Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Квантовая электроника

Квантовая электроника (далее К) область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения. Практический интерес к квантовым генераторам света (лазерам) обусловлен прежде всего тем, что они, в отличие от др. источников света, излучают световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью. Квантовые генераторы радиоволн отличаются от др. радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн — предельно низким уровнем шумов.

  Физические основы квантовой электроники. Свет и радиоволны являются электромагнитным излучением, порции которого кванты (или фотоны) могут испускаться молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией (возбужденными частицами). Внутренняя энергия (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определенные дискретные значения, называемые уровнями энергии. Уменьшение внутренней энергии означает переход с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдается в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн n определяется условием Бора:

n = ,     (1)

где h = 6,62×10–27 эрг×сек — Планка постоянная. Аналогично увеличение внутренней энергии означает его переход с нижнего уровня E1 на верхний E2. Если это увеличение связано с поглощением кванта излучения, то частота поглощаемого излучения определяется тем же условием (1). Т. о., условие (1) определяет частоту спектральной линии поглощения или излучения, характерную для данных частиц. Взаимодействие частиц с окружающими их частицами и полями, а также "краткость их жизни на уровне" приводят к "размытию" уровней энергии. В результате условие (1) выполняется не для одного фиксированного значения частоты n, а для интервала значений частот, при этом спектральные линии приобретают ширину (см. Ширина спектральных линий).

  Возбужденные частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения двумя способами. Возбужденные частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определенная вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения (рис. 1, а). Акты спонтанного испускания происходят случайно Поэтому спонтанное излучение носит хаотический характер. Фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения. Интенсивность спонтанного излучения пропорциональна кубу частоты и поэтому резко падает при переходе от световых волн к радиоволнам. Все нелазерные источники света (лампы накаливания, газоразрядные лампы и т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного излучения. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел.

  Возбужденные частицы могут испускать фотоны, переходя с верхнего уровня энергии E2 на нижний уровень E1 не только самопроизвольно, но и под воздействием внешнего излучения (вынужденно), если частота этого внешнего излучения удовлетворяет условию (1) (рис. 1, б). Вероятность вынужденного испускания, предсказанного А. Эйнштейном (1917), пропорциональна интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного процесса. Т. о., в процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбужденным Существенно, что вторичные кванты неотличимы от первичных. Они обладают в точности такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения. На эту особенность вынужденного излучения, имеющую основополагающее значение для К, впервые указал П. Дирак (1927). Тождественные кванты формируют электромагнитную волну, являющуюся точной усиленной копией исходного излучения. С ростом числа актов вынужденного испускания в 1 сек интенсивность волны возрастает, а ее частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление электромагнитного излучения (см. Когерентность).

  Для одной частицы вынужденные переходы с верхнего уровня E2 энергии на нижний E1 (испускание фотона, рис. 1, б) и с нижнего на верхний (поглощение фотона, рис. 1, в) одинаково вероятны. Поэтому когерентное усиление волны возможно только при превышении числа возбужденных частиц над невозбужденными. В условиях равновесия термодинамического число возбужденных частиц меньше числа невозбужденных, т. е. верхние уровни энергии населены частицами меньше, чем нижние, в соответствии с распределением Больцмана частиц по уровням энергии (рис. 2; см. Больцмана статистика). При взаимодействии излучения с таким веществом произойдет поглощение излучения.

  Чтобы получить эффект усиления, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы число возбужденных частиц превышало число невозбужденных. Состояние вещества, при котором хотя бы для двух уровней энергии частиц верхний уровень оказался более населенным, чем нижний, называется состоянием с инверсией населенностей. Такое вещество в К называется активным (активной средой). В К используется вынужденное излучение в активной среде для усиления (квантовый усилитель) и генерации (квантовый генератор) электромагнитных волн. Необходимая для генерации обратная связь осуществляется помещением активной среды в объемный резонатор, в котором могут возбуждаться стоячие электромагнитные волны. В какой-то точке резонатора неизбежно происходит спонтанный переход частицы активной среды с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроизвольно испускается фотон. Если резонатор настроен на частоту этого фотона, то фотон не выходит из резонатора, а, многократно отражаясь от его стенок, порождает множество себе подобных фотонов, которые, в свою очередь, воздействуют на активное вещество, вызывая все новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь), В результате такого "размножения" фотонов в резонаторе накапливается электромагнитная энергия, часть которой выводится наружу с помощью специальных устройств (например, полупрозрачного зеркала для световых волн). Если в какой-то момент мощность вынужденного излучения превышает мощность потерь энергии на нагрев стенок резонатора, рассеяние излучения и т.п., а также на полезное излучение во внешнее пространство (т. е. если выполнены условия самовозбуждения), то в резонаторе возникают незатухающие колебания, т. е. возбуждается генерация (см. Генерирование электрических колебаний).

