Большой энциклопедический словарь:
КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА (квантовая радиофизика) — область науки и техники, охватывающая исследования принципов действия, конструирование и применение генераторов, усилителей, преобразователей частоты электромагнитного излучения, действие которых основано на вынужденном излучении или на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К устройствам квантовой электроники относятся квантовые усилители сверхвысокой частоты, лазеры, квантовые стандарты частоты, квантовые магнитометры, лазерные гироскопы и др.
Большая советская энциклопедия:
Квантовая электроника
Область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение), 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 (См. Квантовый усилитель) радиоволн — предельно низким уровнем Шумов.
Физические основы квантовой электроники. Свет и радиоволны являются электромагнитным излучением, порции которого кванты (или Фотоны) могут испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами). Внутренняя энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определённые дискретные значения, называемые уровнями энергии (См. Уровни энергии). Уменьшение внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн определяется условием Бора:
= , (1)
где h = 6,6210–27 эргсек — Планка постоянная. Аналогично увеличение внутренней энергии атома 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 , а для интервала значений частот, при этом спектральные линии приобретают ширину (см. Ширина спектральных линий).
Возбуждённые частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения двумя способами. Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определённая 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.
Возбуждённые 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 возбуждённым атомом. 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. э., 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 её 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 возбуждённых частиц над невозбуждёнными. В условиях равновесия термодинамического (См. Равновесие термодинамическое) число возбуждённых частиц меньше числа невозбуждённых, 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 произойдёт поглощение излучения.
Чтобы получить эффект усиления, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы число возбуждённых частиц превышало число невозбуждённых. Состояние вещества, при котором хотя бы для двух уровней энергии частиц верхний уровень оказался более населённым, чем нижний, называется состоянием с инверсией населённостей (См. Инверсия населённостей). Такое вещество в К. э. называется активным (активной средой). В К. э. 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 Объёмный 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 всё 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 возбуждённых 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 , то максимально возможная мощность Р непрерывного излучения в см3 среды составляет:
P = h (2)
Исторический очерк. Несмотря на то что положения Эйнштейна и Дирака о вынужденном излучении формировались применительно к оптике, развитие К. э. началось в радиофизике. В условиях термодинамического равновесия оптические (верхние) уровни энергии практически не заселены, возбуждённых 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, атомов, 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, возбуждённые 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 возбуждённых уровней является тепловое движение частиц. При комнатных температурах тепловому движению соответствует энергия ~ 410–14 эрг. Для видимого света с длиной волны = 0,5 мкм частота колебаний = 61014 гц, а энергия кванта h = 110–12 эрг. Для радиоизлучения с длиной волны = 0,5 см частота колебаний = 61010 гц, энергия квантов h = 410–16 эрг. Следовательно, тепловое движение может сильно населять возбуждённые радиоуровни и не может населять возбуждённые оптические уровни.
Перечисленные факторы привели к тому, что радиоспектроскопия стала базой работ по К. э. 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 (См. Молекулярные и атомные пучки). Но в этом случае возможности радиоспектроскопа сильно ограничены малой интенсивностью резонансных линий. В пучке мало частиц и, следовательно, разница в числе возбуждённых и невозбуждённых частиц незначительна. На этом этапе работы возникла мысль о том, что, искусственно изменив соотношение между числом возбуждённых и невозбуждённых частиц, можно существенно повысить чувствительность радиоспектроскопа. Более того, создав инверсию населённостей 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 объёмные 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. э. — 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 NH3. Для создания инверсии населённостей применялся метод электростатической пространственной сортировки. Из пучка молекул MH3 выбирались более возбуждённые молекулы и отбрасывались в сторону молекулы, обладавшие меньшей энергией. Отсортированный пучок пропускался через объёмный резонатор, в котором при выполнении условий самовозбуждения возникала генерация (см. Молекулярный генератор). Частота генератора с высокой степенью точности совпадала с частотой излучения возбуждённых молекул NH3 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 водородные генераторы имеют ещё большую стабильность частоты ~10–13 (см. Квантовые стандарты частоты, Квантовые часы).
То обстоятельство, что К. э. родилась в радиодиапазоне, объясняет возникновение термина «квантовая радиофизика», иногда используемого вместо термина «К. э.», который имеет более общий смысл, охватывая и оптический диапазон.
