КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Усилитель эл.-магн. волн радиодиапазона, основанный на вынужденном излучении возбуждённых атомов, молекул, ионов. Эффект усиления в К. у. связан с изменением энергии внутриат. эл.-нов, движение к-рых подчиняется законам квант. механики. Поэтому, в отличие от обычных усилителей, где используются потоки свободных электронов, подчиняющихся законам классич. механики, эти усилители получили назв. квантовых. Исходное излучение частоты со, распространяясь в среде, содержащей возбуждённые ч-цы, у к-рых частота w0, соответствующая квант. переходу в менее возбуждённое состояние (в частности, в основное), совпадает с со, стимулирует эти переходы. Каждый акт перехода сопровождается испусканием эл.-магн. кванта hw, частота, фаза и направленность к-рого такие же, как и у кванта, вызвавшего переход. В результате происходит усиление исходного излучения. В состоянии термодинамич. равновесия распределение ч-ц по уровням энергии определяется темп-рой Т, причём уровень с меньшей энергией ?1 более населён, чем уровень с большей энергией ?2 (рис. 1; (см. БОЛЬЦМАНА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ)).

Рис. 1. Распределение ч-ц по уровням энергии в условиях термодинамич. равновесия: а — при темп-ре T1; б — при темп-ре Т2 > T1; N — населённость уровней энергии; ? — энергия.

Такое в-во всегда поглощает эл.-магн. волны. В-во начинает усиливать волны, становится активным, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых (инверсия населённостей). Существуют разл. методы создания инверсной населённости уровней энергии. Для К. у. наиб. удобным оказался метод, основанный на использовании трёх уровней энергии (описание метода и рисунок см. в ст. (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА)). Инверсную разность населённостей, достаточную для создания эфф. усилителей, удаётся получить только при охлаждении в-ва до гелиевых темп-р (=4,2 К). Существуют конструкции К. у., к-рые могут работать при темп-pax жидкого азота (=77 К) и выше (=190 К), но они менее эффективны.

Активная среда. Активным в-вом в К. у. служат диэлектрич. кристаллы с небольшой изоморфной примесью парамагн. ионов (см. ПАРАМАГНЕТИК, ИЗОМОРФИЗМ), обладающих системой трёх (или более) энергетич. уровней, в к-рой осуществлена инверсия населённостей для двух уровней (рис. 2). Переходы между ними должны позволять усиливать сигнал заданной частоты. Обычно применяется рубин (Аl2О3 с примесью ионов Cr3+), рутил (TiO2 с примесью ионов Cr3 + и Fe3+), изумруд (Аl2О3•6SiO2•3ВеО с примесью ионов Cr3+ ).

Рис. 2. Возникновение инверсии населённостей для уровней ?2 и ?3 в системе с тремя уровнями ?1, ?2, ?3 под действием накачки: a — при темп-ре Т1, б — при темп-ре Т2 >T1. Пунктир показывает распределение ч-ц по уровням энергии при термодинамич. равновесии.

Примесный ион в кристалле испытывает действие электрич. внутрикристаллического поля, создаваемого окружением. Это поле вызывает расщепление электронных уровней энергии, величина к-рого зависит от напряжённости и симметрии поля (см. ШТАРКА ЭФФЕКТ). Начальные расщепления «подстраивают» до нужной величины внеш. магн. полем Н, к-рое вызывает зеемановское расщепление и смещение уровней, зависящее от напряжённости магн. поля и его ориентации относительно осей симметрии внутрикрист. поля (см. ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ). Разность энергии между подуровнями может быть легко изменена варьированием величины и направления Н. Такое в-во может усиливать радиоволны в нек-ром диапазоне частот.

Коэффициент усиления. Чем больший путь проходит волна в активном в-ве, тем выше коэфф. усиления К. у., показывающий во сколько раз амплитуда колебаний на выходе усилителя выше амплитуды на его входе. Коэфф. усиления можно увеличить, заставив волну многократно проходить через кристалл, помещённый для этого в объёмный резонатор. Волна, попавшая в резонатор через отверстие в его стенке, многократно отражается от стенок резонатора и длительно взаимодействует с активным в-вом. Усиление волны будет большим, если резонатор настроен на частоту усиливаемой волны. При каждом отражении от стенки с отверстием связи часть эл.-магн. энергии, накопившейся в резонаторе, излучается наружу в виде усиленного сигнала (рис. 3, для разделения входа и выхода резонаторного К. у. применяется т. н. циркулятор). Такой К. у. наз. отражательным.

