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);
– газер (гамма-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 10ˆ-9 до 10ˆ-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 до ~10ˆ−3нм), 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 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.

Квантовый генератор энергии – это генератор электроэнергии, основанный на использовании квантовых технологий. Правильнее назвать его было бы квантовый двигатель-генератор энергии.

Конструкция квантового двигателя-генератора энергии проста. Он состоит из квантового двигателя и электрического генератора. Сам квантовый двигатель не может непосредственно вырабатывать электрическую энергии, поскольку создает тягу и/или вращающий момент, который преобразуется в электрическую энергию. В этом случае, квантовый двигатель работает в режиме полного вращающего момента, исключая режим тяги.

Квантовый генератор энергии следует отличать от квантового генератора, поскольку последний обозначает общее название источников электромагнитного-излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул: лазеров, мазеров, разеров и газеров.

Преимущества квантового генератора энергии:
– не требуется какое-либо топливо для работы квантового двигателя-генератора энергии,
– неограниченное время работы,
– высокая экологичность и безопасность.

По принципу своего действия мазер похож на лазер, но работает только в микроволновом диапазоне.

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.

Исторически первыми были созданы мазеры. Их создание открыло эру квантовой электроники. Впоследствии на принципах работы мазеров были созданы и квантовые генераторы света – лазеры.

Типы мазеров

По типу активной среды, в которой происходят квантовое усиление и генерация электромагнитных волн, мазеры делятся на два типа:
– молекулярные генераторы – мазеры, использующие молекулярные пучки. В данном типе мазеров активную среду создают путем искусственной сортировки из пучка молекул вещества только тех молекул, которые находятся в возбужденном состоянии. Отсортированный пучок молекул, находящихся в возбужденном состоянии, попадает в объемный резонатор, где происходит накопление возбужденных молекул. В резонаторе возбужденные молекулы при переходе в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние испускают квант электромагнитного излучения сантиметрового диапазона, которое передают полю резонатора. Резонатор настроен таким образом, чтобы резонансная частота резонатора равнялась частоте электромагнитного излучения, испускаемого возбужденной молекулой при переходе в основное состояние. Поэтому такой резонатор способен длительнее время поддерживать электромагнитные колебания, возбужденные в резонаторе, на частоте резонанса. К числу молекулярных генераторов относятся мазеры, работающие на аммиаке и водороде. Длина волны аммиачного мазера составляет 1,27 см, водородного мазера – 21 см. Их основное применение в качестве стандартов времени и частоты;
– парамагнитные генераторы и усилители – мазеры, использующие в качестве активной среды парамагнитные кристаллы. Активная среда в этих мазерах представляет собой парамагнитный кристалл (например, кристалл рубина), который размещается в резонаторе. В отличие от резонатора в молекулярном генераторе, резонатор парамагнитного генератора имеет две резонансные частоты: частоту излучения накачки и частоту усиления. Переход молекул кристалла в возбужденное состояние осуществляется в результате поглощения кристаллом электромагнитного излучения накачки, длина волны которого меньше длины волны усиления, а усиление возбужденного состояния – путем помещения кристалла вместе с резонатором в постоянное магнитное поле, регулировкой которого можно изменять энергетический уровень возбужденных молекул или атомов. При переходе возбужденных молекул вещества в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние они испускают квант электромагнитного излучения сантиметрового диапазона, которое сообщают полю резонатора.

Парамагнитные генераторы и усилители способны генерировать волны длиной от 1 до 100 см. Важнейшее свойство парамагнитных генераторов и усилителей – очень низкий уровень шума, в 100 раз меньше, чем в усилителях, работающих на иных принципах. Поэтому парамагнитные генераторы и усилители нашли свое применение в радиоастрономии и радиолокации для усиления слабых радиосигналов.

В 1954 году был изобретен первый квантовый генератор микроволнового излучения – мазер, который является ближайшим родственником лазера. Однако, в отличие от лазеров, которые получили очень широкое распространение, мазеры используются гораздо реже из-за того, что для их нормальной работы нужно охлаждение до температуры, близкой к температуре абсолютного нуля – минус 273 градуса Цельсия.

