ОКП).

В основі роботи ОКП лежить здатність збуджених квантових частинок віддавати свою внутрішню енергію під дією зовнішнього електромагнітного поля. За рахунок внутрішньої енергії квантової системи здійснюється квантове підсилення віпромінювання, так як проліт фотонів через активну речовинк викликає народження нових, точно таких же, фотонів. При цьому здійснюється лавине множення фотонів в речовині. Рух частинок і повязна з ним кінетично енергія, в процессі підсилення не беруть участь, в силу чого, відсутні характерні для звичайних електронних пристроїв дробові шуми. Основними же джерелами шумів є спонтанне випромінювання активним середовищем і Теплове випромінювання дисипативних елементів. При індукованому випромінюванні кванти електромагнутного поля, як вихідні, так і випромінені квантовою системою, повністю тотожні, тобто, мають однакові частоти, поляризацію і напрямок розповсюдження, що і визначає когерентність квантового підсилення. В підсилювачі важливо також забезпечити взаємодію активної речовини і підсиленого випромінювання.

Розглянемо основні характеристики КП. Коефіцієнт підсилення Кп- величина, яка показує в скільки разів потужність вихідного сигнала підсилювача перевищує потужність вхідного сигнала підсилювача. Інтервал частот, в якому коефіцієнт підсилення достатньо великий називається полосою пропускання підсилювача Δνу. Полоса пропускання оприділяється як область частотної характеристики, в якій квадрат коефіцієнта підсилення К2п відрізняється від квадрата найбільшого коефіцієнта підсилення К20 не більше ніж в 2 рази, тобто:

clip_image002 (1)

На практиці часто користуються поняттям, як широкополосний КП clip_image004

Ка — коефіцієнт підсилення на резонансній частоті clip_image006

Третьою важливою характеристикою підсилювача є потужність шума Рш обумовлююча в основном чутливість КП, тобто його здатність підсилювати дуже слабкі вхідні сигнали. Чутливість не можна підвищувати бескінечно, так як вона обмежена флуктуаціями випадкового сигнала у вхідних елементах і рівнем принципово неусуваючого спонтанного випромінювання.

Добротність КП оприділяєтся відношенням резонансної частоти випромінювання до полоси пропускання: clip_image008 (2)

Динамічний діапазон вимірюється зміненням в часі рівня вихідного сигнала від мінімального значення, обмеженого шу­мами, до максимального значення, що призводить до насичення кван­тового рабочого перехода, тобто зменшеню інверсії населенностей до нуля. Динамічний діапазон можно збільшувати, якщо зменшити час релаксації активної речовини (наприклад, процесс встановле­ння равнодійного магнітного момента парамагнетика, речовини, що на­магнічується під дією зовнішнього магнітного поля і в напрямКП його).

Коефіцієнт квантового підсилення G характеризує збільшення амплітуди, що проходить крізь активну речовину електромагнітної хвилі, по експоненціальному закону clip_image010 (3)

де Ео — амплітуда хвилі, що входить; z - відстань, пройдена хвилею в активній речовині. На відстані clip_image012 амплітуда поля зрастаєт в е =2,71 раз. Активна речовина тим ефективнішп, чим більше число квантових частинок знаходиться на інвертированому рівні, тобто чим більше інверсія населеностей clip_image014 і дипольный момент квантового перехода clip_image016

clip_image018 (4)

В промисловості і в наукових дослідженях широко використовуються також оптичні квантові підсилювачі. Ці пристрої в поєднані з лазерами дають можливість отримати високі рівні енергії и потужності когерентного оптичного випромінювання.

Широке використання знаходять парамагнітні КП, яким притаманні в порівнянні з іншими типами підсилювачів СВЧ — діапазона дуже низьким рівнем власних шумів Відбиваючись від стінок резонатора, хвиля багатократно про­ходит через кристал і час взаімодії поля з речовиною з­ростає по відношеню до розповсюдження в свободному просторі. Як правило, збудження резонатора здійснюється на двух частотах, на частоті накачки і частоті підсиленого сигнала, що і позволяет уменьшить мощность накачки. Мощное поле накачки определенной частоты викликає насичення одного із переходів парамагнетика, із-за чого створюється інверсія населенностей для іншого квантового пере­хода.

Термін шуми означає природні флуктуації електромагнітного поля, обумовлені дискретною природою електричних заря­дів и квантовою природою випромінювання. Шуми принципово неусуваємі, вони можуть бути зменшені до порівняно малої величини. Відтак шуми — це завади на вході аппаратури, які викликають появу сторонніх сигналів, які заважають спостереженню виміру корисних сигналів. Вони обмежують чутливість КП. Частина шумів, які поступають на вхід КП разом з корисним сигналом, є зовнішніми шумами, та же частина, яка виникає в самому КП, є внутрішніми шумами.

Джерелами зовнішніх шумів є фонові засвітки, елек­тричні розряди, іоносферні і космічні радіошуми, теплове і радіовипромінення Земли и т. д. Джерелами внутрішніх шумів є випадкові флуктуації поля випромінювання і нерівномірності термоелектронної емисеї. Сюди відносять дробові, тепловішуми. Дію шумів на аппаратуру принято визначати середньоквадратичною величиной шумової напруги або струму.

Оставьте комментарий к статье