  В силу свойств вынужденного излучения эти колебания монохроматичны. Все частицы активного вещества работают синфазно. Их заставляет работать синфазно обратная связь. Значение частоты такого генератора с высокой степенью точности совпадает с частотой излучения возбужденных частиц, хотя оно существенно зависит также от расстройки частоты резонатора относительно частоты излучения частиц. Интенсивность генерации определяется числом возбуждаемых частиц в сек в каждом см3 активной среды. Если число таких частиц L, то максимально возможная мощность Р непрерывного излучения в см3 среды составляет:

= Lhn     (2)

  Исторический очерк. Несмотря на то что положения Эйнштейна и Дирака о вынужденном излучении формировались применительно к оптике, развитие К началось в радиофизике. В условиях термодинамического равновесия оптические (верхние) уровни энергии практически не заселены, возбужденных частиц в веществе очень мало и на нижние уровни энергии они переходят спонтанно, так как при малых плотностях световой энергии спонтанные переходы более вероятны, чем вынужденные. Поэтому, хотя понятие монохроматичности возникло в оптике (см. Монохроматический свет), именно в оптике отсутствовали строго гармонические колебания и волны, т. е. колебания с постоянными амплитудой, частотой и фазой. В радиофизике, наоборот, вскоре после создания первых искровых радиопередатчиков развивается техника получения гармонических колебаний, создаваемых генераторами с колебательными контурами и регулируемой положительной обратной связью. Немонохроматичность излучений оптического диапазона и отсутствие в оптике методов и концепций, хорошо развитых в радиофизике, в частности понятия обратной связи, послужили причиной того, что мазеры появились раньше лазеров.

  В 1-й половине 20 в. радиофизика и оптика развивались разными путями. В оптике развивались квантовые представления, в радиофизике — волновые. Общность радиофизики и оптики, обусловленная общностью квантовой природы электромагнитных волновых процессов, не проявлялась до тех пор, пока не возникла радиоспектроскопия, изучающая спектры молекул, ионов, попадающие в диапазон СВЧ (1010—1011 гц). Важной особенностью радиоспектроскопических исследований (в отличие от оптических) было использование источников монохроматического излучения. Это привело к гораздо более высокой чувствительности, разрешающей способности и точности радиоспектроскопов по сравнению с оптическими спектроскопами. Не менее важным явилось и то обстоятельство, что в радиодиапазоне, в отличие от оптического диапазона, возбужденные уровни в условиях термодинамического равновесия сильно населены, а спонтанное излучение гораздо слабее. В результате вынужденное излучение непосредственно сказывается на величине наблюдаемого резонансного поглощения радиоволн исследуемым веществом. Причиной заселения возбужденных уровней является тепловое движение частиц. При комнатных температурах тепловому движению соответствует энергия ~ 4×10–14 эрг. Для видимого света с длиной волны l = 0,5 мкм частота колебаний n = 6×1014 гц, а энергия кванта hn = 1×10–12 эрг. Для радиоизлучения с длиной волны l = 0,5 см частота колебаний n = 6×1010 гц, энергия квантов hn = 4×10–16 эрг. Следовательно, тепловое движение может сильно населять возбужденные радиоуровни и не может населять возбужденные оптические уровни.

  Перечисленные факторы привели к тому, что радиоспектроскопия стала базой работ по К В СССР работы по радиоспектроскопии газов были начаты в лаборатории колебаний Физического института АН СССР (А. М. Прохоров), где наряду с решением чисто спектроскопических задач исследования шли также и в направлении использования спектральных линий СВЧ для создания стандартов частоты.