Получение инверсии населённостей путём отбора возбуждённых частиц не всегда возможно, в частности это невозможно в твёрдых телах. Кроме того, на высоких оптических уровнях при не слишком высоких температурах возбуждённых частиц практически нет. Поэтому уже в 1955 был предложен новый метод создания инверсии населённостей (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров), в котором возбуждённые частицы не отбираются из имеющегося количества, а создаются. Этот метод, известный под названием метода трёх 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 населённостей. Частота H излучения накачки соответствует резонансным условиям поглощения, т. е.
н = (E3 — E1)/h.
Метод трёх уровней был применен по предложению Н. Бломбергена (1956, США) для создания квантовых усилителей радиодиапазона на парамагнитных кристаллах. Квантовые усилители обычно работают при температуре жидкого гелия (4,2 К), когда практически все частицы находятся на самом нижнем уровне энергии. При накачке половина всех имеющихся в кристалле 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 радиоприёмников СВЧ. Поэтому квантовые усилители нашли применение в радиоастрономии (См. Радиоастрономия), радиолокации (См. Радиолокация), линиях глобальной и космической связи.
Успехи К. э. поставили вопрос о её 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. э. в оптическом диапазоне явилось создание в 1960 лазера (Т. Мейман, США). В качестве рабочего вещества в нём использовался монокристалл Рубина, а для получения инверсии населённости был применен метод трёх уровней. Отражающими зеркалами резонатора служили хорошо отполированные и посеребрённые торцы кристалла 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 кристаллы 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 определённые моменты времени, когда инверсия населённостей достигает максимальной величины, Тогда все накопленные на метастабильном уровне частицы излучают практически сразу, и генератор выдаёт 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 3106—3106 вт.
Вскоре после рубинового лазера был разработан первый газовый лазер (А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот: 1960. США) на смеси атомов неона и гелия. Затем появился полупроводниковый инжекционный лазер (Р. Хол, а также У. Думке с сотрудниками; 1962, США). В газовых лазерах (См. Газовый лазер) получение инверсии населённости достигается не световой накачкой, а при соударениях атомов или молекул рабочего газа с электронами или ионами, имеющимися в электрическом разряде. Среди газовых лазеров выделяются гелий-неоновый лазер и лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия (СО2 — лазер), которые могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах. С помощью гелий-неонового лазера получены световые колебания очень высокой стабильности (~ 10–13) и высокой монохроматичности ( = 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 ( = 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 (См. Полупроводниковый лазер) инверсия достигается главным образом при инжекции носителей тока через Электронно-дырочный переход соответствующим образом легированного полупроводника (См. Полупроводники). Имеется довольно много полупроводниковых материалов, из которых изготовляются лазеры в широком диапазоне длин волн. Наиболее распространённым из них является арсенид галлия (GaAs), который при температуре жидкого азота 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 населённости 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 населённости является необходимость преодоления процессов, направленных к восстановлению равновесной населённости. Препятствовать процессам восстановления равновесной населённости 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 ещё меньше. Однако «проигрыш» в количестве энергии излучения компенсируется в К. э. 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. э. революционизировали радиофизику СВЧ и оптику. Наиболее глубокие преобразования К. э. 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. э. в радиофизике существовали когерентные усилители и монохроматические генераторы. К. э. 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 неё 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 (См. Модуляция), детектирования (См. Детектирование), 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 (См. Плазма). Получение и исследование лазерной плазмы является одним из наиболее интересных применений лазеров. Осуществлен термоядерный синтез, инициируемый лазерным излучением (См. Лазерное излучение).
Благодаря высокой концентрации электромагнитной энергии в пространстве и по спектру лазеры находят широкое применение в микробиологии, фотохимии, химическом синтезе, диссоциации, катализе. К. э. привела к развитию голографии (См. Голография) — метода получения объёмных изображений предметов восстановлением структуры световой волны, отражённой предметом.
Работы по К. э. были отмечены Нобелевской премией 1964 по физике (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, СССР, и Ч. Таунс, США).
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Фабрикант В., Классика, кванты и квантовая электроника, «Наука и жизнь», 1965, № 10; Прохоров А. М., Квантовая электроника, «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 атомов и молекул, там же, 1966, т. 88, в. 3.
Н. В. Карлов.
Рис. 1. a — спонтанное излучение фотона; б — вынужденное излучение; в — резонансное поглощение; Е1 и Е2 — уровни энергии атома.
