Что такое квантовый генератор принцип работы

Квантовый генератор

Квантовый генератор.

Квантовый генератор – общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул.

Квантовый генератор:

Квантовый генератор – общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул. В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по-разному:

– мазер (микроволновой диапазон);

– лазер (оптический диапазон);

– разер (рентгеновский диапазон);

Мазер (англ. maser) – квантовый генератор , излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Мазер – это сокращенное название данного устройства, образованное по первым буквам слов фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе с английского языка означает «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения ».

Лазер – это квантовый генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10 -9 до 10 -3 м. Свое название устройство получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Гамма-лазер – это квантовый генератор когерентного гамма-излучения (γ-излучения). В литературе для обозначения гамма-лазера часто также используют сокращения “гразер” или “газер” (от англ. graser / gaser), являющиеся аббревиатурой английской фразы “Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (“усиление гамма-излучения с помощью вынужденного излучения”).

Рентгеновский лазер (также именуется как «разер») – квантовый генератор , излучающий когерентные электромагнитные волны в рентгеновском диапазоне (длина волны от

10 −3 нм), основанный на эффекте вынужденного излучения .

Исторически первыми были созданы мазеры. Их создание открыло эру квантовой электроники. Впоследствии на принципах работы мазеров были созданы лазеры, затем разеры. Что касается газеров, тони существуют пока в виде научной идеи.

Принцип работы квантового генератора:

Принцип работы квантового генератора заключается в следующем. В стандартных условиях атомы и молекулы вещества находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой. При этом, чем выше энергия возбужденного состояния атома или молекулы, тем меньше количество атомов и молекул , находящихся в возбужденном состоянии. Для создания вынужденного излучения атомов и молекул вещества, его необходимо поместить в неравновесную среду, в которой количество возбужденных атомов или молекул больше, чем невозбужденных. Возбужденные атомы или молекулы имеют электроны на более высоких энергетических уровнях. При переходе с возбужденного состояния (уровня), т.е. с более высокого энергетического уровня, на более низкий уровень, т.е. в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние атом или молекула испускают фотон – квант электромагнитного излучения. Однако в одних случаях имеет место спонтанное излучение, а в других – вынужденное. При вынужденном излучении возникшая электромагнитная волна распространяется в том же направлении, что и первоначальная индуцирующая волна, частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны, вынужденный поток когерентен возбуждающему.

Собираем квантовый генератор случайных чисел

Цель этого проекта – создать настоящий квантовый генератор случайных чисел, то есть устройство, производящее на основе квантовых эффектов случайные числа. За реализацию случайности в нем будет отвечать ионизационная камера из пожарного извещателя.

Введение

Квантовая механика – это удивительная наука, выделяющаяся тем, что вносит поистине случайные процессы. К сравнению, в классической механике все перемещения определяются строго. Поэтому, хоть мы и не можем на практике предсказать итог броска монеты или игровых кубиков, теоретически можно в точности вычислить этот итог, если знать все задействованные в процессе силы. С другой стороны, результат единичных измерений в квантовой механике (насколько нам известно) наперед знать невозможно. В этом случае нам доступно лишь прогнозирование вероятности.

Задача проекта состоит в использовании этого свойства для создания настоящего квантового генератора случайных чисел. В качестве источника квантовой случайности я выбрал радиоактивный распад америция-241. Этот элемент используется в виде источника ионизации в ионизационных камерах пожарных извещателей. По факту ионизационные камеры можно использовать непосредственно.

Принцип действия

Подать на ионизационную камеру напряжение и усилить ток.
Измерить колебания тока, вызванные случайными флуктуациями радиоактивного распада.
Преобразовать колебания тока в поток битов.

Дьявол же, как обычно, кроется в деталях. Мне потребовалось провести немало экспериментов, чтобы эта схема заработала.

Ионизационная камера

Такую камеру с Am-241 оказалось несложно достать на eBay всего за несколько долларов. Она состоит из металлического корпуса (1), центрального электрода (2) и электрода с америцием (3):

Америций-241 является источником альфа-излучения. Альфа-частицы (показаны зеленым) ионизируют воздух в камере и делают его слабопроводящим. При подаче напряжения между электродами и/или корпусом начинает протекать слабый ток. Его сила зависит от количества ионов в воздухе, которое, в свою очередь, зависит от количества распадов Am-241 в секунду. Радиоактивный распад – это lдействительно случайный процесс, в связи с чем ток должен иметь соответствующие колебания.

Предусилитель

Ток, протекающий через ионизационную камеру, очень слаб. Чтобы повысить его до уровня, позволяющего выполнить измерение, я собрал предусилитель на биполярных транзисторах:

Для получения сильного тока транзисторы Q1 и Q2 сконфигурированы как пара Дарлингтона. Q3 привносит дополнительный этап усиления и вместе с R4 преобразует сигнал тока в напряжение относительно земли. R2 ограничивает максимум протекающего через Q1, Q2 и Q3 тока, поскольку даже небольшая его величина может привести к тому, что пара Дарлингтона станет полностью проводящей.

