Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
1 Децибелы (дб)— общепринятые в радиофизике логарифмические единицы измерения относительных величин. Они определяются следующим образом: если мощность на выходе усилителя в G раз больше входной мощности, то коэффициент усиления IIO мощности в децибелах составляет 10 Ig-G дб
Эффективность мазерных усилителей
Мощность накачки Температура рубина , Шумовая температура
0,070 вт
4,2° К 3,5° К
66 усилителем к сигналу. Шумовая температура 3,5° К представляется весьма малой по сравнению с шумовой температурой около 600°, которую имеют лучшие усилители, работающие на лампах бегущей волны. Но насколько это близко к идеальному пределу?
Как мы уже видели (глава 2), мощность шума на выходе идеального усилителя P0, то есть лучшего усилителя, который позволили бы изготовить законы природы, равна 1
Первый член здесь — усиленный джонсоновский, или тепловой, шум.
Положим, что величина T = 0; тогда доля усиленного джонсоновского шума в выходном шуме равна 0, то есть весь выходной шум генерируется самим идеальным усилителем. Пусть далее G настолько велико, что (G—1) отличается от G на совершенно пренебрежимую долю. Тогда для идеального приемника с достаточной точностью можно считать, что
Для реального приемника с шумовой температурой T71 мощность выходного шума будет по определению равна усиленному тепловому шуму, соответствующему температуре Tn:
Следовательно, для идеального приемника температура Tn должна быть такой величины, чтобы «эквивалентный усиленный тепловой шум», определяемый вторым членом, стал равен истинному шуму идеального приемника, то есть чтобы
P0 - GbB.
1 См приложение
1IA*
67 откуда
1 ^ In 2 '
Рассмотрим для примера шумовую температуру идеального приемника на частоте 4170 Мгц—рабочей частоте описанного выше мазера. Входящие в наши формулы величины имеют следующие значения:
/i = 6,62-10-34 дж/сек V = 4,17-109 гц k= 1,38-10-2з дж!град 1п2 = 0,693 Tn = 0,228° К
Итак, шумовая температура описанного нами мазера, равная 3,5° К, примерно в 12 раз выше шумовой температуры идеального линейного усилителя, который законы квантовой механики вообще позволили бы нам когда-ни-будь сделать. Блестящее достижение. Но можно ли еще больше приблизиться к идеалу?
Трудность получения минимальной шумовой температуры следует отнести отчасти на счет теплового шума, обусловленного электрическим сопротивлением «гребеш-ковой» цепи, а отчасти на счет того, что обращение заселенности уровней не бывает полным: на уровне 2 (см. фиг. 10) все-таки находится некоторая часть атомов. Если бы в цепи мазера не было потерь и если бы нижний из уровней, определяющих разность энергий, а тем самым и частоту сигнала (на фиг. 10 это уровень 2), был полностью пуст, то наш мазер вел бы себя как идеальный усилитель и, следовательно, на частоте 4170 Мгц его шумовая температура была бы равна 0,288° К- Не правда ли, очень привлекательная возможность? Глава 4
ЛАЗЕРЫ
Лазер (оптический квантовый усилитель и генератор вынужденного излучения) в принципе не отличается от мазера, но работает в области крайне высоких частот (очень коротких волн), в световом участке спектра. Сначала лазеры назвали оптическими мазерами — этот термин встречается и сейчас, но в целом, особенно в широкой печати, победило все-таки короткое название лазер.
Лишь очень немногие достижения и открытия вызвали такой фурор, как изобретение лазера. Правительственные контракты в Соединенных Штатах раздавались сотнями налево и направо каждому Дику, Джеку или Гарри, которому приходило в голову заявить, что он открывает, усовершенствует или разрабатывает новые возможности использовать этот знаменитый прибор. Газеты пестрели бесчисленными историями, сообщениями, вымыслами о лазерах. Теперь, слава богу, контракты заключаются более обдуманно, а газетные статьи опираются на более серьезную информацию. Прошло достаточно времени, чтобы наконец спокойно разобраться в возможностях лазеров и даже задуматься над вопросом, почему они вдруг вызвали такой острый интерес.
Принцип действия лазера такой же, как и мазера. Тогда что же, собственно, в нем нового? Отличие его от мазера — и это действительно нечто небывалое на Земле— заключается в том, что лазер излучает когерентный свет.
Природа электромагнитного излучения, как я уже пытался показать в этой книге, такова, что любое число фотонов мо^кет существовать совместно в одном виде, или типе, колебаний. Это может быть стоячая волна в резонансной полости или в резонаторе лампового либо мазерного генератора. Это также может быть и бегущая волна — поток электромагнитной энергии в волноводе или
3 Дж. Пиро
69 от антенны в свободном пространстве. При когерентном излучении электромагнитное поле в каждой точке меняется синусоидально во времени, причем с одной и той же частотой и постоянной амплитудой.
Ясно, что противоположностью когерентного излучения является некогерентное излучение. Например, суммарное излучение большого числа независимых источников, различных по частоте и беспорядочно включающихся и выключающихся, есть некогерентное излучение. Конечно, оно может быть весьма узкополосным, как, например, в каждой спектральной линии, но никогда не характеризуется одной-единственной частотой, а его амплитуда всегда быстро и хаотически пульсирует во времени. Поэтому некогерентное излучение содержит большую долю шумов.
