Опорный конспект Создание первого квантового генератора Цель опыта: получение сильного усиления излучения, из резонансной камеры, заполненной возбужденными. - презентация

1

2 Опорный конспект Создание первого квантового генератора Цель опыта: получение сильного усиления излучения, из резонансной камеры, заполненной возбужденными молекулами аммиака Прохоров А. М. родился 28.6(11.7) г. Подробнее

3 Создание первого квантового генератора 1948 г. А. М. Прохоров, с группой молодых физиков исследовал молекулы, называемые ассиметричными волчками К асимметричным волчкам относится молекула аммиака NH3, которая состоит из трех атомов водорода, расположенных в плоскости основания трехгранной пирамиды, и атома азота, находящегося в ее вершине (рис. 1). В молекуле можно возбудить колебания, при которых атом азота периодически пересекает основание пирамиды, двигаясь вдоль ее высоты h. Вследствие такого движения среднее значение дипольного момента молекулы аммиака равно нулю. Этому возбужденному состоянию отвечает уровень энергии Е2. В невозбужденном (основном) состоянии молекулы, когда колебания отсутствуют, она находится на энергетическом уровне Е1. Подробнее

4 Экспериментальная установка Основные элементы мазера (рис 2а): источник молекулярного пучка А сортирующая система (конденсатор) В объемный резонатор С. Создание первого квантового генератора Подробнее

5 Создание первого квантового генератора Порядок проведения опыта 1.Небольшой объем 1 заполненный газом под давлением около 1 мм рт. ст. и закрытый с одной стороны мелкой сеткой является источником возбужденных молекул 2.молекулы проходят через сетку в откачиваемую с помощью насоса полость 3, образуя молекулярный пучок 3.молекулярный пучок проходит через сортирующую система (квадрупольный конденсатор B ); 4.Далее молекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту перехода молекулы с уровня Е2 на уровень Е1, и возбуждает в нем электромагнитное излучение той же часто­ты, которое отводится по волноводу C; Подробнее

6 Основные результаты опыта Создание первого квантового генератора Возбужденный молекулярный пучок облучается пучком фотонов, энергия которых в точности равна разности энергий Е2 - Е1 и падающее излучение усиливается. При пропускании части излучения вновь и вновь через активную среду, удалось получить молекулярный генератор - мазер, - способный излучать в самоподдерживающемся режиме. Подробнее

7 Объяснение результатов опыта Создание первого квантового генератора Основная идея работы лазера заключается в создании инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела за счет подведения к нему энергию, например, в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала. На схеме обозначены: 1. Рабочая среда 2. Энергия накачки лазера 3. Непрозрачное зеркало 4. Полупрозрачное зеркало 5. Лазерный луч Дополнительно

8

9

10

11 В 1952 г. А.М.Прохоров вместе со своим аспирантом Н.Г.Басовым сформулировали основные положения теории молекулярного усилителя и генератора (впоследствии получившего название мазер), основанные на использовании вынужденного из­лучения, и доложили их на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. Ключевая идея состояла в том, что для создания инверсии населенностей они предложили отделять возбужденные молекулы от молекул, находящихся в основном состоянии. Далее молекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту перехода молекулы с уровня Е2 на уровень Е1, и возбуждает в нем электромагнитное излучение той же частоты, которое отводится по волноводу. Создание первого квантового генератора Подводя итог можно сказать, что основной целью было получение сильного усиления излучения, из резонансной камеры, заполненной возбужденными молекулами аммиака. Назад

12 Подводя итог можно сказать, что основной целью было получение сильного усиления излучения, из ре­зонансной камеры, заполненной возбужденными молеку­лами аммиака. С 1948 г. А. М. Прохоров, возглавив группу молодых физиков, занимается исследованиями в области радиоспектроскопии газов. Используя новые для этой области радиофизические методы, он изучает структуру молекул. Наиболее интересным оказался класс молекул, называемых асимметричными волчками. Такие молекулы из-за своей асимметрии обладают тремя различными главными моментами инерции и, как следствие, некоторым дипольным моментом в основном состоянии. В частности, к асимметричным волчкам относится молекула аммиака NH3, которая состоит из трех атомов водорода, расположенных в плос­кости основания трехгранной пирамиды, и атома азота, находящегося в ее вершине (рис. 1,а). В молекуле можно возбудить колебания, при которых атом азота периодически пе­ресекает основание пирамиды, двигаясь вдоль ее высоты h. Нетрудно понять, что вследствие такого движения среднее зна­чение дипольного момента молекулы амми­ака равно нулю. Этому возбужденному со­стоянию отвечает уровень энергии Е2 (рис. 1, б). В невозбужденном (основном) состоянии молекулы, когда колебания от­сутствуют, она находится на энергетичес­ком уровне Е1. Заметим, что высокая ста­бильность свойств перехода между уровня­ми Е1 и Е2 позволяет осуществлять стабилизацию частоты СВЧ-генераторов, усовер­шенствование эталонов частоты и време­ни, повышение чувствительности радиопри­емных устройств. [1, c 1] Создание первого квантового генератора Назад

