Bölmə.2. İYT-li kvant cihazlarının xüsusiyyətləri və iş prinsipləri.
2.1. İYT KVANT CİHAZLARININ XÜSUSİYYƏTLƏRİ.
Kvant cihazlarında elektromaqnit rəqslərinin çecvrilməsi üçün hissəciklərin, yəni molekul, bərk cisim kristalları, qazların və s. kvant keçidləri ilə əlaqədar olan enerjisindən istifadə edilir.
Kvant cihazlarına misal olaraq, atom generatoru, molekulyar generator, kvant paramaqnit gücləndiricisi, optik kvant genereatoru və s. göstərmək olar.
İngilis terminləri olan mazer və lazerlərdən geniş istifadə olunur. Mazerlər İYT diapazonunda işləyən kvant cihazlarına aiddir. Lazerlər optik dalğa diapazonunda işləyən kvant cihazlarına deyilir. Mazer və lazerlərin köməyi ilə məcburi (induksiyalanmış) şülanma vasitəsi ilə İYT rəqslərinin və ya işıq dalğalarının güclənməsi baş verir.
Kvant cihazları işçi tezlik diapazonuna görə iki yerə bölünür:
1) Lazerlər infraqırmızı sahəni daxil etməklə, optik diapazon cihazları;
2) Mazerlər – İYT radiodalğaları diapazonunda işləyən cihazlar.
Qaz kvant cihazları böyük qrupu təşkil edir (əsas lazerlər). Burada müxtəlif qaz və onun qarışıqlarından istifadə edilir. Məsələn: karbon, arqon, hellium-neon qazları və s.
Başqa bir qrupu bərk cisimli kvant cihazları təşkil edir. Bu növ cihazlarda yaqutun paramaqnit kristalından, müxtəlif birləşmələrdə elektron-deşik keçidlərindən və s. istifadə olunur.
Müasir kvant cihazlarında impuls rejimində işıq selinin gücü 1011 Vt, fasizləsiz rejimində isə 104 Vt olur. Lazer şüası yüksək istiqamətlənməyə malikdir. Məsələn: lazerin şüası 10-6 sm2 ölçüyə malik sahədə fokuslana bilər. Radiorabitə, lokasiya, naviqasiya və s. üçün optik diapazon böyük əhəmiyyətə malikdir. Optik diapazonda elektromaqnit rəqslərinin məlumat tutumu bütün radiodiapazonundan (msm) 10000 dəfələrlə çoxdur.
Şüalanmanın dəqiq istiqamətlənməsi radiosistemlərin maeəyə dayanıqlığını, koordinatların təyin edilməsinin dəqiqliyini, ayırdetmə xüsusiyyətini (selektivliyini) artırır. Paramaqnit gücləndiricilərinin küy temperaturu 8-150K-dır. Yəni, adi radioqəbuledici qurğuların həssaslığından 100 dəfə artıq həssaslığa malikdir.
2.2.KVANT GÜCLƏNDİRİCİSİNİN İŞ PRİNSİPİ.
Şək. 3-1-də kvant gücləndiricisinin iş prinsipini göstərən sxem verilmişdir. Aktiv hissəcik həcmi rezonatorda yerləşmişdir. Aktiv hissəciyin energetik spektrində üç dənə: E1, E2, E3 energetik səviyyələr yerləşdirilmişdir (E1 E2 E3 ). İşçi keçidi 32 keçidi istifadə olunur.
Həcmi rezonatorun ölçüləri elə seçilir ki, onun rezonatorunun tezliyi (v0) işçi keçidindəki şüalanma tezliyinə bərabər olsun:
v0=v32
Fiderlərin birindən aktiv hissəciyə v13 tezlikli energetik doldurma siqnalı ötürülür. V13 tezlikli şüalanmanın təsiri nəticəsində hissəcik aktivləşməyə başlayır: elementar hissəciklər E1 səviyyəsindən E3 səviyyəsinə keçir.