Полоса пропускания. Кроме требуемого коэффициента усиления К, К. у. характеризуется частотной полосой пропускания, к-рая определяет его способность усиливать сигналы, быстро изменяющиеся во времени. Чем быстрее изменяется сигнал, тем больший частотный интервал он занимает.

Рис. 3. Схема отражат. квант. усилителя с одним резонатором.

Если полоса пропускания усилителя меньше полосы, занимаемой сигналом, то в усилителе произойдёт сглаживание сигнала. Введение резонатора в конструкцию К. у., с одной стороны, увеличивает его коэфф. усиления, а с другой — во столько же раз уменьшает его полосу пропускания. Однорезонаторные К. у. не получили распространения из-за невозможности обеспечить широкую полосу пропускания. Более широкую полосу пропускания при большом коэфф. усиления имеют многорезонаторные К. у. Существует два типа многорезонаторных К. у.: отражат. типа с циркулятором (рис. 4) и проходного типа.

Рис. 4. Отражат. усилитель с тремя резонаторами.

В проходных К. у. волна распространяется вдоль цепочки резонаторов, заполненных активной средой. В каждом резонаторе при значит. полосе пропускания усиление невелико, но полное усиление всей цепочки может быть достаточно большим. Резонаторы проходного К. у. соединены друг с другом ферритовыми элементами. Под действием пост. магн. поля ферриты приобретают св-во пропускать волну, распространяющуюся в одном направлении, поглощая встречную волну. Осн. недостаток многорезонаторных К. у.— сложность перестройки частоты, т. к. при этом необходимо одновременно с изменением w менять собств. частоту большого числа резонаторов.

Время вз-ствия волны с в-вом можно увеличить, применяя вместо системы резонаторов т. н. замедляющие структуры. Скорость распространения волны вдоль такой структуры во много раз меньше скорости распространения волны в волноводе или в свободном пр-ве. С уменьшением скорости распространения волны увеличивается усиление при прохождении волной единицы длины кристалла. Замедляющие структуры широкополосны, что даёт возможность перестраивать частоту К. у. изменением только Н. Полоса пропускания таких К. у., а также многорезонаторных К. у. определяется шириной спектр. линии. К. у. с замедляющей структурой получили назв. К. у. бегущей волны.

Шумы.

Кроме вынужденных квант. переходов в состояние с меньшей энергией, возможны и самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате к-рых излучаются волны, имеющие случайные амплитуду, фазу и поляризацию. Эти волны добавляются к усиливаемой волне в виде шумов. Спонтанное излучение явл. единственным, принципиально неустранимым источником шумов К. у. Мощность спонтанного излучения очень мала в радиодиапазоне и резко растёт при переходе к оптич. диапазону. В связи с этим К. у. радиодиапазона (мазеры) отличаются исключительно низким уровнем собств. шумов. В них отсутствует дробовой шум, кроме того, у них мал и тепловой шум, т. к. они работают при темп-pax, близких к абс. нулю. Благодаря низкому уровню собств. шумов К. у. способны усиливать без искажений очень слабые сигналы. Они применяются в кач-ве входных каскадов в самых высокочувствит. радиоприёмных устройствах в диапазоне длин волн l=4 мм—50 см. К. у. значительно увеличили дальность действия линий косм. связи с межпланетными станциями, планетных радиолокаторов и радиотелескопов.

Мощность шумов К. у. удобно измерять, сравнивая её с мощностью из лучения абсолютно чёрного тела на частоте усиливаемого сигнала, и выражать её через абс. темп-ру Тш (см. ШУМОВАЯ, ТЕМПЕРАТУРА). Для большинства активных в-в, используемых в К. у., Тш от 1 до 5 К. В реальных К. у. к этим ничтожно малым шумам добавляется гораздо более мощное тепловое излучение подводящих волноводов и др. конструктивных деталей антенны. Мощность теплового излучения пропорц. коэфф. поглощения усиливаемой волны в этих элементах приёмного устройства. Для уменьшения шумов необходимо охлаждать возможно большую часть входных деталей, но охладить весь входной тракт до 4 К невозможно. Поэтому не удаётся снизить шумы К. у. с антенной ниже 10 К. Это прибл. в 100 раз ниже уровня шумов лучших усилителей, имевшихся до появления К. у. Охлаждение К. у. производится жидким гелием в криостатах. Трудности, связанные со сжижением, транспортировкой и переливанием жидкого гелия, ограничивают применение К. у. Используются малые холодильные машины с замкнутым циклом движения охлаждающего в-ва, подсоединяемые непосредственно криостату.