Рис. 2. Распределение частиц по уровням энергии Е0, Е1, Е2, Е3, Е4, Е5 в соответствии со статистикой Больцмана; N — число частиц на уровне.
Рис. 3. Метод трех уровней: а — населённости уровней при отсутствии накачки; б — мощное вспомогательное излучение накачки уравнивает населенности уровней Е1 и Е3, создавая тем самым инверсию населенностей уровня Е2 по отношению к уровню Е1.
Физический энциклопедический словарь:
Область физики, изучающая методы усиления и генерации эл.-магн. колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного излучения, а также св-ва квант. усилителей и генераторов и их применения. Практич. интерес к оптич. квант. генераторам— лазерам обусловлен тем, что их излучение обладает высокой степенью направленности и монохроматичности, а также значительной интенсивностью. Квант. генераторы радиодиапазона отличаются от др. радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квант. усилители радиоволн — предельно низким уровнем шумов.
Физические основы.
Эл.-магн. волны могут испускаться атомами, молекулами и др. квант. системами, обладающими нек-рой избыточной внутр. энергией (возбуждёнными). Переход атома с более высокого уровня энергии ?2 на более низкий ?1 может сопровождаться испусканием кванта излучения частоты w, определённой соотношением:
w=(?2-?1)/ћ. (1)
Переход с нижнего уровня ?1 на верхний ?2 может происходить при поглощении кванта той же частоты.
Рис. 1. a — спонтанное излучение фотона; б — вынужденное излучение; в — резонансное поглощение; ?1 и ?2 — уровни энергии атома.
Возбуждённые ч-цы могут отдавать свою энергию в виде эл.-магн. квантов двумя способами — самопроизвольно (спонтанное излучение, рис. 1, а) и под воздействием внешнего излучения, если его частота удовлетворяет условию (1) (рис. 1, б). Вероятность вынужденного испускания, предсказанного А. Эйнштейном в 1916, пропорц. интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного процесса. Существенно, что кванты вынужденного излучения неотличимы от первичных. Они обладают такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения (А. Эйнштейн, П. Дирак, 1927). Это имеет основополагающее значение для К. э., т. к. формируется эл.-магн. волна, являющаяся точной, только усиленной, копией исходной волны. С ростом числа актов вынужденного испускания интенсивность волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление эл.-магн. излучения. В К. э. в отличие от традиционной электроники реализуется метод прямого усиления эл.-магн. полей без их преобразования в процессе усиления в потоки заряженных ч-ц.
Для одной ч-цы вынужденные переходы с уровня ?2 на ?1 (испускание фотона, рис. 1, б) и с нижнего на верхний (поглощение рис. 1, в) равновероятны. Поэтому когерентное усиление волны возможно только при превышении числа возбуждённых ч-ц над невозбуждёнными. В условиях термодинамич. равновесия верхние уровни энергии населены ч-цами меньше, чем нижние, в соответствии с Больцмана распределением. Состояние вещества, при к-ром хотя бы для двух уровней энергии ч-ц верхний уровень оказался населённым сильнее, чем нижний, наз. состоянием с инверсией населённостей, а само вещество — активной средой. В К. э. используются разл. активные среды для усиления и генерации эл.-магн. волн.
Необходимую для возбуждения генерации положит. обратную связь осуществляет объёмный резонатор, в к-рый помещается активная среда. В какой-то точке резонатора неизбежно происходит спонтанный переход ч-цы активной среды с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроизвольно испускается фотон. Если резонатор настроен на частоту этого фотона, то фотон не выйдет из резонатора, а многократно отражаясь от его стенок, в свою очередь, будет воздействовать на активное вещество, вызывая всё новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь). В результате в резонаторе накапливается эл.-магн. энергия, часть к-рой можно вывести наружу. Если в какой-то момент мощность вынужденного излучения превысит мощность потерь энергии на нагрев стенок резонатора, рассеяние излучения и т. п., а также на полезное излучение во внешнее пространство, то в резонаторе возбуждается генерация. Частота колебаний с высокой степенью точности совпадает с частотой со перехода возбуждённых ч-ц. Интенсивность генерации определяется числом возбуждённых ч-ц в 1 с в каждом см3 активной среды. Если скорость образования таких ч-ц L см-3 с-1, то максимально возможная мощность излучения в 1 см3 среды в непрерывном режиме равна:
Р = Lћw. (2)
Историческая справка.