Оптическим лазерам вскоре составят конкуренцию микроволновые мазеры. Создан твердотельный мазер, работающий при комнатной температуре, – устройство, которое найдет широкое применение как минимум в космической связи и радиолокации.

Все знают, что лазер излучает в оптическом диапазоне, хотя далеко не каждый скажет, что лазер является квантовым генератором. Слово «лазер» представляет собой акроним от английской фразы light amplification by stimulated emission of radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения». Если же такой генератор излучает микроволны (то есть длина волны его излучения равна не нескольким тысячам ангстрем, как у оптического излучения (1 ангстрем = 10ˆ-10 м), а нескольким сантиметрам), то такой генератор называется мазер.

С этим диапазоном также знаком каждый из нас: микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел в микроволновых печах, а микроволновое излучение малой интенсивности – для спутниковой связи, в сотовых телефонах и для передачи информации через WiFi или Bluetooth.

Первые мазеры были независимо созданы в 1954 году советскими физиками Александром Прохоровым и Николаем Басовым, а также их американским коллегой Чарльзом Таунсом. За это изобретение все трое в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике. Созданные им мазеры использовали трехуровневую схему накачки, по которой рабочее тело излучателя накачивается энергией при помощи другого источника микроволнового излучения. В результате атомы водорода или других веществ переходят из состояния покоя на новый энергетический уровень.

Сразу после создания мазеров считалось, что они являются изобретением человека. Но буквально через год после вручения Прохорову, Басову и Таунсу Нобелевской премии астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации когерентного радиоизлучения, а источником накачки служит космическое излучение.

Рукотворные мазеры используются в технике (в частности, в космической связи и в радиолокации), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Однако лазеры получили гораздо большее применение. Основная причина этого состоит в том, что современные мазеры являются газовыми излучателями и в качестве рабочего тела в них используются атомы водорода. Такие мазеры состоят из большого количества сложных и довольно дорогих частей, а их стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов.

Все предыдущие попытки создать более дешевые твердотельные излучатели оказались неудачными: такие приборы требовали особых условий работы, как, например, температуры, близкой к абсолютному нулю, вакуума или определенного значения магнитного поля. Но теперь успеха добилась группа физиков под руководством Марка Оксбороу из Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания).

Изучая оптические и квантовые свойства кристаллов из органического вещества – соединения двух углеводородов, пентацена и терфенила, ученые заметили, что такие кристаллы можно использовать для создания принципиально нового типа мазера, который использует принцип накачки, не похожий на технику работы классических мазеров.

Методика Оксбороу и коллег описана в статье в журнале Nature и представляет собой двухуровневую систему накачки. Сначала кристалл пентацена и терфенила накачивается обычным оптическим лазером. Молекулы этого вещества переходят на новый энергетический уровень, где электроны в органическом кристалле переходят одновременно на три нижних энергетических уровня. Этот переход сопровождается когерентным излучением фотонов в микроволновом диапазоне, что и является лучом мазера. По словам авторов разработки, такое устройство способно работать при комнатной температуре и внутри магнитного поля Земли, чего не могут делать другие модели твердотельных мазеров.

«Полвека мазер был забытым бедным родственником лазера. Наше изобретение поможет мазеру быть востребованным в промышленности и среди потребителей», – говорит Марк Оксбороу.

Первоочередная задача исследователей – заставить работать свой мазер в непрерывном режиме. Сейчас устройство излучает лишь отдельные импульсы продолжительностью в доли секунды. Еще одна задача – найти другие материалы (помимо пентацена и терфенила), которые также можно было бы использовать в создании твердотельного мазера, работающего при комнатной температуре.

В комментарии Аарона Бланка из Техниона (Израильский институт технологий в Хайфе), который в журнале Nature сопровождает публикацию Оксбороу и коллег, говорится, что их разработку «можно рассматривать как первый шаг на пути к созданию космических коммуникаций, с помощью которых мы могли бы разговаривать с инопланетянами».