Эта схема очень чувствительна. Без экранирования она улавливает от всех окружающих устройств шум в 50 Гц:

А с должным экранированием производит сигнал со средним значением около 1.5В и колебанием порядка 100мВ:

Фильтр низких частот

Чтобы избавиться от шумов, проходящих экранирование, и преобразовать выход преда с высоким сопротивлением в сигнал с низким сопротивлением, следующим этапом на пути сигнала будет активный фильтр низких частот. Для его проектирования я использовал очень удобный онлайн-калькулятор, а в качестве частоты среза установил 33Гц.

Компаратор

Если мы хотим использовать аналоговый выход фильтра в качестве случайного потока битов, то нам нужно преобразовать его в цифровой сигнал. Для этого в качестве компаратора я использую OpAmp.

Выход повышается, если входной сигнал (приходящий слева) оказывается выше опорного напряжения (поступающего снизу слева) и понижается, если ниже. Переключатель SW1 служит для запуска генерации опорного напряжения при запитывании цепи. Перемычка JP2 также, как R10, R11 и R12 используется для тонкой настройки генератора опорного напряжения. Все это я объясню подробнее чуть позже.

Журнал проекта

Собранный на макетной плате комплект работает. Светодиоды произвольно мигают, и у меня есть цифровой выход случайных бит с открытым стоком. Измерения тока очень чувствительны, поэтому экранирование ионизационной камеры и предусилителя очень важно. Без него на выходе получаем только шум в 50Гц.

Канал 2 показывает выходной сигнал измеренного тока за вычетом смещения постоянного тока. Поскольку сигнал достаточно медленный, мне пришлось использовать осциллограф в режиме постоянного тока и добавить собственный RC фильтр верхних частот для повышения надежности измерений.

Канал 1 показывает цифровой выход схемы. Он генерируется путем сравнения аналогового выхода с опорным напряжением при помощи триггера Шмидта.

Теперь мне нужно задокументировать эту рабочую схему и перенести ее уже на более постоянную макетную плату.

Корпус

Параллельно с проверкой работоспособности схемы и устранением последних багов я также работаю над корпусом для устройства. Он немного тесноват, но все необходимое вполне в нем умещается.

Примечание: используемый автором датчик дыма является общедоступным и вполне может быть куплен на eBay, AliExpress и некоторых отечественных ресурсах. При этом нужно учитывать, что степень активности используемого в нем америция составляет 0.9 МКи. Законом же максимально допустимое значение активности америция-241 для источников, не требующих лицензирования, установлено в пределах 0.29 МКи. Таким образом, заказ и применение подобных датчиков могут быть сочтены незаконными.

Устройство оптического квантового генератора

Плоды научно-технического прогресса не всегда находят свое конкретное практическое выражение сразу после подготовки теоретической основы. Так произошло и с лазерной техникой, возможности которой в полной мере не раскрыты до сих пор. Теория оптических квантовых генераторов, на базе которой была создана концепция устройств, испускающих электромагнитное излучение, частично освоена благодаря оптимизации лазерной техники. Однако специалисты отмечают, что потенциал оптического излучения может стать основой для целого ряда открытий в будущем.

Принцип действия устройства

Под квантовым генератором в данном случае понимается лазерный аппарат, действующий в оптическом диапазоне в условиях вынужденного монохроматического, электромагнитного или когерентного излучения. Само происхождение слова лазер в переводе указывает на эффект усиления света путем вынужденного излучения. На сегодняшний день существует несколько концепций реализации лазерного устройства, что обусловлено неоднозначностью принципов работы оптического квантового генератора в разных условиях.

Ключевым фактором различий является принцип взаимодействия лазерного излучения с целевым веществом. В процессе излучения энергия подается определенными порциями (квантами), что позволяет контролировать характер воздействие излучателя на рабочую среду или материал целевого объекта. Среди базовых параметров, которые позволяют корректировать уровни электрохимического и оптического воздействия лазера, выделяют фокусировку, степень концентрации потока, длину волны, направленность и т. д. В некоторых технологических процессах играет роль и временной режим излучения – к примеру, импульсы могут иметь длительность от доли секунды до десятков фемтосекунд с перерывами от мгновения до нескольких лет.

Синергетическая структура лазера

На заре становления концепции оптического лазера систему квантового излучения в физическом выражении принято было понимать как форму самоорганизации нескольких энергетических компонентов. Таким образом и сформировалось понятие синергетики, позволившей сформулировать основные свойства и этапы эволюционного развития лазера. Независимо от типа и принципа работы лазера, ключевым фактором его действия является выход за пределы равновесия световых атомов, когда система становится неустойчивой и в то же время открытой.

