Квантовий підсилювач, пристрій для посилення електромагнітних хвиль за рахунок вимушеного випромінювання збуджених атомів, молекул або іонів. Ефект посилення в До. в. пов'язаний із зміною енергії внутріатомних (зв'язаних) електронів, рух яких описується квантовою механікою . Тому, у відмінність, наприклад, від лампових підсилювачів, в яких використовуються потоки вільних електронів, рух яких добре описується класичною механікою, ці підсилювачі отримали назву квантових (див. Квантова електроніка ).
Т. до. окрім вимушених квантових переходів збуджених атомів в стан з меншою енергією можливі їх мимовільні (спонтанні) переходи, в результаті яких випромінюються хвилі, випадкові, що мають, амплітуду, фазу і поляризацію, то вони додаються до підсилюваної хвилі у вигляді шумів . Спонтанне випромінювання є єдиним, принципово неусувним джерелом шумів До. в. Потужність спонтанного випромінювання дуже мала в радіодіапазоні і різко зростає при переході до оптичного діапазону. У зв'язку з цим До. в. радіодіапазону (мазери ) відрізняються виключно низьким рівнем власних шумів [у них відсутні шуми, пов'язані з нерівномірністю електронного потоку, неминучі в радіолампах (див. Шум дробу ); крім того, До. в. радіодіапазону працюють при температурах, близьких до абсолютного нуля, і шуми, пов'язані з тепловим рухом електронів в ланцюгах підсилювача, дуже малі]. Завдяки надзвичайно низькому рівню шумів чутливість До. в., тобто здатність підсилювати дуже слабкі сигнали, велика. До. в. застосовуються як вхідні рівні в самих високочутливих радіоприймальних пристроях в діапазоні довжин хвиль від 4 мм до 50 см . До. в. радіодіапазону значно збільшили дальність дії космічних ліній зв'язку з міжпланетними станціями, планетних радіолокаторів і радіотелескопів .
В оптичному діапазоні До. в. широко використовуються як підсилювачі потужності лазерного випромінювання. До. в. світла мають багато загального за принципом дії і конструкції з квантовими генераторами світла (див. Лазер ).
Вимушений перехід атома із стану з енергією E 2 в стан з меншою енергією E 1 що супроводиться випусканням кванта електромагнітної енергії E 2 - E 1 = h n (n— частота хвиль, що вимушують і випускаються, h — Планка постійна ), приводить до посилення коливань. Посилення, що створюється одним атомом, дуже мало. Але якщо вагання частоти n поширюється в речовині що містить велике число однакових збуджених атомів, що знаходяться на рівні E 2 , те посилення може стати чималим. Атоми ж, що знаходяться на нижньому рівні E 1 , в результаті вимушеного поглинання, навпаки, ослабляють хвилю. В результаті речовина ослаблятиме або підсилюватиме хвилю залежно від того, які атомів в ній більше, незбуджених або збуджених, або, як то кажуть, який з рівнів енергії більш населений атомами.
Якщо речовина знаходиться в змозі рівноваги термодинамічного, той розподіл часток по рівнях енергії визначається його температурою, причому рівень з меншою енергією населеніший, ніж рівень з більшою енергією ( мал. 1 ; див.(дивися) також Больцмана статистика ). Така речовина завжди поглинає електромагнітні хвилі. Речовина починає підсилювати — стає активним, лише тоді, коли рівновага порушується і збуджені атомів стає більше, ніж незбуджених (інверсія населенностей ). Чим більше число атомів на верхньому рівні перевищує число атомів, що знаходяться на нижньому рівні, тобто чим більше інверсна різниця населеності D N і = N 2 — N 1 , тим ефективніше посилення.
Проте інверсний стан речовини не може існувати скільки завгодно довго. Після припинення зовнішньої дії в результаті теплового руху часток і взаємодії між ними через деякий час знову встановлюється рівноважний розподіл населенностей рівнів ( мал. 1 ). Цей процес (релаксація ) відбувається і під час дії зовнішнього обурення, прагнучи відновити теплову рівновагу в речовині. Тому зовнішня дія має бути достатнє сильним, щоб привести речовину в стан з інверсією населенностей і не має бути однократним.
Існують різні методи створення активного середовища. Для До. в. найбільш зручним виявився метод, заснований на використанні 3 рівнів енергії запропонований Н. Р. Басовим і А. М. Прохоровим . Частки (атоми молекули або іони), в енергетичному спектрі яких є 3 рівні енергії E 1 , E 2 , E 3 ( мал. 2 ), піддаються дії сильного електромагнітного випромінювання (накачування). Частота цього випромінювання n відповідає частоті переходу між ніжнім E 1 і верхнім E 3 рівнями ( h n = E 3 - E 1 ).
Інтенсивність накачування має бути досить велика, щоб переходи E 1 ® E 3 відбувалися набагато частіше, ніж зворотні релаксаційні переходи. В цьому випадку населеності рівнів E 1 і E 3 вирівнюються. При цьому для однієї з пар рівнів E 1 і E 2 або E 2 і E 3 матиме місце інверсія населеності. Інверсія населенностей утворюється для пари рівнів з повільнішою релаксацією і з меншою різницею енергії.
З пониженням температури Т збільшується як рівноважна різниця населенностей D N рівнів ( мал. 1 ), так і інверсна різниця населенностей D N і ( мал. 2 ). Крім того, пониження температури сильно уповільнює релаксацію і тим самим знижує необхідну потужність накачування. Тому інверсію населенностей, достатню для створення ефективних До. в. радіодіапазону, удається отримати при охолоджуванні речовини до температури кипіння гелію (4,2 До). Існують конструкції До. в., які можуть працювати при температурах до 77 До (точка кипіння азоту) і навіть 190 До, але вони менш ефективні.
Найбільш відповідним матеріалом для До. в. радіодіапазону виявилися діамагнітниє кристали з невеликою домішкою парамагнітних іонів. Зазвичай застосовуються рубін (Al 2 O 3 з домішкою іонів хрому Cr 3+ ), рутил (Tio 2 з домішкою іонів Cr 3+ і Fe 3+ ) смарагд [Be 3 Al 2 (Sio 3 ) 6 з домішкою окислу хрому Cr 2 O 3 ]. Для До. в. необхідні кристали об'ємом в декілька см 3 , вирощені штучно з дуже чистих матеріалів із строго дозованою домішкою парамагнітних іонів.
У відсутності зовнішніх магнітних полів магнітні моменти іонів орієнтовані хаотично. У постійному магнітному полі магнітний момент може розташовуватися лише під декількома певними кутами до магнітного поля H , енергія іона в цих положеннях різна (див. Зеемана ефект ).
Утворюється ряд рівнів енергії (магнітні підрівні), відстань між якими залежить від величини постійного магнітного поля H . Число магнітних підрівнів визначається спином іона ( мал. 3 ). Різниця енергії між ними при звичайних магнітних полях відповідає радіодіапазону і може бути легко змінена зміною магнітного поля. Така речовина може підсилювати радіохвилі потрібної частоти.
Основна характеристика всякого підсилювача електричних коливань — його коефіцієнт посилення До , що показує, в скільки разів амплітуда коливань на виході підсилювача більше амплітуди на вході. Чим більше дорога, яку хвиля проходіт в активній речовині, тим більше коефіцієнт посилення До. в. У кристалі рубіна хвиля, поширюючись на відстань, рівну її довжині l, збільшує свою амплітуду трохи. Т. о., для здобуття достатнього посилення необхідні монокристали великих розмірів, вирощування яких пов'язане з серйозними труднощами. Для До. в. з коефіцієнтом посилення 10 було б потрібно кристали (а, отже, і магніти) завдовжки в декілька м-код . Такий підсилювач був би дуже громіздким і дорогим.
Посилення можна збільшити, змусивши хвилю багато разів проходити через активну речовину. Для цього активну речовину поміщають в об'ємний резонатор (порожнину, обмежену металевими стінками). Хвиля, що попала з антени в резонатор через отвір в його стінці (отвір зв'язку), багато разів відбивається від стінок резонатора і тривало взаємодіє з активною речовиною ( мал. 4 ). Посилення буде ефективним, якщо при кожному віддзеркаленні від стінки фаза відбитої хвилі збігається з фазою падаючої хвилі. Ця умова виконується при певних розмірах резонатора, тобто резонатор гак же, як і само речовина, має бути налаштований на частоту підсилюваної хвилі. При кожному віддзеркаленні від стінки з отвором частина електромагнітної енергії випромінюється назовні у вигляді посиленого сигналу. Для розділення входу і виходу резонатора До. в. застосовується циркулятор ( мал. 5 ). Такий До. в. називається відбивним.
Для здобуття оптимальних характеристик До. в. необхідно підібрати розмір отвору зв'язку, оскільки, окрім необхідного коефіцієнта посилення, До. в. повинен мати потрібну смугу пропускання, яка визначає його здатність підсилювати сигнали, швидко змінні в часі. Чим швидше в часі міняється сигнал, тим більший частотний інтервал він займає (див., наприклад, Модуляція коливань ). Якщо смуга пропускання підсилювача Dn менше смуги частот, займаної сигналом, то станеться згладжування швидких змін сигналу в підсилювачі.