  Точность стандарта частоты, основанного на измерении положения резонансной линии поглощения, зависит от ширины спектральной линии. Чем уже линия, тем выше точность. Наиболее узкими линиями обладают газы, так как в газах частицы слабо взаимодействуют друг с другом. Вместе с тем тепловое хаотическое движение частиц газа вызывает в силу Доплера эффекта так называемое доплеровское уширение спектральных линий. Эффективным методом устранения влияния этого уширения является переход от хаотического движения к упорядоченному движению, например переход от газов к молекулярным пучкам. Но в этом случае возможности радиоспектроскопа сильно ограничены малой интенсивностью резонансных линий. В пучке мало частиц и, следовательно, разница в числе возбужденных и невозбужденных частиц незначительна. На этом этапе работы возникла мысль о том, что, искусственно изменив соотношение между числом возбужденных и невозбужденных частиц, можно существенно повысить чувствительность радиоспектроскопа. Более того, создав инверсию населенностей в пучке, вместо поглощения радиоволн можно получить их усиление. Если же некоторая система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она может генерировать это излучение. В радиофизике теория генерирования была хорошо разработана. Существенными элементами радиотехнических генераторов являются колебательные контуры. В области СВЧ роль контуров играют объемные резонаторы, особенно удобные для работы и с пучками частиц. Т. о., именно в радиофизике существовали все необходимые элементы и предпосылки для создания первого квантового генератора. В первом приборе К — молекулярном генераторе, созданном в 1955 одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Дж. Гордон, Г. Зейгер, Ч. Таунс), активной средой являлся пучок молекул аммиака 3. Для создания инверсии населенностей применялся метод электростатической пространственной сортировки. Из пучка молекул MH3 выбирались более возбужденные молекулы и отбрасывались в сторону молекулы, обладавшие меньшей энергией. Отсортированный пучок пропускался через объемный резонатор, в котором при выполнении условий самовозбуждения возникала генерация (см. Молекулярный генератор). Частота генератора с высокой степенью точности совпадала с частотой излучения возбужденных молекул 3 и поэтому была чрезвычайно стабильна. Относительная стабильность частоты составляет 10–11—10–12. Появление молекулярных генераторов открыло новые возможности в создании сверхточных часов и точных навигационных систем. Их погрешность ~1 сек за 300 000 лет. Аналогичные по принципу действия, созданные позднее генераторы имеют еще большую стабильность частоты ~10–13 (см. Квантовые стандарты частоты, Квантовые часы).

  То обстоятельство, что К родилась в радиодиапазоне, объясняет возникновение термина "квантовая радиофизика", иногда используемого вместо термина "К", который имеет более общий смысл, охватывая и оптический диапазон.

  Получение инверсии населенностей путем отбора возбужденных частиц не всегда возможно, в частности это невозможно в твердых телах. Кроме того, на высоких оптических уровнях при не слишком высоких температурах возбужденных частиц практически нет. Поэтому уже в 1955 был предложен новый метод создания инверсии населенностей (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров), в котором возбужденные частицы не отбираются из имеющегося количества, а создаются. Этот метод, известный под названием метода трех уровней, состоит в том, что на частицы, в энергетическом спектре которых есть три уровня E1, E2, E3 (рис. 3, а), воздействуют мощным вспомогательным излучением (накачка), которое, поглощаясь частицами, "перекачивает" их с уровня E1 на уровень E3 Накачка должна быть достаточно интенсивной, тогда на верхний уровень E3 с нижнего E1 перебрасывается столько частиц, что их количество может стать практически одинаковым (рис. 3, б). При этом на уровне E2 может оказаться больше частиц, чем на уровне E1 (либо на уровне E3 больше, чем на уровне E2), т. е. для уровней E2, E1 (или E3 и E2) будет иметь место инверсия населенностей. Частота n излучения накачки соответствует резонансным условиям поглощения, т. е.

nн = (E3 - E1)/h.

  Метод трех уровней был применен по предложению Н. Бломбергена (1956, США) для создания квантовых усилителей радиодиапазона на парамагнитных Квантовые усилители обычно работают при температуре жидкого (4,2 К), когда практически все частицы находятся на самом нижнем уровне энергии. При накачке половина всех имеющихся в частиц переводится на верхний уровень E2 и участвует в когерентном усилении. Если молекулярный генератор удовлетворил потребность электроники в высокостабильном источнике монохроматических колебаний, то квантовый усилитель решил др. важнейшую проблему радиофизики — проблему резкого уменьшения шумов, т. е. увеличения чувствительности радиоприемников СВЧ. Поэтому квантовые усилители нашли применение в радиоастрономии, радиолокации, линиях глобальной и космической связи.