Отклонения в пространственной симметрии излучения создают условия для появления импульсного потока. После достижения определенной величины накачки (отклонения) оптический квантовый генератор когерентного излучения становится управляемым и переходит в упорядоченную диссипативную структуру с элементами самоорганизующейся системы. В определенных условиях устройство может работать в режиме импульсного излучения циклически, а ее изменения приведут к хаотическим пульсациям.

Рабочие компоненты лазера

Теперь стоит перейти от принципа работы к конкретным физико-техническим условиям, в которых действует лазерная система с определенными характеристиками. Важнейшее значение, с точки зрения работоспособности оптических квантовых генераторов, имеет активная среда. От нее, в частности, зависит интенсивность усиления потока, свойства обратной связи и оптического сигнала в целом. Например, излучение может происходить в газовой смеси, на которой сегодня работает большинство лазерных аппаратов.

Следующий компонент представлен источником энергии. С его помощью создаются условия для поддержания инверсии заселенности атомами активной среды. Если проводить аналогию с синергетической структурой, то именно энергетический источник выступит своего рода фактором отклонения света от нормального состояния. Чем мощнее поддержка, тем выше накачка системы и эффективнее лазерное воздействие. Третий компонент рабочей инфраструктуры – это резонатор, который обеспечивает многократное излучение при прохождении через рабочую среду. Этот же компонент способствует выводу оптического излучения в полезном спектре.

Устройство гелий-неонового лазера

Наиболее распространенный форм-фактор современного лазера, конструкционную основу которого составляет газоразрядная трубка, оптические зеркала-резонаторы и электрический источник энергоснабжения. В качестве рабочей среды (наполнитель трубки) используется смесь гелия и неона, как видно из названия. Сама трубка выполняется из стекла кварца. Толщина стандартных цилиндрических конструкций варьируется от 4 до 15 мм, а длина – от 5 см до 3 м. По торцам трубы закрываются плоскими стеклами с небольшим уклоном, что обеспечивает достаточный уровень поляризации лазера.

Оптический квантовый генератор на гелий-неоновой смеси имеет небольшую спектральную ширину полос излучения порядка 1,5 ГГц. Данная характеристика обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ, обуславливая успешность применения аппарата в интерферометрии, устройствах считывания визуальной информации, спектроскопии и т. д.

Устройство полупроводникового лазера

Место рабочей среды в таких аппаратах занимает полупроводник, в основе которого заключаются кристаллические элементы в виде примесей с атомами трех- или пятивалентного химиката (кремний, индий). По способностям к удельной проводимости этот лазер стоит между диэлектриками и полноценными проводниками. Разница в рабочих качествах проходит по параметрам температурных величин, концентрации примесей и характеру физического воздействия на целевой материал. Энергетическим источником накачки в данном случае может выступать электроэнергия, магнитное излучение или электронный пучок.

В устройстве оптического квантового генератора на полупроводниках часто используется мощный светодиод из твердотельного материала, который может аккумулировать большие запасы энергии. Другое дело, что работа в условиях повышенных электротехнических и механических нагрузок быстро ведет к износу рабочих элементов.

Устройство лазеров на красителях

Данный вид оптических генераторов заложил основу для формирования нового направления в лазерной технике, работающей с длительностью импульса до пикосекунды. Это стало возможным благодаря использованию органических красителей в качестве активной среды, однако функции накачки должен выполнять другой лазер – как правило, аргоновый.

Что касается конструкции оптических квантовых генераторов на красителях, то для обеспечения сверхкоротких импульсов используется специальная база в виде кюветы, где формируются условия вакуума. Модели с кольцевым резонатором в такой среде позволяют обеспечивать прокачку жидкого красителя на скорости до 10 м/c.

Особенности оптоволоконных излучателей

Разновидность лазерного прибора, в котором функции резонатора выполняет оптическое волокно. С точки зрения рабочих свойств, данный генератор является наиболее производительным по объему оптического излучения. И это при том, что конструкция прибора имеет очень скромные размеры на фоне других типов лазеров.

К особенностям оптических квантовых генераторов данного рода относится и универсальность в плане возможностей подключения источников накачки. Обычно для этого применяются целые группы оптических волноводов, которые объединяются в модули с активным веществом, что также способствует конструкционной и функциональной оптимизации прибора.

Реализация системы управления

В основе большинства аппаратов стоит электротехническая основа, за счет которой напрямую или косвенным способом обеспечивается энергетическая накачка. В простейших системах через эту систему питания и осуществляется контроль мощностных показателей, влияющих на интенсивность излучения в пределах определенного оптического диапазона.

Квантовые генераторы профессионального назначения содержат и развитую оптическую инфраструктуру для контроля потоков. Посредством таких модулей, в частности, контролируется направление сопла, мощность и длина импульса, частота, температура и другие эксплуатационные характеристики.

