квантовая электроника

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА - область физики, охватывающая исследования методов усиления, генерации и преобразования частоты эл--магн. колебаний и волн (в широком диапазоне длин волн, включающем радио- и оптич. диапазоны), основанных на вынужденном излучении или нелинейном взаимодействии излучения с веществом. Осн. роль в К. э. играют вынужденное испускание и положит. обратная связь .В обычных условиях вещество способно лишь поглощать или спонтанно (самопроизвольно и хаотически) испускать фотоны в соответствии с Больцмана распределением частиц вещества по уровням энергии. Вынужденное испускание при этом не существенно. Оно начинает играть роль лишь при отклонении ансамбля микрочастиц от распределения Больцмана. Такое отклонение может быть достигнуто воздействием эл--магн. поля, электронным ударом, неравновесным охлаждением, инжекцией носителей заряда через потенц. барьер в полупроводниках и т. п. В результате таких воздействий (накачки) поглощение эл--магн. волн веществом уменьшается и при выравнивании населённостей на энергетич. уровнях, подвергающихся действию накачки, интенсивности поглощения и вынужденного испускания сравниваются и взаимно гасятся. При этом эл--магн. волна, частота к-рой резонансна по отношению к частоте перехода между этими энергетич. уровнями, распространяется в веществе без поглощения. Такое состояние наз. насыщением перехода. При дальнейшем увеличении мощности (энергии) накачки населённость накачиваемых энергетич. уровней инвертируется, т. е. на верх. энергетич. уровне оказывается больше частиц, чем на нижнем (инверсия населённостей). В этом случае вынужденное испускание оказывается более интенсивным, чем резонансное поглощение. Вещество, в к-ром получают инверсию населённости, наз. активным (активная среда). В результате вынужденного испускания возникают фотоны, точно совпадающие по частоте, фазе, направлению и поляризации с фотонами вынуждающего поля. Поэтому волна усиливается по мере распространения в активной среде. Так возникает в К. э. усиление эл--магн. волн за счёт энергии, подводимой к веществу процессом накачки. Значение мощности накачки, при к-ром возникает квантовое усиление, наз. порогом усиления. Для возбуждения генерации необходимо поместить инвертированное вещество в устройство, обеспечивающее положит. обратную связь. Простейшим устройством, реализующим обратную связь в радиодиапазоне, является объёмный резонатор ,в оптич. диапазоне - открытый резонатор ,в частности резонатор Фабри - Перо. Эл--магн. поле, возникающее внутри такого резонатора, многократно отражается от образующих его отражающих поверхностей (зеркал), каждый раз проходя сквозь активную среду и усиливаясь при этом в результате вынужденного испускания. Генерация возникает, если усиление излучения при двукратном отражении от зеркал и двукратном прохождении через инвертированное вещество превосходит потери излучения во время такого прохода. Для достижения генерации резонатор должен быть настроен в резонанс с частотой перехода между инвертированными уровнями вещества. Состояние, при к-ром энергия, выделяемая в резонаторе за счёт вынужденного испускания, равна полным потерям энергии в резонаторе, наз. порогом генерации. При превышении порога генерации часть генерируемой эл--магн. энергии выходит за пределы резонатора через полупрозрачное зеркало (коэф. отражения <1). Вынужденное испускание было предсказано А. Эйнштейном (A. Einstein, 1917). Предложение об использовании вынужденного испускания для усиления света было сделано В. А. Фабрикантом в 1940, однако оно не было своевременно оценено и не получило развития. Непосредственными предпосылками возникновения К. э. являются радиоспектроскопия ,бурное развитие к-рой началось в 1946, в частности резонансный метод спектроскопии молекулярных и атомных пучков [И. Раби (I. Rabi), 1937], а также открытие и исследования электронного парамагнитного резонанса (Е. К. Завойский, 1944). Датой рождения К. э. является 1954, когда был создан Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР) и независимо Дж. Гордоном (J. Gordon), X. Цейгером (Н. Zeiger) и Ч. Таунсом (Ch. H. Townes) квантовый генератор на молекулах NH₃. Необходимая инверсия населённостей достигалась методом эл--статич. пространств. разделения молекул NH₃ по энергетич. состояниям. Обратная