Fərz edək ki, Uv13 dolma siqnalının spektral sıxlığı o qədər böyük qiymət alır ki, 32 keçidində invers dolması yaranmağa başlayır. V32 tezlikli rəqslər giriş xətti vasitəsi ilə rezonatora ötürülərsə, bu tezliyə köklənən rezonatorda dalğaların rezonatorun divarlarından çox saylı əks olunmasından durğun dalğalar yaranır. Bu elektromaqnit sahəsinin təsiri nəticəsində işçi hissəcikdə induksiyalanmış şüalanma baş verir və bu proses inkişaf edir. İnduksiyalanmış hissəciklərin E3 səviyyəsindən E2 səviyyəsinə keçidi zamanı şüalanmış kvant enerjisi elektromaqnit sahəsi ilə koherent olur, rezonatorda yaranan rəqsləri qoruyaraq saxlayır. Başqa sözlə, rezonatordakı elektromaqnit rəqslərinin enerjisi induksiyalanmış şülanma hesabına artmağa başalyır.
Baxılan sistemdə enerji itkiləri yaranır: elektromaqnit enerjinin bir hissəsi çıxış xətti vasitəsi ilə yükə ötürülür,enerjinin müəyyən bir hissəsi aktiv hissəcik və rezonatorun özündə itir. Buna görə sistemin iş rejimi Eşüa və Eitki enerjiləri arasındakı asılılığı təyin edilir.
Burada:
Eşüa – induksiyalanmış şüalanmahesabına rezonatora daxil olan enerji.
Eitki – enerji itkilərinin cəmidir.
Əgər Eşüa+Es.girEitki olarsa, onda girişə ötürülən siqnalın enerjisi (Es.gir) sistem vasitəsi ilə udulur, çıxışda olan rəqslərin amplitudu giriş rəqslərinin amplitudundan kiçik olur: Es.çıx Es.gir
Eşüa + Es.gir enerjisi aktiv hissəcik və rezonatordakı itkilərdən çox, enerji itkilərinin cəmindən ( Eitki ) az oalrsa, sistem gücləndirici kimi işləyir. Bu halda çıxış xəttində rəqslərin amplitudu girişə ötürülən rəqslərin amplitudundan böyük olur: Es.çıx Es.gir
Beləliklə, sistem özünü müsbət əks-rabitəli gücləndirici kimi göstərir. Müsbət əks rabitə daxilində aktiv hissəciklər yerləşdirilən rezonator tərəfindən yaradılır. İYT-li kvant cihazlarında istifadə olunan bəzi terminlər:
Energetik səviyyə - müəyyən sıfır səviyyəsindən hesablanan sistemdəki hissəciyin tam enerjisidir.
Energetik spektr - energetik səviyyələr toplusudur. Aşağıya keçidlər elektromaqnit rəqslərinin şüalanması ilə müşayiət olunan daha yuxarı səviyyədən daha aşağı səviyyəyə olan keçidlərdir. Yuxarıya keçidlər elektromaqnit rəqslərin udulması ilə müşayiət olunan daha aşağı səviyyədən daha yuxarı səviyyəyə olan keçidlərdir. Energetik məsafə (aralıq) iki qonşu energetik səviyyələrə uyğun olan enerjilərin fərqidir.
İnduksiyalanmış şüalanma və udulma-xarici elektromaqnit sahənin təsiri ilə elektronun bir energetik səviyyədən başqa energetik səviyyəyə keçməsi zamanı baş verir. Daha yuxarı səviyyədən daha aşağı səviyyəyə keçid zamanı enerjinin kvant şüalanması baş verir. Bu induksiyalanmış şülanma adlanır (xarici elektromaqnit sahəsinin təsirindən yaranan məcburi şüalanma). Uyğun olaraq, daha yuxarı səviyyəyə keçid enerji kvantının induksiyalanmış udulması ilə müşayiət olunur. Səviyyələrin invers doyumluğu (bollaşması) sistem və ya hissəciyin elə bir vəziyyətidir ki, burada N2>N1 şərti ödənir. Yəni, yuxarı səviyyədə hissəciklərin sayı aşağı səviyyəyə nisbətən daha çoxdur.
Aktiv hissəcik invers doyumluqlu (bolluqlu) cisimdir. Energetik doldurma (doydurma) xarici elektromaqnit şülanmanın təsiri nəticəsində energetik vəziyyətlərdə hissəciklərin bərabər paylanmasının pozulma hadisəsi baş verir. Energetik doldurma metodu üç və daha çox energetik səviyyəyə malik olan sistemlərdə istifadə edilir. Burada E123. İşçi tezliklər bu invers doyumluqlu səviyyələr arasındakı keçidlərdir.