Т. о., введення резонатора в конструкцію До. в. з одного боку збільшує його коефіцієнт посилення, а з іншої — в стільки ж раз зменшує його смугу пропускання. Останнє значно звужує сферу застосування підсилювача. Одні резонатори До. в. не набули широкого поширення із-за неможливості забезпечити одночасно великий коефіцієнт посилення і широку смугу пропускання. Виявилось, що можна зберегти широку смугу пропускання при великому коефіцієнті посилення, застосувавши декілька резонаторів. Існує два типи багаторезонаторних До. в. — підсилювачі відбивного типа з циркулятором ( мал. 6 ) і підсилювачі прохідного типа ( мал. 7 ). У прохідних До. в. хвиля поширюється уздовж ланцюжка резонаторів, заповнених активною речовиною. У кожному резонаторі при значній смузі пропускання посилення невелике, але повне посилення всього ланцюжка може бути достатнє великим. Резонатори прохідного До. в. сполучені один з одним феритовими невзаємними елементами. Під дією постійного магнітного поля ферити набувають властивості пропускати хвилю, що поширюється в одному напрямі, поглинаючи зустрічну хвилю. Основним недоліком багаторезонаторних До. в. є складність перебудови частоти підсилювача, оскільки при цьому необхідно одночасно із зміною магнітного поля Н міняти власну частоту великого числа резонаторів, що технічно важко.
Час взаємодії хвилі з речовиною можна збільшити, застосовуючи замість системи резонаторів уповільнюючі системи . Швидкість поширення хвилі уздовж такої структури у багато разів менше швидкості поширення хвилі в радіохвилеводі або в вільному просторі. Відповідно збільшується і посилення при проходженні хвилею одиниці довжини кристала. Істотно, що уповільнюючі структури широкосмугові. Це дає можливість перебудовувати частоту. в. зміною лише магнітного поля. Смуга пропускання таких підсилювачів, а також багаторезонаторних До. в. визначається шириною спектральної лінії . До. в. з уповільнюючою структурою отримали назва До. в. хвилі, що біжить. У них також застосовуються ферити. Вони пропускають хвилю, що поширюється уздовж уповільнюючої структури в потрібному напрямі, і поглинають зустрічні, відбиті хвилі.
Потужність шумів До. в. зручно вимірювати, порівнюючи її з потужністю теплового випромінювання абсолютно чорного тіла . Спектр теплового випромінювання включає оптичний і радіодіапазони. Т. о., потужність шумів можна виражати через абсолютну температуру (див. Шумова температура ). Гранична низька температура шуму До. в., обумовлена спонтанним випромінюванням для l =3 см , складає 0,5 К. Для більшості активних речовин, використовуваних в До. в., потужність шуму вагається в межах від 1 До до 5 До. У реальних До. в. до цих нікчемно малих шумів додається набагато потужніше теплове випромінювання тих, що підводять радіохвилеводів і ін. конструктивних деталей. Потужність шумів, що випромінюється хвилеводом, можна характеризувати величиною b Т , де b — коефіцієнт поглинання хвилі, а Т — його абсолютна температура. Для зменшення шумів необхідно охолодити можливо велику частину вхідних деталей. Але охолодити весь вхідний тракт до температури рідкого гелію неможливо. Тому не удається понизити шуми До. в. з антеною до величини нижче 15—30 К. Ето приблизно в 100 разів менше рівня шумів кращих підсилювачів, що були до появи До. в.
Охолоджування До. в. виробляється рідким гелієм в кріостатах . Труднощі, пов'язані із зріджуванням, транспортуванням і переливкою рідкого гелію з транспортних судин в кріостати, обмежують можливість вживання До. в., ускладнюють і здорожують їх експлуатацію. Розроблені невеликі холодильні машини із замкнутим циклом руху речовини, що охолоджує. Маса такої машини, розрахованої на охолоджування До. в. до 40 До, складає 10—20 кг . Машина, розрахована на здобуття 4 До, важить більш ніж 200 кг і споживає потужність в декілька квт .
Літ.: Коропів Н. Ст, Маненков А. А., Квантові підсилювачі, М., 1966; Сигмен А., Мазери, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Штейншлейгер Ст Би., Місежников Р. С., Ліфанов П. С., Квантові підсилювачі СВЧ(надвисокі частоти) (мазери), М., 1971.
