Квантовая электроника.

Квантовая электроника – область электроники, охватывающая изучение и разработку методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. Часто под термином «Квантовая электроника» понимают совокупность квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов и квантовых усилителей, оптических квантовых генераторов (лазеров) и др., — в которых используется вынужденное излучение. К Квантовой электронике относят также вопросы нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом и применение такого взаимодействия в устройствах преобразования частоты лазерного излучения. Наиболее крупным прикладным разделом квантовой электроники является лазерная техника, связанная с созданием лазеров различных типов, исследованием свойств лазерного изучения и его использованием для решения различных практических задач.

Физические основы КЭ.

В отличие, например, от вакуумной электроники, использующей для преобразования электромагнитной энергии потоки свободных электронов, в КЭ имеют дело со связанными электронами, входящими в состав атомных систем: атомов, молекул, кристаллов. Согласно законам квантовой механики, электроны в атоме и, следовательно, атомная система в целом могут находиться только в определённых энергетических состояниях, характеризуемых дискретным рядом значений энергии x0, x1, x2, . , называемых энергетическими уровнями. Изменение внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом электрона с одного энергетического уровня на другой. При этом система излучает или поглощает порцию электромагнитной энергии — квант — с частотой nmn и энергией hnmn= xm - xn , где h – постоянная Планка, xm и xn - конечный и начальный энергетические уровни. Излучение квантов (соответствующее переходам электронов с верхних энергетических уровней на нижние) может происходить как самопроизвольно — в отсутствие внешнего поля (спонтанное излучение), так и вынужденно — в присутствии поля (вынужденное излучение), поглощение же квантов (соответствующие переходам с нижних уровней на верхние) всегда является процессом вынужденным. Существенно, что в результате вынужденных излучат. переходов первичная электромагнитная волна усиливается за счёт энергии кванта вынужденного излучения, тождественных этой первичной волен по частоте, фазе, направлению распространения и характеру поляризации. Именно эта особенность вынужденного излучения имеет основополагающее значение в КЭ, позволяя использовать такое излучение для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное усиление электромагнитной волны возможно только в том случае, если число возбужденных электронов (населенность более высоких энергетических уровней) превышает число невозбужденных (населённость более низких уровней). В веществе, находящемся в состоянии термодинамического равновесие, это условие не выполняется: в соответствии с Больцмана распределением населенность верхних энергетических уровней всегда меньше чем нижних и, следовательно, поглощение преобладает над вынужденным излучением, в результате чего проходящая через вещество первичная волна ослабляется. Для того чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нём электромагнитную волну, необходимо перевести его в возбужденное состояние, в котором хотя бы для двух уровней населенность верхнего оказалась выше , чем нижнего. Такое состояние называется состоянием с инверсией населённости в веществе и является предположенный современными учёными Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955 «Метод трёх уровней». Сущность этого метода состоит в том, что электроны в энергетическом спектре которых имеется 3 энергетических уровня x1, x2, x3, переводятся в возбужденное состояние под действием мощного вспомогательного излучения — накачки. При достаточной интенсивности накачки происходит переход электронов с уровня x1 на x3, до так называемого насыщения, когда населённость этих уровней становится одинаковой. При этом для одной пары уровней x1, x2 или x2, x3 будет иметь место инверсия населённостей. Существуют и другие методы создания инверсии населённости: сортировка молекул в молекулярных и атомных пучках в неоднородном электрическом или магнитном поле; инжекция неравновесных носителей заряда в электронно-дырочный переход; осуществление неупругих соударение атомов в смеси газов; химическое возбуждение и другие.

Генерация электромагнитных волн в приборах КЭ осуществляется с помощью активной среды, помещённой в резонатор, в частности для лазеров — оптических резонаторов, посредством которого реализуется необходимая для генерации положительная обратная связь. В активной среде неизбежно происходят спонтанные переходы электронов с верхних энергетических уровней на нижние, т.е. происходит излучение квантов. Если резонатор настроен на частоту этого излучения, то оно, многократно отражаясь от стенок резонатора, успевает вызвать индуцированное излучение ещё нескольких частиц, которые, в свою очередь, воздействуя на активную среду, вызывает новые акты индуцированного излучения. В результате собственное спонтанное излучение активной среды усиливается за счет вынужденных переходов. При этом, однако, энергия излучения в резонаторе не может нарастать беспредельно: каждый акт излучения сопровождается переходом частицы на более низкий энергетический уровень, что приводит к выравниванию населенностей и, следовательно, к равенству поглощения и вынужденного излучения (эффект насыщения).

Историческая справка.

КЭ сформировалась и развивалась как самостоятельная область науки и техники во вотрой половине ХХ века. История КЭ неразрывно связана с радиоспектроскопией, исследующей свойства вещества с помощью избирательного (резонансного) поглощения радиоволн СВЧ диапазона. Именно в радиоспектроскопии зародилась идея о том, что путём создания инверсии населённостей энергетических уровней в среде можно добиться усиления радиоволн. Если же какая-либо система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она может и генерировать это излучение. Первый прибор КЭ — молекулярный генератор на аммиаке, созданный в 1955 одновременно в СССР (Басов и Прохоров) и США (Ч. Таунс и др.), по существу, является радиоспектроскопом, который, однако, устроен так, что молекулы аммиака не поглощают, а излучают радиоволны. В конце 50-х гг. В СССР и США малошумящие парамагнитные квантовые усилители, в которых активной средой служили парамагнитные кристаллы, находящиеся при температуре жидкого гелия (4,2 К) и возбуждаемые вспомогательным источником СВЧ излучения. В эти же годы широко исследовалась возможность создания приборов КЭ оптического диапазона длин волн. В 1960 первый такой прибор — рубиновый лазер — создан в США. Кристалл рубина возбуждается импульсной ксеноновой лампой. В последующие годы лазеры на диэлектрических кристаллах, возбуждаемые внешним источником оптической накачки, получили широкое распространение и составляют одну из важнейших разновидностей лазеров. Усиление в таких лазерах осуществляется за счет вынужденных переходах в электронных оболочках ионов-активаторов (хром в кристаллах рубина, неодим в стекле и алюминиевом гранате). В 1960 создан (США) первый газовый лазер на смеси атомов неона и гелия, возбуждаемых электрическим разрядом в газе низкого давления. Маломощные гелий-неоновые и мощные лазеры на CO2 стали наиболее распространёнными представителями семейства газовых лазеров, охватывающих широкий спектральный диапазон — от глубокого ультра-фиолетового (0,12 мкм) до инфракрасного, смыкающегося с субмиллиметровым (1 нм). В 1959 Басов с сотрудниками теоретически обосновали возможность создания полупроводникового лазера; первые такие лазеры созданы в 1962—63 (СССР и США).