量子放大器和振荡器

各种各样的电子器件，例如电子管和晶体管，在无线电电子学的发展中起了巨大的作用，解决了许多复杂的问题，获得了极其广泛的应用。但是，现代的科学技术向无线电电子学提出了越来越高的要求。要求能产生频率极高的，波长比厘米波、毫米波还要短得多的电磁振荡，要求制造高灵敏度的接收机和频率极其稳定的振荡器。普通的无线电技术在解决这些问题时碰到了极大的困难。近年来，提出了解决这些问题的新途径，就是利用分子和原子本身来建立发射机和接收机。制造出了各种量子振荡器和量子放大器。量子振荡器可以产生极高频率的振荡，由毫米波、红外线一直到光波波段，而且频率非常稳定。量子放大器的噪声很低，因而可以用它来作出灵敏度极高的接收机。这些量子器件的工作原理和一般电子器件根本不同，它们的出现给无线电电子学的进一步发展开辟了崭新的宽阔的道路。

量子放大器和振荡器究竟是怎么回事，它们是怎样工作的呢？好，就让我们从头说起吧！

我们知道，最简单的原子是氢原子。它只有一个电子，以巨大的速度绕着原子核旋转。电子可以在若干个不同的轨道上旋转，有时在离核较远的轨道上旋转，有时在离核较近的轨道上旋转。轨道离核越远，电子具有的能量就越大，换句话说，电子的能级越高；轨道离核越近，电子的能量就越小，也就是能级越低。

最重要的一点是，不管是氢原子也好，或者是其它任何原子也好，它们的轨道分布并不是随意的，而是严格确定的。电子只可能在这些“容许”的轨道上运动，而在这些轨道中间，不允许有电子存在。这种情况就像是一幢大楼，人们只能住在各层楼的楼板上，而不能悬浮在两层楼板之间的空间中。既然电子的各层轨道相应于一定的能级，所以原子内电子的能级也是严格确定的，即只有“容许”的能级存在。换句话说，电子只可能具有一些确定的能量值，而不能具有这些容许能量值之间的其它能量值。或者说，电子能量的变化是断续的，而不是连续的。当电子从离核较远的轨道跳到较近的轨道，例如从第二轨道跳到第一轨道上时，就以电磁波的形式放出数值完全确定的“一份”能量；相反地，如果电子从第一轨道跳到第二轨道上去，它就要吸收相同的“一份”能量。这一份一份的电磁波能量，就叫做“量子”。“量子”的能量等于这两个能级间的能量差。

根据电子是从那个轨道跳到那个轨道上，所吸收或 辐射的电磁波能量也就不同。例如，当氢的电子从第三轨道上跳到第一轨道上时，放出的能量显然比电子从第二轨道跳到第一轨道时要大些。换句话说，量子可以具有不同的电磁波能量。

原子放出或吸收的一份电磁波能量，或者说量子的能量，是和放出或吸收的电磁波的频率成正比的。这个关系可以用W=hf这一公式来表示。式中W代表两个能级间的能量差，也就是量子的能量，或者说当电子跃迁（从一个轨道跳到另一轨道）时吸收或放出的一份电磁波能量，f代表这个电磁波的频率，h是一个常数，称为普朗克常数，它等于6.624×1O\(^{-}\)27尔格·秒。由此可见，能级间的能量差别越大,辐射出来的频率就越高。原子和分子内电子状态改变的结果，会产生频率极高的电磁波，例如光波。在这种情况下，这种一份份的电磁波能量就叫做光量子,或简称光子。

在通常的情况下，氢原子内的电子处在最低能级，即沿着离核最近的轨道运动。当它从外界吸收一定的能量时，就跳到高能级去。但是被激发到高能级的电子是不稳定的，它很快就会跳回到原来的能级，把多余的能量以光子的形式辐射出去（图1）。于是我们就看见了光。

在复杂的原子里，电子状态改变的情况也是类似的。不过在复杂的原子中，有大量的电子，电子的“容许”轨道很多，因而电子在不同轨道之间的跃迁也可以是多种多样的。所以它们可以辐射出频率相差很多的光波。燃着的火柴或炽热的电灯丝，正是由于这些紊乱的辐射而发光的。

除了电子状态的改变以外，物质内部还有许多其它形式的粒子运动。这些粒子运动也只能占有完全确定的能级，具有量子的特性，同时也能够辐射出电磁波。例如，原子在分子范围内振动时能量的改变，会辐射出红外线；而分子转动能量的改变，就会产生波长更长的电磁波——毫米波和厘米波。

这样看来，每一个分子和原子都是一个小小的电磁波辐射器，或者说是一部发射机。人们就利用它们的这些特性来制成各种各样的量子放大器和振荡器。有工作在光波段的（又称为“睐泽”），有工作在红外线波段的（又称为“依拉泽”），也有工作在毫米甚至厘米波段的（又称为“脉泽”）。它们的构造可能很不相同，但是它们的工作原理，都是利用分子或原子能级改变时能辐射电磁波这一特性。然而，要利用这种辐射源作成实用的发射机，却并不是很简单的。下面我们就拿光波量子放大器和振荡器作例子，进一步谈谈要解决那些问题，和怎样解决这些问题。