2.3. KVANT GÜCLƏNDİRİCİSİNİN ÖZ-ÖZÜNƏ HƏYƏCANLANMA REJİMİ.
Əgər, Eşüa > Eitki olarsa, sistem öz-özünə həyəcanlanma rejiminə keçir və generatora çevrilir. Girişdə siqnal olmayan halda belə sistemdə rəqslər mövcud olur. Rəqslərin stasionar amplitudunun saxlanılması üçün, Eşüa > Eitki şərtinin yerinə yetirilməsi üçün müəyyən şərtlər olmalıdır. Yəni baxılan sistemdə (istənilən avtogeneratorda olduğu kimi) güclər balansı yerinə yetirilməlidir. İnduksiyalanmış şüalanma hesabına alınan Eşüa enerjisi generatordakı itkilər və yükə ayrılan enerji hissəsindən böyük qiymətə malik olmalıdır. Eşüa enerjisinin qiyməti aktiv hissəciklərin sayı ilə ( düz mütənasibdir. 32 induksiyalanmış keçidi zamanı E3 energetik səviyyəsi boşalır. E2 səviyyəsi isə elementar hissəciklərlə dolur.  əmsalının lazımi qiymətdə qalması üçün dolma enerjisi elə qiymət almalıdır ki, E3 səviyyəsindən E1 səviyyəsinə keçmək üçün elementar hissəciklərin normal sürətləri tənzim edilməlidir. Rezonator sistemləri istənilən dalğa diapazonlu sistemlərdə istifadə olunur. İYT-li generator və gücləndiricilərin rəqs sistemləri kimi həcmi rezonatorlar və ləngidici sistemlər istifadə edilir.
2.4. AMMONYAK (NH3) MOLEKULLU KVANT GENERATORU.
Bu generatorun sxemi şək. 3-2-də göstərilmişdir. Soyudulan örtüyün içinə xarici rezervuardan daxil olan ammonium buxarlanma qurğusu yerləşdirilmişdir. Qaz şəkilli ammonyakın molekulları buxarlanma qurğusunun divarındakı deşiklərdən işçi fəzaya çıxır, burada 10-5 mm civə sütunlu vakuum yaradılır. Sonra elementar hissəciklər ayırıcı qurğu olan kvadrupolvari kondensatora daxil olur. Kondensatorun çıxışında molekullar yüksək energetik səviyyədə (E2) yerləşdiyindən diafraqma vasitəsi ilə həcmi rezonatora daxil olur. Daha aşağı enerjiyə (E1) malik olan molekullar rezonatora daxil olmur və işçi fəzadan nasos vasitəsi ilə tədricən sorulur və sonra temperaturu 770K olan azot saxlanılan qabın divarlarında bir hissəsi donur (ammonyakın donma temperaturu 1950K-dır). Həcmi rezonator kvant tezliyinə köklənir.
Qərarlaşmış rəqslər rejimində rezonatorun elektromaqnit sahəsi ammonyakın molekullarını E2 energetik səviyyəsindən E1 səviyyəsinə olan keçidə induksiyalayır. İnduksiyalanmış şüalanma enerjisinin bir hissəsi sistemin özündə olan itkilərə sərf olunur, digər hissəsi isə dalğaötürən vasitəsi ilə yükə ötürülür.
Güclənməyə məruz qalan İYT-li rəqslər (u=Umsinω0t) rezoantora daxil olur. Rezonator ω0=2πv21 tezliyinə köklənir. Burada v21 tezliyi E2E1 kvant keçidinin tezliyidir. Elektromaqnit dalğasının təsiri ilə rezonatorda ammonyak molekullarının E2E1 və E1E2 kvant keçidləri induksiyalanır. E2 səviyyəsindəki molekulların sayı (N2) E1 səviyyəsindəki molekulların sayından (N1) çox olduğu üçün, induksiyalanmış şüalanma induksiyalanan udulmaya nəzərən çoxluq təşkil edir. Şüalanmış molekulların sahəsi keçidləri induksiyalanan sahə ilə koherent olur, onunla cəmlənir və güclənmiş rəqslər çıxış dalğaötürəni vasitəsi ilə yükə ötürülür.