Утверждения А. Эйнштейна и П. Дирака о вынужденном излучении формировались применительно к оптике, однако развитие К. э. началось в радиофизике. В условиях термодинамич. равновесия высоко расположенные оптич. уровни энергии практически не заселены, т. е. возбуждённых ч-ц в веществе мало. Кроме того, при малых плотностях световой энергии оптич. спонтанные переходы более вероятны, чем вынужденные. Поэтому, именно в оптике отсутствовали источники строго гармонич. колебаний и волн, хотя понятие монохроматичности излучения возникло в оптике. В радиофизике, наоборот, вскоре после появления первых искровых радиопередатчиков развивается техника получения гармонич. колебаний, создаваемых генераторами с колебательными контурами и регулируемой положит. обратной связью. Немонохроматичность излучения обычных источников света и отсутствие в оптике методов и концепций развитых в радиофизике, в частности понятия обратной связи, послужили причиной того, что квант. генераторы (мазеры) появились в радиодиапазоне раньше, чем в оптич. диапазоне.
То обстоятельство, что К. э. родилась в радиодиапазоне, объясняет возникновение термина «квант. радиофизика». Однако термин «К. э.» имеет более общий смысл, охватывая и оптич. диапазон.
В 1-й пол. 20 в. радиофизика и оптика шли разными путями. В оптике развивались квант. представления, в радиофизике — волновые. Общность радиофизики и оптики, обусловленная общей квант. природой эл.-магн. волн. процессов, не проявлялась до тех пор, пока не возникла радиоспектроскопия. Особенность радиоспектроскопич. исследований состояла в использовании источников монохроматич. излучения и в том, что в радиодиапазоне спонтанное излучение гораздо слабее, а возбуждённые уровни заселены за счёт теплового возбуждения уже при комнатных темп-рах (T=300К). Это обстоятельство сказывается на резонансном поглощении радиоволн. Радиоспектроскопич. исследования породили идею о том, что путём создания инверсии населённостей уровней в среде можно добиться усиления радиоволн. Если же к.-л. система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она будет генерировать это излучение. В первом приборе К. э.— молекулярном генераторе, созданном в 1955 одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Дж. Гордон, X. Цайгер, Ч. Таунс), активной средой являлся пучок молекул аммиака NH3 (см. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АТОМНЫЕ ПУЧКИ). Из пучка молекул выбирались более возбуждённые молекулы и отбрасывались в сторону молекулы, обладавшие меньшей энергией. Отсортированный пучок возбуждённых молекул пропускался через объёмный резонатор, в к-ром возбуждалась генерация. Относит. стабильность частоты колебаний Dw/w = 10-11 — 10-13.
Квантовые генераторы открыли новые возможности в создании сверхточных часов и точных навигац. систем (см. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ).
Получение инверсии населённостей путём отбора возбуждённых ч-ц не всегда возможно, в частности это невозможно в твёрдых телах. Поэтому уже в 1955 был предложен т. н. метод трёх уровней (Басов, Прохоров).
На ч-цы, имеющие в энергетич. спектре три уровня ?1 ?2, ?3 (рис. 2, а), воздействуют мощным излучением (накачкой), к-рое, поглощаясь, «перекачивает» их с уровня ?1 на уровень ?3 до т. н. насыщения, когда их населённости становятся одинаковыми (рис. 2, б). При этом для одной пары уровней ?1, ?2 или ?2, ?3 будет иметь место инверсия населённостей. Метод трёх уровней был применён (1956, США) для создания квантовых усилителей СВЧ на парамагнитных кристаллах.
Успехи К. э. дали возможность её продвижения в сторону более коротких волн. Существенную трудность представляла разработка резонаторов. Для субмиллиметрового и оптич. излучений резонаторы в виде закрытых полостей изготовить невозможно. В 1958 был предложен первый открытый, резонатор (Прохоров) для субмиллиметрового диапазона. Резонатор представлял собой два параллельных хорошо отражающих металлич. диска, между к-рыми возникает система стоячих волн.
