МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР, устройство, в котором когерентные электромагнитные колебания генерируются за счёт вынужденных квантовых переходов молекул из исходного энергетич. состояния в состояние с меньшей внутр. энергией (см. Когерентность, Квантовая электроника). М. г.- первый квантовый генератор, созданный в 1954 Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР) и независимо от них Ч. Таунсом, Дж. Гордоном и X. Цейгером (США). Оба варианта этого М. г. работали на молекулах аммиака NH₃ и генерировали электромагнитные колебания с частотой 24840 Мгц (длина волны X = 1,24 см).

Для возбуждения генерации когерентных колебаний необходимо выполнение двух осн. условий: в рабочем объёме прибора количество частиц в исходном состоянии должно быть больше, чем в состоянии с меньшей внутр. энергией (инверсия населённостей); должна быть обеспечена связь между частицами, излучающими в различные моменты времени (положительная обратная связь). В М. г. первое условие осуществляется электростатической сортировкой пучка молекул, а обратная связь при помощи объёмного резонатора, настроенного на частоту, равную частоте излучения, сопровождающего переход молекулы из исходного энергетич. состояния в конечное. Пучок молекул формируется при вылете молекул из источника в вакуум через узкие отверстия или капилляры (см. Молекулярные и атомные пучки).

Электростатич. сортировка молекул по энергетич. состояниям в М. г. основана на том, что молекулы, обладающие электрич. дипольным моментом (напр., молекулы NH₃), пролетая через неоднородное электрич. поле, отклоняются этим полем от прямолинейного пути по-разному в зависимости от энергии (см. Штар-ка эффект). В первом М. г. сортирующая система представляла собой к в а д-рупольный конденсатор, состоящий из 4 параллельных стержней спец. формы, соединённых попарно с высоковольтным выпрямителем (рис.). Электрич. поле такого конденсатора весьма неоднородно, что вызывает искривление траекторий молекул NH₃, летящих вдоль его оси. Свойства молекул NH₃ таковы, что те из них, к-рые находятся в верхнем из используемой пары энергетич. состояний, отклоняются к оси конденсатора и попадают внутрь объёмного резонатора. Молекулы, находящиеся в нижнем состоянии, отбрасываются в стороны и не попадают в резонатор. Отсортированный т. о. пучок содержит молекулы, находящиеся в верхнем энергетич. состоянии. Попадая внутрь резонатора, такие молекулы излучают под воздействием электромагнитного поля резонатора (вынужденное излучение). Излучённые фотоны остаются внутри резонатора, усиливая его поле и увеличивая вероятность вынужденного излучения для молекул, пролетающих позже. Если интенсивность пучка активных молекул такова, что вероятность вынужденного излучения фотона больше, чем вероятности поглощения фотона в стенках резонатора, то возникает процесс самовозбуждения - быстро возрастает интенсивность электромагнитного поля резонатора на частоте перехода за счёт внутр. энергии молекул пучка. Это возрастание прекращается, когда поле в резонаторе достигает величины, при к-рой вероятность вынужденного испускания становится столь большой, что за время пролёта резонатора успевает испустить фотон как раз половина молекул пучка. При этом для пучка в целом вероятность поглощения становится равной вероятности вынужденного испускания (см. Насыщения эффект). Мощность, генерируемая М. г. на пучке молекул NH₃, составляет 10^-8 era, стабильность частоты генерации в пределах 10^-7 -10^-11.

Сортировка молекул по энергетическим состояниям с помощью квадрупольного конденсатора.

В дальнейшем были созданы М. г. на ряде др. дипольных молекул, работающие в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, и квантовые генераторы на пучке атомов водорода, работающие на длине волны 21 см. Эти приборы, как и квантовые усилители радиодиапазона, иногда наз. мазерами. Существует неск. конструктивных вариантов М. г., отличающихся устройством сортирующих систем, количеством резонаторов и т. п. К М. г. относят также квантовые генераторы, в к-рых инверсия населённости уровней молекул достигается не сортировкой, а др. способами, напр. воздействием вспомогательного электромагнитного поля (накачки), электрич. разрядом и др. В этом смысле к М. г. можно отнести и квантовые генераторы оптич. диапазона (лазеры), рабочим веществом к-рых служат молекулярные газы (см. Газовый лазер).

Лит.: Ораевский А. Н., Молекулярные генераторы, М., 1964; Г р и г о р ь-я н ц В. В., Жаботинский М. Е., 3 о л и н В. CD., Квантовые стандарты частоты, М., 1968; Зингер Дж., Мазеры, М., 1961; С и г м е н А., Мазеры, пер. с англ., М., 1966.

М. Е. Жаботинский.