Кванттық күшейткіш

Кванттық күшейткіш– қоздырылған атомдардың, молекулалардың, иондардың еріксіз сәуле шығаруы кезінде пайда болған электрмагниттік толқындарды күшейтуге арналған құрылғы.Кванттық күшейткіштің күшейту әсері, қозғалысы кванттық механика заңдарына бағынатын атом ішіндегі электрондар энергиясының өзгеруіне негізделген. Қоздырылған атом бейтарап күйге еріксіз және өздігінен (ерікті) кванттық ауысулар арқылы келеді. Әрбір еріксіз ауысу актісі кезінде энергиясы hv-ге тең электрмагниттік квант бөлініп шығады. Мұндай жағдайда бөлініп шыққан электрмагниттік кванттың жиілігі (v), фазасы және бағыты, оған себепші болған бастапқы сәуленің жиілігімен (v), фазасымен және бағытымен бірдей болады. Термодинамикалық тепе-тең күйдегі бөлшектердің энергия деңгейлері бойынша үлестірілуі (таралуы) температурамен (Т) анықталады. Мұндай жағдайда энергиясы жоғары деңгейге (Е2) қарағанда энергиясы төмен деңгейде (Е1) бөлшектер көбірек қоныстанады (орналасады), яғни N1>N2, мұндағы N1 және N2 – Е1 және Е2 энергия деңгейлерінде қоныстанған бөлшектер саны. Мұндай зат әрқашан электрмагниттік толқындарды жұтып, оларды күшейтеді де, өзі белсенді (активті) күйге көшеді. Сөйтіп, қозған атомдар саны қозбаған атомдар санынан артып тепе-теңдік күй бұзылады. Энергия деңгейлерінің қоныстану инверсиясын әр түрлі әдістермен өзгертуге болады. Кванттық күшейткіш үшін ең қолайлы әдіс – үш деңгейлі энергия әдісі. Тиімді күшейткіштер жасауға жеткілікті қоныстанудың инверсиялық айырымын алу үшін заттарды гелий температурасына (4,2 К) дейін суыту керек. Сұйық азот температурасында (77 К) және одан да жоғары температурада (190 К) істейтін кванттық күшейткіштер де бар. Бірақ олардың тиімділігі төмен. Кванттық күшейткіштерде активті орта ретінде шамалы изоморфты [[парамагниттік иондар қоспасы бар диэлектрлік кристалдар пайдаланылады. Мұндай кристалдардың үш (одан да жоғары) энергетикалық деңгейлер жүйесі бар және олардың қоныстану инверсиясы екі деңгей үшін жасалған. Әдетте, бұл мақсат үшін рубин, рутил және изумруд қолданылады. Толқын активті ортада неғұрлым ұзағырақ жол жүрсе, солғұрлым кванттық күшейткіштің күшейту коэффициенті көбірек болады. Күшейту коэффициенті күшейткіштен шыққан толқын амплитудасының оған келген толқын амплитудасынан неше есе артық болатынын көрсетеді. Күшейту коэффициентін күшейтілген толқынды көлемдік резонаторда орналасқан кристалдан көп рет қайта өткізу арқылы арттыруға болады. Кванттық күшейткіш, күшейту коэффициентінен басқа, жиілікті өткізу алқабымен, яғни уақыт бойынша тез өзгеретін сигналды күшейту қасиетімен де сипатталады; сигнал неғұрлым тез өзгеретін болса, кванттық күшейткіш солғұрлым үлкен жиілік алқабын қамтиды. Радиодиапазондағы кванттық күшейткіштер (мазерлер) өте төмен температурада жұмыс істейтіндіктен, олардың жылулық шуы аз болады да, өте әлсіз сигналдарды өзгертпей (бұзбай) күшейте алады. Олар өте сезгіш радиоқабылдағыш құрылғыларында (толқын ұзындығы 4 мм – 50 см диапазонда) толқынды енгізу каскады ретінде қолданылады. Оптикалық диапазондағы кванттық күшейткіш лазер сәулесі қуатының күшейткіші ретінде кеңінен пайдаланылады. кванттық күшейткіштер радиолокаторлар, радиотелескоптар арқылы планетааралық станциялармен ғарыштық байланысты кеңейтуге мүмкіндік берді.

Дереккөздер:

«Қазақстан»: Ұлттық энцклопедия / Бас редактор Ә. Нысанбаев – Алматы «Қазақ энциклопедиясы» Бас редакциясы, 1998 жыл. ISBN 5-89800-123-9, IV-том

• Штейншлейгер В.Б., Мисежников Г.С., Лифанов П.С., Квантовые усилители СВЧ (мазеры), Москва, 1971;
• Корниенко Л.С., Штейншлейгер В.Б., Квантовые усилители и их применение в космических исследованиях, “УФН”, 1978, том 126, в. 2.