Квантовый усилитель

Квантовый усилитель – устройство, предназначенное для усиления электромагнитных волн с помощью вынужденного излучения возбужденных ионов, молекул или атомов. Эффект усиления в квантовых усилителях связан с переменой энергии внутриатомных электронов, перемещение которых описывается квантовой механикой. Поэтому, в отличие от ламповых усилителей, где применяются потоки свободных электронов, перемещение которых полностью описывается классической механикой, данные усилители получили название квантовых.

Так как помимо вынужденных квантовых переходов возбужденных атомов в состояние с меньшей энергией допустимы их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате возникновения которых излучаются волны, имеющие случайные поляризацию, фазу и амплитуду, то они прибавляются к усиливаемой волне в качестве шумов. Спонтанное излучение представляется единственным, неустранимым источником шумов квантовых усилителей. Мощность спонтанного излучения в радиодиапазоне весьма невелика и быстро возрастает при переходе к оптическому диапазону. В связи с этим квантовые усилители радиодиапазона отличаются очень низким уровнем собственных шумов. Из-за чрезвычайно низкого уровня шумов возрастает чувствительность квантовых усилителей, т. е. велика способность усиливать весьма слабые сигналы. Квантовые усилители используются в качестве входных ступеней в самых высокочувствительных радиоустройствах в диапазоне длин волн 0,4—50 см. Квантовые усилители радиодиапазона существенно увеличили дальность действия космических линий связи радиотелескопов, планетных радиолокаторов и с межпланетными станциями.

В оптическом диапазоне квантовые усилители широко применяются в качестве усилителей мощности лазерного излучения. Квантовые усилители света имеют много сходств по конструкции и принципу действия с квантовыми генераторами света.

Вынужденный переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, сопровождающийся излучением кванта электромагнитной энергии, что приводит к усилению колебаний, которое создается одним атомом, довольно мало. Однако если колебание частоты распространяется в веществе, которое содержит большое число эквивалентно возбужденных атомов, расположенных на уровне с повышенной энергией, то усиление может стать весьма большим. Атомы же, расположенные на нижнем уровне, в результате вынужденного поглощения ослабляют волну. В итоге вещество будет усиливать или ослаблять волну в зависимости от того, какие атомы в ней преобладают, возбужденные или невозбужденные.

Если вещество существует в состоянии термодинамического равновесия, то распределение частиц по уровням энергии зависит от его температуры, причем уровень с меньшей энергией более насыщен электронами, чем уровень с большей энергией.