В 1960 был создан первый лазер (Т. Мейман, США). В качестве рабочего вещества в нём использовался монокристалл рубина, а для получения инверсии населённости был применён метод трёх уровней. Отражающими зеркалами резонатора служили хорошо отполированные и посеребрённые торцы кристалла. Источником накачки была лампа-вспышка. Рубиновые лазеры наряду с лазерами на стекле с примесью неодима дают рекордные энергии и мощности (см. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ). В 1961 был разработан газовый лазер (А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот, США) на смеси неона и гелия. В 1961 предложен (Басов с сотр.), а в 1962 реализован (Р. Хол, а также У. Думке с сотрудниками, США) инжекционный полупроводниковый лазер.
Для получения инверсии населённости в мазерах и лазерах используются разл. физ. механизмы. Но единым и главным для всех методов явл. необходимость преодоления процессов релаксации. Препятствовать процессам восстановления равновесной населённости можно, только затрачивая энергию. При этом в лазерное излучение преобразуется, как правило, малая доля энергии накачки. Однако «проигрыш» в кол-ве энергии излучения компенсируется в К. э. выигрышем в его качестве — монохроматичности и направленности.
Монохроматичность и высокая направленность позволяют сфокусировать всю энергию лазерного излучения в пятно с размерами, близкими к длине волны излучения. В этом случае электрич. поле световой волны достигает значений, близких к внутриатомным полям. При вз-ствии таких полей с веществом возникают совершенно новые явления (см. ЛАЗЕРНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ, ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА).
Приборы К. э. революционизировали радиофизику и оптику. Наиболее глубокие преобразования К. э. внесла в оптику. Если в радиофизике К. э. лишь резко улучшила чувствительность усилителей и стабильность частоты генераторов, то в оптике К. э. дала источники света, обладающие совершенно новыми св-вами, позволяющие концентрировать световую энергию в пространстве во времени и в узком спектральном интервале. Это привело к рождению новых областей науки и техники — лазерной химии, нелинейной оптики, голографии, лазерной технологии и др.
Создание и развитие К. э. было отмечено Нобелевской премией по физике в 1964 (Басов, Прохоров, СССР, и Ч. Таунс, США).
Техника. Современная энциклопедия:
квантовая электроника
Область физики, занимающаяся изучением и разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твёрдых тел. К квантовой электронике относятся все квантовые электронные приборы и устройства – молекулярные генераторы, квантовые усилители, оптические квантовые генераторы (лазеры) и другие, в которых используется вынужденное излучение. К квантовой электронике относится взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом и применение его в устройствах преобразования частоты лазерного излучения. Важнейшей частью квантовой электроники является лазерная техника – совокупность технических средств генерации, преобразования, передачи, приёма и использования лазерного излучения. Практический интерес к квантовым генераторам света (лазерам) обусловлен тем, что они, в отличие от других источников света, излучают световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью (излучением волн одной частоты). Квантовые генераторы радиоволн отличаются от других радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн – предельно низким уровнем шумов.
В соответствии с законами квантовой механики электроны в атоме и, следовательно, атомная система могут находиться только в определённых энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями. Изменение внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом с одного энергетического уровня на другой. При этом система излучает или поглощает порцию электромагнитной энергии – квант. 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 (соответствующее переходам с нижних уровней на верхние) всегда является вынужденным. В результате вынужденных излучательных переходов первичная электромагнитная волна усиливается за счёт энергии квантов, тождественных этой первичной волне по частоте, фазе, направлению распространения и по характеру поляризации. Эта особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное (согласованное) усиление электромагнитной волны возможно только в случае, если число возбуждённых электронов (более высоких энергетических уровней) превышает число невозбуждённых (более низких энергетических уровней).
Первый прибор квантовой электроники – молекулярный генератор на аммиаке был создан в 1955 г. одновременно в СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в США Ч. Таунсом. В 1960 г. в США был создан первый лазер (оптического диапазона) на рубиновом кристалле и первый газовый лазер, а в 1962—63 гг. в России (Н. Г. Басов с сотрудниками) и в США – полупроводниковые лазеры. На основе лазеров возникли новые области науки и техники: нелинейная оптика, лазерная химия, лазерная технология, голография, лазерная медицина. Мощный направленный лазерный пучок, сфокусированный на поверхности любого вещества, способен расплавить и испарить его. Это явление лежит в основе многочисленных технологических применений лазеров. На основе лазеров развиваются оптоэлектроника, бесконтактные системы записи и считывания информации.
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020