13 Экспериментальная установка Создание первого квантового генератора Источник А представляет собой небольшой объем 1, заполненный газом под давлением около 1 мм рт. ст. и закрытый с одной стороны мелкой сеткой 2. Молекулы практически без столкновений друг с другом проходят через сетку в откачиваемую с помощью насоса полость 3, образуя молекулярный пучок. На пути пучка поставлен квадрупольный конденсатор B (рис. 2, б), создающий неоднородное электрическое поле (рис. 2, в), которое и сортирует молекулы: возбужденные молекулы собираются к оси конденсатора, а невозбужденные отклоняются. Далее мо­лекулярный пучок попадает в резонатор, настроенный на частоту перехода молекулы с уровня Е 2 на уровень Е 1, и возбуждает в нем электромагнитное излучение той же частоты, которое отводится по волноводу 4. Основными элементами установки(рис. 2, а) являются: источник молекулярного пучка А сортирующая система (конденсатор) В объемный резонатор С Назад

14 Создание первого квантового генератора Порядок проведения опыта Ключевая идея состояла в том, что для создания инверсии населенностей они предложили отделять возбужденные молекулы от молекул, находящихся в основном состоянии. Для этого как нельзя лучше подходили молекулы аммиака, так как из-за своей асимметрии они в основном состоянии обладают некоторым дипольным моментом, а в возбужденном состоянии среднее значение этого момента равно нулю. Пропуская молекулярный пучок через неоднородное электрическое поле, можно разделить возбужденные и невозбужденные молекулы: первые будут отклоняться под действием поля, вторые - нет. В неотклоненном пучке (активной среде) имеется необходимая инверсия населенностей. Если возбужденный молекулярный пучок облучить пучком фотонов, энергия которых в точнос­ти равна разности энергийЕ 2 - Е 1 то падающее излучение усилится. Пропуская часть излучения вновь и вновь через активную среду, можно получить молекулярный генератор - мазер, - способный излучать в са­моподдерживающемся режиме. В 1952 г. А.М.Прохоров вместе со сво­им аспирантом Н.Г.Басовым сформулировали основные положения теории молекулярного усилителя и генератора (впоследствии получившего название мазер), основанные на использовании вынужденного из­лучения, и доложили их на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. Назад

15 Основные результаты опыта Создание первого квантового генератора За десять месяцев до этого американский физик Чарлз Х. Таунс, независимо пришедший к аналогичным выводам, построил действующий мазер. (Именно Таунс с коллегами придумал термин мазер - от англ. Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation, что означает усиление микроволн (СВЧ-волн) вынужденным излучением.) Таунс заполнял резонансную камеру возбужденными молекулами аммиака и получал необычно сильное усиление на частоте 24 ГГц. При использовании такого мазера в эталонах частоты и времени ошибка этих устройств не превы­шает 1 с за 300 лет непрерывной работы. [1, c. 2] В 1955 г. Прохоров и Басов предлагают новый трехуровневый метод получения инверсии населенностей. В этом методе атомы (или молекулы) с помощью вспомогательного излучения - накачки - загоняются на самый верхний из трех энергетических уровней путем поглощения излучения накачки, энергия которого соответствует разности между самым верхним и самым нижним уровнями. Большинство атомов быстро «сваливается» на промежуточный энергетический уровень, который оказывается плотно заселенным. Излучение испускается на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточным и нижним уровнями. Назад

16 Создание первого квантового генератора Объяснение результатов опыта Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер благодаря дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом. Например, луч небольшого лабораторного гелий-неонового лазера разойдётся всего примерно на 1,5 километра на расстоянии от Земли до Луны. Конечно, некоторые лазеры, особенно полупроводниковые, благодаря малым размерам, создают сильно расходящийся луч. Однако эту проблему можно решить применением линз. Влияние дифракции можно обойти применяя волноводы, в данном случае оптоволоконные линии. Принципиальная схема лазера проста. Она включает в себя активный элемент (активную среду), устройство для накачки активного элемента и зеркала оптического резонатора (рис. 4). Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. Назад