  Успехи К поставили вопрос о ее продвижении в сторону более коротких волн. При этом существенную трудность представляла разработка резонаторов. В диапазоне СВЧ применяют закрытые полости с проводящими стенками, размеры которых сравнимы с длиной волны. Для оптического излучения резонаторы такого типа изготовить невозможно. В 1958 был предложен открытый резонатор (А. М. Прохоров). В субмиллиметровом диапазоне резонатор представлял собой два параллельных, хорошо отражающих металлических диска, между которыми возникает система стоячих волн. Для света этот резонатор сводился к двум параллельным зеркалам и подобен интерферометру Фабри — Перо.

  Первым достижением К в оптическом диапазоне явилось создание в 1960 лазера (Т. Мейман, США). В качестве рабочего вещества в нем использовался монокристалл рубина, а для получения инверсии населенности был применен метод трех уровней. Отражающими зеркалами резонатора служили хорошо отполированные и посеребренные торцы рубина. Источником накачки была лампа — вспышка. Рубиновые лазеры наряду с лазерами на стекле с примесью неодима дают рекордные энергии и мощности. В режиме свободной генерации большие рубина при мощной накачке дают в импульсе энергию до 1000 дж (мощность до 106 вт). Другой режим рубиновых лазеров достигается включением зеркал резонатора лишь в определенные моменты времени, когда инверсия населенностей достигает максимальной величины, Тогда все накопленные на метастабильном уровне частицы излучают практически сразу, и генератор выдает гигантский импульс излучения очень короткой длительности (10–8—10–9 сек) со сравнительно небольшой энергией (около 3 дж.). Но так как эта энергия излучается в очень короткое время, то пиковая мощность импульса достигает значений 3×106—3×106 вт.

  Вскоре после рубинового лазера был разработан первый газовый лазер (А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот: 1960. США) на смеси и Затем появился полупроводниковый инжекционный лазер (Р. Хол, а также У. Думке с сотрудниками; 1962, США). В газовых лазерах получение инверсии населенности достигается не световой накачкой, а при соударениях или молекул рабочего газа с электронами или ионами, имеющимися в электрическом разряде. Среди газовых лазеров выделяются лазер и лазер на смеси углекислого газа, и (СО2 — лазер), которые могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах. С помощью лазера получены световые колебания очень высокой стабильности (~ 10–13) и высокой монохроматичности (Dn = 1 гц при частоте 1014 гц). Хотя кпд этого лазера крайне невелик (0,01%), именно высокая монохроматичность и направленность его излучения (обусловленные, в частности, однородностью его активной среды) сделали этот лазер незаменимым при всякого рода юстировочных и нивелировочных работах. Мощный СО2 — лазер (К. Пател, 1964, США) генерирует инфракрасное излучение (l = 10,6 мкм). Его кпд, достигающий 30%, превосходит кпд всех существующих лазеров, работающих при комнатной температуре. Особенно перспективен газодинамический лазер на СО2. С его помощью можно получить в непрерывном режиме мощность в десятки квт. Монохроматичность, направленность и высокая мощность делают его весьма перспективным для целого ряда технологических применений.

  В полупроводниковых лазерах инверсия достигается главным образом при инжекции носителей тока через электронно-дырочный переход соответствующим образом легированного полупроводника. Имеется довольно много полупроводниковых материалов, из которых изготовляются лазеры в широком диапазоне длин волн. Наиболее распространенным из них является арсенид (), который при температуре жидкого может излучать в непрерывном режиме в ближней инфракрасной области мощность до 10 вт при кпд = 30%. Изменяя ток инжекции, можно достаточно безынерционно управлять мощностью, генерируемой инжекционными лазерами. Это делает перспективным их применение в быстродействующих вычислительных машинах и в системах связи.