大家知道，一般的振荡器，例如电子管或速调管振荡器，所产生的振荡具有严格确定的频率、相位和振幅。但是在一般的光源中，光振荡是由大量的原子发出的。每个原子都和其它原子互不相干地进行辐射，辐射是从某一偶然的时刻开始的，而且各个原子能级的变化也互不相同。因此这些辐射中包括许多频率的振荡，振荡的相位和振幅毫无规则地迅速改变着。这些振荡相加的结果，使得光源的辐射不是某一确定频率的振荡，而象是一种噪声。就好象一个没有指挥的乐队，演奏者都随意乱吹乱拉，只能得到一片杂乱的响声一样。这样的辐射叫做非相干辐射。用普通的无线电方法不可能对这种振荡进行变换。由于非相干辐射的频带极宽，用最灵敏的超外差接收机来接收这种信号，效率也是非常低的。

由此可见，要有效地利用光波进行通信，必须指挥原子的行动，以获得单色的（频率一定的），有规律的（相干的）电磁波。

普通光源中原子从高能级到低能级的跃迁是自发进行的，因而辐射出非相干的振荡。这种辐射叫做自发辐射。但是，原子从高能级到低能级的跃迁也可以在外力的作用下产生。如果入射一个光子，它的能量正好等于原子在激发状态和原来状态间的能量差时，这个光子就会迫使原子放出自己多余的能量而回到原来的状态。这时，原子应当放出和入射光子完全相同的光子，或者说，放出和入射电磁波频率相同的电磁波。这种辐射叫做受激辐射。在这种情况下，辐射电磁波的相位和强迫这个原子产生辐射的外界电磁波的相位有着严格的连系。因而产生出相干辐射。

因此，相干光源应当是这样的原子体系：这些原子以某种方式跃迁到相同的上部能级上，然后在入射到这些原子上的相应频率的电磁波的作用下产生辐射（受激辐射），同时必须排除原子的自发辐射。

已经发现，在某些物质中存在着这样的原子激发态，即如果没有外力的作用，原子很难自发地跃迁到下能级去，而可以在这种激发态上存在一定的时间（有时甚至可达几百万年）。这就是所谓的亚稳态。利用处于亚稳态上的原子，就可以得到相干的光波，而自发辐射将大大减弱。

图2是一种光波量子放大器和振荡器的结构图。其中的主要部分是一根长12毫米，直径为5毫米的人造红宝石棒。这种红宝石含有少量铬离子杂质。铬离子有三个能级（图3）。红宝石棒外面的蛇形管是一个氙灯。在氙灯发出的非相干绿光的作用下，铬离子从下能级W\(_{1}\)跃迁到上能级W3上。然后这些离子自发地落到中间能级W\(_{2}\)上。这个中间能级是亚稳能级，从它向W1能级的跃迁相应干红光辐射。但是这种辐射很难自发地进行，通常只有在外力的作用下才能发生。这时，如果射入微弱的红光来激发红宝石，那么处在亚稳态的铬离子就会发生受激辐射，放出红光来。应当指出，受激辐射的进行是“链锁反应”的过程。例如，射入的一个光子和一个铬离子作用，会使它辐射出一个新的光子；这两个光子继续和另外两个铬离子作用，又会产生两个新的光子，再往下去就变成8个、16个……光子。这种过程是在极短瞬间雪崩式地进行着，因而就在一瞬间放出了大量的红光。这样，就把微弱的红光放大了。

为了更清楚地说明红宝石中铬离子的作用过程，我们设想有一个巨大的跳水台，台下有许多运动员（图4a，相当于铬离子处于稳定状态）。这些运动员从各个方向在不同时间登了上来（图4b，相当于灯氙把铬离子从W\(_{1}\)能级激发到W3能级）。然后集合在某个中间的跳台上耐心地等待着（图4c，相当于离子在中能级W\(_{2}\)）。就在这时，响起了裁判员的枪声（红光射入晶体内），运动员们就一起跳入水中（离子的受激辐射）。

在待放大的光波只通过红宝石一次的情况下，它只能迫使较少的铬离子发生辐射，因而放大还不是很强的。为了将放大增强，需要使光波多次通过红宝石。因此，将红宝石棒的两端磨光，镀上一薄层的银，构成两个面对面平行放置的银镜。银镜的中央各有一个小孔，一面是待放大的红光入口，另一面是经过放大的红光出口。这样，在射入的光子或受激辐射的光子向某个方向飞行时，一遇到镜面就被反射回来，到达另一端时又被另一个镜面所反射。有些光子的运动不和镜面垂直，经过若干次反射后，就会从红宝石的侧面离开。有些光子的运动和两个镜面垂直，就在两镜面之间连续不断地来回反射。它们以及它们所激发出的新光子一次又一次在红宝石中作用，产生出越来越多的新光子。在数万分之一秒钟内，红宝石中从绿色光泵（氙灯）中“汲取”的全部能量，都变成了一束红光穿过银镜，从放大器的出口冲出射向远方。

如果把放大器的入口遮上，并以适当的方式配置反射镜，那么，用绿光照射的红宝石就变成了红光振荡器——晶体本身变成了红色光源。因为只要有一个铬离子偶然跳到低能级而放出微弱的红光时，在红宝石中都会产生上述的“链锁反应”，将所有的铬离子都“抛到”低能级去，同时辐射出强大的相干红光。

实验证明，上述量子器件发出的的确是相干的单色光。光束几乎是平行的，有很好的方向性，例如，这种仪器发出的光束在40公里的距离处，其直径也只有70米。比无线电技术中所用天线的方向性要强得多了。

上面只是简单地谈了一种量子放大器和振荡器的工作原理。至于它们的应用和发展前途，那真是十分宽广的。这些问题在本期“量子无线电电子学”和前一期“通过宇宙空间”等文章中已经谈得很多，在这里就不作介绍了。（士达、周元培编译）