связь осуществлялась объёмным резонатором (см. Молекулярный генератор]. След. шагом к формированию К. э. как существенной области физики стал метод достижения инверсии населённостей при помощи эл--магн. накачки, предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955. На этой основе были созданы квантовые парамагн. усилители [Г. Э. Д. Сковил (Н. Е. D. Scovil, США, 1957) и др., 1958], лазер на кристалле рубина [Т. Мейман (Th. Maiman), США, 1960; см. Твердотельный лазер]. Вскоре был создан газовый лазер на смеси He+Ne [А. Джаван (A. Javan), 1960], в к-ром инверсия населённостей атомов Ne достигалась передачей им энергии от атомов Не, возбуждаемых ударами электронов в газовом разряде (см. Газоразрядные лазеры). Затем был предложен полупроводниковый лазер (Н. Г. Басов и др., 1961). Первый полупроводниковый инжекционный лазер был создан Р. Холлом (R. N. Hall), а также У. Думке (W. L. Dumke) и др. (США, 1962). К. э. возникла в диапазоне радиоволн (длина волны генератора на молекулах NH₃ l=1,24 см). Однако дальнейшее развитие К. э. происходило в оптич. диапазоне. Первоначально целью К. э. была генерация, а затем и усиление когерентного излучения. В дальнейшем изучение взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом привело к развитию новых направлений. Одним из них является изучение нелинейных процессов, сопровождающих распространение излучения в среде, показатель преломления к-рой изменяется под действием излучения. В К. я. нелиней ные процессы применяются для генерации оптич. гармоник. Напр., распространение мощных импульсов ИК-излучения неодимового лазера (l=1,06 мкм) в нелинейной среде приводит к генерации 2-й гармоники (l=0,53 мкм), лежащей в зелёной части спектра, и 3-й гармоники (l=0,35 мкм), лежащей в УФ-области спектра (см. Нелинейная оптика). Нелинейные явления наблюдаются и при рассеянии мощных лазерных импульсов. При этом в среде возникает мощное когерентное излучение, сдвинутое по частоте по отношению к первичным импульсам (см. Вынужденное рассеяние света). Результатом нелинейных взаимодействий лазерного излучения с веществом являются самофокусировка света ,лазерная искра и др. Параметрич. процессы в оптич. диапазоне - основа перестраиваемых параметрич. лазеров и лазеров на свободных электронах. Воздействие лазерного излучения, частота к-рого совпадает с узкими спектральными линиями поглощения атомов разреженного газа, приводит к насыщению этих линий. Этот процесс применяют для стабилизации частоты лазеров. Важным направлением К.э. является метрология - создание квантовых стандартов частоты, эталонов частоты (времени), квантовых магнитометров, лазерных теодолитов и дальномеров, лазерных систем хим. (в т. ч. дистанционного) спектрального анализа. Высокая когерентность лазерного излучения позволила реализовать идею голографии и создать целый набор голографич. приборов. Высокая когерентность и направленность излучения лазеров позволили достичь рекордно больших плотностей энергии с помощью фокусировки лазерных импульсов в объёмах порядка длины волны лазерного излучения. Этот метод применён для получения и исследования высокотемпературной плазмы, что стало одним из путей создания управляемых термоядерных реакций. Высокая монохроматичность и большая мощность излучения лазеров привели к появлению лазерной химии и лазерных методов разделения изотопов. При этом используется возможность резонансного воздействия на атомы избранного изотопа как свободные, так и входящие в состав изотопных молекул, а также на колебательные состояния таких молекул, к-рые не затрагивают др. атомы и молекулы. Таким путём управляют ходом хим. реакции и получают продукты реакции и изотопные атомы и молекулы, что нелазерными способами затруднительно (см. Изотопов разделение). Принципы и методы К. э. используют при создании источников и приёмников излучения для световодных систем связи (см. Волоконная оптика, Оптоэлектроника). Важными областями применения К. э., помимо указанных выше, являются лазерная технология, медицина, оптическая обработка информации, оптическая локация, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и др. Лит.: Ярив А., Квантовая электроника, пер. с англ., 2 изд., М., 1980; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1-2, М., 1978. М. Е. Жаботинский.

   <<      Предметный указатель      >>