  Для получения инверсии населенности в парамагнитном квантовом усилителе, в рубиновом лазере, в газовых и полупроводниковых лазерах и др. используются совершенно различные физические явления. Но единым и главным фактором для всех методов создания инверсии населенности является необходимость преодоления процессов, направленных к восстановлению равновесной населенности. Препятствовать процессам восстановления равновесной населенности можно, только затрачивая энергию, поступающую от внешнего источника питания. При этом в лазерное излучение преобразуется, как правило, малая доля энергии накачки. В режиме свободной генерации кпд рубинового лазера меньше 1%, в режиме гигантских импульсов еще меньше. Однако "проигрыш" в количестве энергии излучения компенсируется в К выигрышем в его "качестве", монохроматичности и направленности излучения, обусловленных свойствами вынужденного излучения.

  Монохроматичность и высокая направленность позволяют сфокусировать всю энергию лазерного излучения в пятно с размерами, близкими к длине волны излучения. В этом случае электрическое поле световой волны достигает значений, близких к внутриатомным полям. При взаимодействии таких полей с веществом возникают совершенно новые явления.

  Применения К революционизировали радиофизику СВЧ и оптику. Наиболее глубокие преобразования К внесла в оптику. В радиофизике создание мазеров означало появление радиоустройств хотя принципиально и новых, но вместе с тем обладающих привычными для радиоинженера свойствами. И до появления К в радиофизике существовали когерентные усилители и монохроматические генераторы. К лишь резко улучшила чувствительность усилителей (в 103 раз) и стабильность частоты генераторов (в десятки тысяч раз). В оптике же все источники света до появления лазеров не обладали ни сколько-нибудь заметной направленностью, ни монохроматичностью. Создание лазеров означало появление источников света, обладающих совершенно новыми свойствами. Это дало невиданную ранее в оптике возможность концентрировать энергию излучения как в пространстве, так и в узком частотном интервале.

  Промышленность выпускает различные типы лазеров, которые используются не только как эффективный инструмент научных исследований, но и для решения разного рода практических задач. Основные преимущества лазерного воздействия — малая область распространения тепла, отсутствие переноса электрических зарядов и механического контакта, возможность работать внутри вакуумных баллонов и в агрессивных газах. Одним из первых применений лазеров было измерение расстояния до Луны с большей точностью, чем это было сделано радиофизическим методом. После того как на Луне был установлен уголковый отражатель, расстояние до нее было измерено с точностью до 1,5 м. Существует лазерная локационная служба расстояния Земля — Луна.

  Новые возможности открыло применение лазеров в оптических линиях связи. Развитие оптических линий связи с их задачами модуляции колебаний, детектирования, гетеродинирования, преобразования частоты световых колебаний потребовало переноса в оптику методов радиофизики и теории колебаний.

  Возникла нелинейная оптика, изучающая нелинейные оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности света (самофокусировка света, генерация оптических гармоник, вынужденное рассеяние света, параметрическая генерация света, самопросветление или самозатемнения света). Методами нелинейной оптики создан новый класс перестраиваемых по частоте источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Нелинейные явления в оптике существуют только в узком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. При малых интенсивностях нелинейные оптические эффекты отсутствуют, затем по мере роста интенсивности они возникают, возрастают, но уже при потоках интенсивности 1014 вт/см2 все известные вещества разрушаются лазерным лучом и превращаются в плазму. Получение и исследование лазерной плазмы является одним из наиболее интересных применений лазеров. Осуществлен термоядерный синтез, инициируемый лазерным излучением.

  Благодаря высокой концентрации электромагнитной энергии в пространстве и по спектру лазеры находят широкое применение в микробиологии, фотохимии, синтезе, диссоциации, катализе. К привела к развитию голографии метода получения объемных изображений предметов восстановлением структуры световой волны, отраженной предметом.

  Работы по К были отмечены Нобелевской премией 1964 по физике (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, СССР, и Ч. Таунс, США).

  Лит.: К. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Фабрикант В., Классика, кванты и квантовая электроника, "Наука и жизнь", 1965, № 10; Прохоров А. М., К, "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, там же, 1965, т. 85, в. 4; Шавлов А., Современные оптические квантовые генераторы, там же, 1963, т. 81, в. 4; Таунс Ч., Получение когерентного излучения с помощью и молекул, там же, 1966, т. 88, в. 3.

  Н. В. Карлов.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 27.01.2023 21:40:25