Сферы применения лазеров

Хотя оптические генераторы по-прежнему остаются устройствами с пока еще не до конца раскрытыми возможностями, уже сегодня сложно назвать область, где бы их не задействовали. Наиболее ценный практический эффект они дали промышленности как высокоэффективный инструмент резки твердотельных материалов с минимальными затратами.

Широко используются оптические квантовые генераторы и в лечебных методах применительно к глазной микрохирургии и косметологии. Например, универсальным лазерным инструментом в медицине стали так называемые бескровные скальпели, позволяющие не только рассекать, но и соединять биологические ткани.

Заключение

На сегодняшний день существует несколько перспективных направлений развития оптических генераторов излучения. К наиболее популярным можно отнести технологию послойного синтеза, 3D-моделирование, концепцию объединения с робототехникой (лазер-трекеры) и т. д. В каждом случае предполагается свое особое применение оптических квантовых генераторов – от поверхностной обработки материалов и сверхбыстрого создания композитных изделий до пожаротушения посредством излучения.

Очевидно, что более сложные задачи потребуют наращивания мощностей лазерной техники, в результате чего будет повышен и порог ее опасности. Если сегодня главным поводом для обеспечения безопасности при работе с такой аппаратурой является ее вредное воздействие для глаз, то в будущем речь может идти и о специальной защите материалов и объектов, вблизи которых организуется применение оборудования.

Устройство оптического квантового генератора

Принцип действия устройства

Вам будет интересно: «С прилагательным загадку расскажу, дать ответ скорее попрошу!»

Вам будет интересно: Моделирование процессов: подходы, методы, этапы

Синергетическая структура лазера

Вам будет интересно: Что такое молярная масса? Молярная масса в химии и физике газов

Рабочие компоненты лазера

Устройство гелий-неонового лазера

Устройство полупроводникового лазера

Устройство лазеров на красителях

Особенности оптоволоконных излучателей

Реализация системы управления

Сферы применения лазеров

Заключение

Оптические квантовые генераторы. Устройство и принцип работы.

Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредствомвынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического,поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, напримерлазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров нанеодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях наукии техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в областиуправляемого термоядерного синтеза.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения [8] . Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу [9] [10] .

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии [11] . Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.) [12] .

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы) [9] . Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами [12] . Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости [13] . Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера [14] .

Дата добавления: 2014-12-06 ; просмотров: 1669 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Принцип — действие — квантовый генератор

Принцип действия квантовых генераторов и усилителей радиоволн ( мазеров) основан на взаимодействии между веществом и излучением, приводящим к усилению сигнала электромагнитного излучения. Твердый мазер с тремя энергетическими уровнями представляет кристалл с определенными характеристиками. [2]

Принцип действия квантовых генераторов заключается в следующем. При прохождении света через вещество интенсивность света изменяется благодаря взаимодействию с атомами вещества. При облучении атома светом, длина волны которого соответствует разности энергий ЕЧ-EI, атом переходит в возбужденное состояние EZ. Такой переход называют резонансным поглощением. Возбужденное состояние атома неустойчиво, и он через некоторое время возвратится в исходное состояние, излучая квант энергии А. Самопроизвольный переход атома из возбужденного состояния в нормальное называется спонтанным. [3]

Принцип действия квантового генератора основан на индуцированном излучении, которое связано с поглощением фотонов атомными системами. Энергия фотона при этом передается атому, который переходит в возбужденное состояние. Через некоторый промежуток времени атом может возвратиться в исходное состояние с излучением энергии А. [4]

Принцип действия квантовых генераторов основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. По сравнению с ранее рассмотренными типами генераторов они позволяют генерировать колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности. [7]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. [8]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. [10]

В основе принципа действия квантового генератора с оптической накачкой лежит так называемый метод оптической накачки. [12]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное ( наведенное — направленное) излучение. Принцип действия квантовых генераторов и усилителей ( лазеров) основан на свойстве атомов и атомных систем поглощать и излучать порции ( кванты) электромагнитной энергии. Квант световой ( электромагнитной) энергии, который называют фотоном, будучи поглощен атомом, приводит этот атом в возбужденное состояние. Однако это состояние является неустойчивым, так как в любой момент после поглощения фотона атом может спонтанно ( самопроизвольно) выйти из этого состояния и вернуться в исходное. Переход атома в исходное состояние сопровождается излучением поглощенной порции электромагнитной энергии в виде фотона. [13]

Прежде чем перейти к рассмотрению принципа действия квантовых генераторов , кратко остановимся на некоторых положениях квантовой механики, в частности на особенностях энергетического обмена в атомах и молекулах вещества. [14]

В табл. 2 приведены знаки, характеризующие принцип действия квантовых генераторов и усилителей. [15]