Amonnyak molekullarının spektr xəttinin eni çox kiçikdir vəgücləndiricinin buraxma zolağının eni rezonatorun elektromaqnit sahəində molekulun qalma müddəti () ilə təyin edilir.
Rezonatora daxil olan ammonyak molekullarının selinin sıxlığını və induksiyalanmış şüalanmanı artırmaqla, kvant gücləndiricisi öz-özünə həyəcanlanma rejiminə keçə bilər və generatora çevrilə bilər.
2.5. OPTİK DİAPAZONLU KVANT CİHAZLARI
(LAZERLƏR)
Təyinatı: Optik kvant cihazları elə cihazlara deyilir ki, bu cihazlardan induksiyalanmış şüalanmanın generasiyası üçün və ya elektromaqnit rəqslərinin optik diapazonda güclənməsi üçün istifadə olunur: Spektrin ultrabənövşəyi (λ=0,74÷100mkm) sahələrində radiotexnikada optik kvant generatorlarından çox, optik rəqslər gücləndiricilərindən az istifadə olunur.
Təsnifatı: İşçi cismin xarakterinə görə lazerlər üç əsas qrupa bölünür:
1) Qaz lazerləri
2) Bərk cisim lazerləri
3) Yarımkeçirici lazerlər
Maye lazerlər laboratoriya tədqiqi və inkişaf mərhələsindədir. Qaz lazerlərində işçi cisim kimi inert qazlar və onların qarışığı istifadə olunur. Bərk cisim lazerlərində işçi cisim kimi kristal və amorf dielektriklərdən istifadə edilir. Yarımkeçirici lazerlərdə işçi cisim kimi müxtəlif yarımkeçirici birləşmələrdən istifadə olunur.
Təyinat göstəriciləri: Bu göstəricilərə iş rejimi (fasiləsiz və ya impuls), işçi tezliklər diapazonu, konstruksiya xüsusiyyətləri , doldurma metodu və s. aiddir.
Əsas xüsusiyyətləri: Lazerlərin işinin fiziki prinsipləri başqa kvant cihazları ilə eynidir. İYT diapazonlu kvant cihazlarında olduğu kimi, lazerlərdə energetik vəziyyətli(səviyyəli) invers doyumluqlu işçi cisimdə hissəciklərin kvant keçidlərindən yaranan induksiyalanmış şüalanma prinsipi istifadə olunur.
Şək 3-11-də lazerin blok sxemi göstərilmişdir. Aktiv cisim optik rezonatorda yerləşdirilir. Optik rezonatorun vəzifəsi aktiv cisimdən induksiyalanmış şüalanmanın çox saylı keçməsinin təmin etməkdir.
Doldurma sisteminin vəzifəsi aktiv cisimdə invers doyumluq yaratmaqdır. Doldurma prinsipi aktiv cismin fiziki xüsusiyyətlərindən asılı olduğu üçün, bu sistem hər növ lazer üçün ayrıca seçilir. Lazerlərin çox hissəsi maye helium (4,2oK) və ya maye azotun temperaturunda (77oK) işləyir. Bu halda aktiv cismin soyudulması üçün kriostatlar istifadə olunur.
Optik rezonator bir-birinə tərəf yönəlmiş iki əksetdirici elementdən ibarətdir. Optik rezonatorun həcmi məhdudlanmadığına görə, ona açıq rezonator da deyilir. Əksetdirici elementlər kimi müstəvi güzgülər (şək 3-12a), sferik və ya
parabolik güzgülər (konfokal rezonatoru,şək 3-12 b) istifadə olunur. Güzgülərdən biri qeyri-şəffaf hazırlanır və bundan lazerin şüası xaricə çıxır. İki prizmadan istifadə edilən halda şüa rezonatorun oxuna bucaq altında yerləşən yarımşəffaf güzgüdən çıxır.
Yarımkeçirici lazerdə əksetdirici səthlər kimi yarımkeçirici kristalın kənarları (ucları) xidmət edir (şək 3-12 d). Ədəbiyyatda optik rezonatorları Fabri-Pero rezonatorları adlandırılır.
|
