Что такое квантовый усилитель и как он работает
Квантовый усилитель — это специальное устройство, которое усиливает электромагнитные волны за счёт явления вынужденного излучения от возбуждённых атомов, ионов или молекул. В основе его работы лежит изменение энергии электронов внутри атомов — процесс, который описывается законами квантовой механики. Именно это отличает его от классических ламповых усилителей, где используется поток свободных электронов, полностью подчиняющийся законам классической физики. Отсюда и происходит название — квантовый усилитель.
Источники шумов и ключевые преимущества
Помимо управляемых (вынужденных) переходов атомов с высшего энергетического уровня на низший, в системе всегда происходят и спонтанные переходы. Эти случайные процессы приводят к излучению волн с непредсказуемой фазой, поляризацией и амплитудой, которые добавляются к полезному сигналу в виде шумов. Спонтанное излучение является основным и неустранимым источником собственных шумов в квантовых усилителях. Интересно, что мощность такого шума в радиодиапазоне очень мала, но она резко возрастает при переходе к оптическим длинам волн. Благодаря этому квантовые усилители для радиоволн обладают исключительно низким уровнем шума, что напрямую повышает их чувствительность и позволяет усиливать даже крайне слабые сигналы.
Области практического применения
Высокая чувствительность определила сферу использования этих устройств. Квантовые усилители радиодиапазона (на волнах от 0,4 до 50 см) служат входными каскадами в самых точных и чувствительных радиоустройствах. Их внедрение значительно увеличило дальность связи в космических миссиях, повысило возможности радиотелескопов и планетных радиолокаторов для связи с межпланетными станциями.
В оптическом диапазоне квантовые усилители нашли широкое применение как усилители мощности лазерного излучения. По своему устройству и принципу действия они во многом схожи с квантовыми генераторами света — лазерами.
Физические основы усиления
Вынужденный переход одного атома, сопровождающийся излучением кванта энергии, даёт очень малое усиление. Однако если электромагнитная волна определённой частоты распространяется в среде, где большое количество атомов находится в возбуждённом состоянии, совокупный эффект от их переходов может привести к значительному усилению сигнала. При этом атомы на нижнем энергетическом уровне, наоборот, поглощают энергию волны, ослабляя её. Таким образом, среда будет либо усиливать, либо ослаблять волну в зависимости от того, каких атомов в ней больше — возбуждённых или находящихся в основном состоянии.
В условиях термодинамического равновесия распределение частиц по энергетическим уровням зависит от температуры вещества. При этом нижний уровень всегда заселен больше, чем верхний, что в обычных условиях препятствует усилению. Для работы квантового усилителя необходимо создать инверсную заселённость уровней, когда на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем.