Просмотр кода страницы Квантовая электроника

'''Квантовая электроника''' — область [[физика|физики]], изучающая методы усиления и генерации [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], основанные на использовании явления [[Вынужденное излучение|вынужденного излучения]] в [[Неравновесная система|неравновесных]] [[Квантовая система|квантовых системах]], а также свойства получаемых таким образом усилителей и [[Квантовый генератор|генераторов]] и их применение в [[Электронное устройство|электронных приборах]].

== Физические основы квантовой электроники ==
С точки зрения классической [[Электроника (наука)|электроники]] генерация [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]] осуществляется за счёт [[Кинетическая энергия|кинетической энергии]] свободных [[электрон]]ов, согласованно движущихся в [[Колебательный контур|колебательном контуре]]. В соответствии с представлениями квантовой электроники энергия излучения берётся из [[Внутренняя энергия|внутренней энергии]] [[Квантовая система|квантовых систем]] ([[атом]]ов, [[молекула|молекул]], [[ион]]ов), высвобождаемой при излучательных [[квантовый переход|переходах]] между её [[Уровни энергии|уровнями энергии]]. Излучательные переходы бывают двух видов — [[спонтанное излучение]] и [[вынужденное излучение]]. При спонтанном излучении возбуждённая система самопроизвольно, без внешних воздействий испускает [[фотон]], характеристики которого ([[частота]], [[Поляризация света|поляризация]], направление распространения) никоим образом не связаны с характеристиками [[фотон]]ов, испускаемых другими частицами. Принципиально иная ситуация наблюдается при вынужденном испускании фотона под воздействием внешнего излучения той же частоты. При этом образуется [[фотон]] с точно теми же свойствами, что и у фотонов, вызвавших его появление, то есть формируется [[Когерентность (физика)|когерентное]] излучение. Наконец, имеет место процесс поглощения фотонов из внешнего излучения, противоположный вынужденному испусканию.

Обычно поглощение преобладает над вынужденным излучением. Если бы можно было добиться обратной ситуации, в веществе произошло бы усиление исходной внешней (вынуждающей) волны. Рассмотрим переходы между уровнями энергии <math>E_i</math> и <math>E_k</math>, характеризуемые частотой <math>\nu</math>, так что <math>h\nu=E_i-E_k^{}</math> (<math>h</math> — [[постоянная Планка]]). Вероятности переходов определяются через т. наз. [[коэффициенты Эйнштейна]] <math>A</math> и <math>B</math>:
* для спонтанных переходов <math>w_{ik}^{s}=A_{ik}</math>,
* для поглощения <math>w_{ki}=B_{ki}\rho_\nu^{}</math>,
* для вынужденного излучения <math>w_{ik}=B_{ik}\rho_\nu^{}</math> (<math>\rho_\nu^{}</math> — спектральная объёмная плотность энергии).
При этом <math>A_{ik}=\frac{8\pi h \nu^3}{c^3}B_{ik}</math>, <math>B_{ki}=B_{ik}=\frac{32 \pi^3}{3} \frac{d_{ik}^2}{h^2}</math> (уровни считаются [[Вырождение (квантовая механика)|невырожденными]]). Изменение плотности энергии [[Электромагнитные волны|электромагнитной волны]] равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населённостей уровней:
: <math>(n_i-n_k)h \nu B_{ik} \rho_\nu^{}</math>.
В состоянии термодинамического равновесия населённости подчиняются распределению Больцмана, так что
: <math>n_i= n_k \exp{(-h \nu/ kT)} < n_k^{}</math>,
поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие <math>n_i>n_k^{}</math>, то есть система оказалась в неравновесном состоянии. Такую ситуацию, когда населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, называют [[Инверсия населённостей|инверсией населённостей]], или системой с [[Отрицательная абсолютная температура|отрицательной температурой]]. Это состояние системы характеризуется отрицательным значением [[показатель поглощения|показателя поглощения]], то есть происходит усиление электромагнитной волны.

Создать [[Инверсия населённостей|инверсию населённостей]] можно лишь затратив энергию — так называемую энергию [[накачка лазера|накачки]]. Среда с инверсией населённостей называется активной. Таким образом, в активной среде можно получить когерентное усиление излучения. Чтобы превратить [[Усилитель (электроника)|усилитель]] в [[Генератор (электроника)|генератор]], необходимо поместить среду в систему [[Положительная обратная связь|положительной обратной связи]], возвращающей часть излучения назад в среду. Для создания обратной связи используются объёмные и открытые [[резонатор]]ы. Наконец, для создания устойчивой генерации необходимо превышение энергии вынужденного излучения над потерями энергии ([[рассеяние света|рассеяние]], нагрев среды, полезное излучение), что приводит к требованию превышения мощности накачки определённого порогового значения.

Феменологическая теория Эйнштейна была построена для случая, когда излучатель находится в свободном пространстве и который излучает в бесконечное число мод пространства. При размещении излучателя в пространство с ограниченным числом мод коэффициенты Эйнштейна <math>A_{ik} , B_{ik}</math> меняются, см. статью о [[Пёрселл-фактор]]е

== Из истории квантовой электроники ==

=== Предпосылки ===
Представление о [[Вынужденное излучение|вынужденном излучении]] было введено [[Эйнштейн, Альберт|А. Эйнштейном]] в [[1917 год]]у на основе [[термодинамика|термодинамических]] соображений и было использовано для получения [[Формула Планка|формулы Планка]]. В [[1940 год]]у [[Фабрикант, Валентин Александрович|В. А. Фабрикант]] предложил использовать вынужденное испускание для усиления света, однако в то время эта идея не была оценена. Непосредственным предшественником квантовой электроники стала [[радиоспектроскопия]], давшая многие экспериментальные методы для работы с молекулярными и атомными пучками ([[Раби, Исидор Айзек|И. Раби]], [[1937]]) и поставившая задачу создания [[квантовый стандарт частоты|квантовых стандартов частоты и времени]]. Также в [[1944 год]]у [[Завойский, Евгений Константинович|Е. К. Завойским]] был открыт [[электронный парамагнитный резонанс]].

=== Мазеры ===
{{Основная статья|Мазер}}

Датой рождения квантовой электроники можно считать [[1954 год]], когда [[Басов, Николай Геннадиевич|Н. Г. Басов]] и [[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохоров]] в [[СССР]] и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и [[Таунс, Чарльз|Ч. Таунс]] (C. H. Townes) в [[США]] создали первый [[квантовый генератор]] ([[мазер]]) на молекулах [[аммиак]]а. Генерация в нём осуществляется на длине волны 1,25 см, соответствующей переходам между состояниями молекул с [[Зеркальная симметрия|зеркально симметричной]] структурой. [[Инверсия населённостей]] достигается за счёт пространственного разделения возбуждённых и невозбуждённых молекул в сильно неоднородном электрическом поле (см. [[эффект Штарка]]). Отсортированный молекулярный пучок пропускается через [[объёмный резонатор]], служащий для осуществления обратной связи. Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например [[водородный мазер|мазер на пучке молекул водорода]]. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты <math>\Delta\nu/\nu \approx 10^{-11}-10^{-13}</math>, что позволяет создавать [[Атомные часы|сверхточные часы]].

Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в [[1955 год]]у [[Басов, Николай Геннадиевич|Н. Г. Басовым]] и [[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохоровым]] метод трёх уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели [[оптическая накачка лазера|оптическую накачку]]. На этой основе в [[1957]]—[[1958 год]]ах [[Сковил, Генри Эвелин|Г. Э. Д. Сковилом]] (H. E. D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на [[рубин]]е), работавшие в радиодиапазоне.

=== Лазеры ===
{{Основная статья|Лазер}}

Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея [[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохорова]] об использовании [[открытый резонатор|открытых резонаторов]] (системы параллельных зеркал, как в [[резонатор Фабри-Перо|резонаторе Фабри-Перо]]), крайне удобных для осуществления [[Накачка лазера|накачки]]. Первый [[рубиновый лазер|лазер на кристалле рубина]], дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан [[Майман, Теодор|Т. Майманом]] (Th. Maiman) в [[1960 год]]у. Оптическая накачка в нём реализуется при помощи импульсных [[газоразрядная лампа|газоразрядных ламп]]. [[Рубиновый лазер]] был первым твердотельным, также выделяются [[лазеры на неодимовом стекле]] и на [[Nd:YAG-лазер|кристаллах граната с неодимом]] (длина волны 1,06 мкм). [[Твердотельные лазеры]] позволили получить генерацию мощных коротких (<math>10^{-9}</math> с) и сверхкоротких (<math>10^{-12}</math> с) импульсов света в схемах [[Модуляция добротности|модуляции добротности]] и [[Синхронизация мод|синхронизации мод резонатора]].

Вскоре [[Джаван, Али|А. Джаван]] (A. Javan) создал первый [[Гелий-неоновый лазер|газовый лазер на смеси атомов гелия и неона]] (длина волны 0,6328 мкм). Накачка в нём осуществляется [[Электронный удар|электронным ударом]] в [[Газовый разряд|газовом разряде]] и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае — [[гелий|гелия]]) основному ([[неон]]у). Среди других типов [[газовый лазер|газовых лазеров]] выделяются мощные лазеры на [[углекислый газ|углекислом газе]] (длина волны 10,6 мкм, вспомогательные газы — [[азот]] и [[гелий]]), [[аргоновый лазер|аргоновые лазеры]] (0,4880 и 0,5145 мкм), [[кадмиевый лазер]] (0,4416 и 0,3250 мкм), [[лазер на парах меди]], [[эксимерный лазер|эксимерные лазеры]] (накачка за счёт распада молекул в основном состоянии), [[химические лазеры]] (накачка за счёт [[Химическая реакция|химических реакций]], например, [[Цепная реакция (химия)|цепной реакции]] соединения [[фтор]]а с [[водород]]ом).

В [[1958 год]]у [[Басов, Николай Геннадиевич|Н. Г. Басов]], [[Вул, Бенцион Моисеевич|Б. М. Вул]] и [[Попов, Юрий Михайлович (физик)|Ю. М. Попов]] заложили основы теории [[Полупроводниковый лазер|полупроводниковых лазеров]], а уже в [[1962 год]]у был создан первый [[инжекционный лазер]] [Р. Холл (R. N. Hall), У. Думке (W. L. Dumke) и др.] Интерес к ним обусловлен простотой в изготовлении, высоким [[КПД]] и возможностью плавной перестройки частоты в широком диапазоне (длина волны излучения определяется шириной [[Запрещённая зона|запрещённой зоны]]). Существенным результатом является также создание в [[1968 год]]у [[гетеролазер|лазеров на полупроводниковых гетероструктурах]].

В конце [[1960-е|1960-х]] были разработаны и созданы [[Лазеры на красителях|лазеры на молекулах органических красителей]], обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов ([[Призма (оптика)|призмы]], [[дифракционная решётка]]). Набор из нескольких [[краситель|красителей]] позволяет охватить весь оптический диапазон.

== Применения квантовой электроники ==
* [[Мазер]]ы позволили улучшить чувствительность и стабильность работы радиоустройств, что нашло применение в [[радиоастрономия|радиоастрономии]] (открытие [[Реликтовое излучение|реликтового излучения]] и [[Межзвёздный газ|межзвёздного водорода]]) и [[Космическая связь|космической связи]].
* [[Лазер]]ы позволили достичь [[Напряжённость электрического поля|напряжённостей электрического поля]], сравнимых с внутриатомными, при которых свойства вещества начинают зависеть от [[Интенсивность света|интенсивности световой волны]]: проявляются эффекты [[нелинейная оптика|нелинейной оптики]]. Они позволяют исследовать вещество и управлять характеристиками светового пучка ([[многофотонные процессы]], явления [[Насыщение|насыщения]] и [[самоиндуцированная прозрачность|резонансного просветления]], [[генерация гармоник]], суммарной и разностной частоты, [[параметрическая генерация света]], явления [[самофокусировка света|самофокусировки]], [[вынужденное рассеяние света]] и т. д.)
* [[Лазер]]ы используются для создания и управления высокотемпературной [[Плазма (агрегатное состояние)|плазмы]], в том числе для целей [[Управляемый термоядерный синтез|термоядерного синтеза]].
* Квантовая электроника привела к существенному повышению разрешения спектроскопических систем ([[лазерная спектроскопия]]).
* [[Монохроматическое излучение|Монохроматичность лазерного излучения]] даёт возможность селективного воздействия на вещество, что находит применение в [[фотохимия|фотохимии]] и [[фотобиология|фотобиологии]], лазерной очистке и [[лазерное разделение изотопов|лазерном разделении изотопов]].
* Использование квантовой электроники в [[метрология|метрологии]] для создания [[квантовый стандарт частоты|квантовых стандартов частоты и времени]], [[Лазерный дальномер|лазерных дальномеров]], систем дистанционного химического анализа, [[Лазерная локация|лазерной локации]].
* [[Лазер]]ы широко используются в системах [[оптическая связь|оптической связи]] и [[оптическая обработка информации|обработки информации]], в которых сочетаются принципы [[волоконная оптика|волоконной]] и [[интегральная оптика|интегральной оптики]].
* Высокая степень [[когерентность|когерентности]] лазерных источников позволила осуществить идею [[голография|голографии]] и голографических приборов.
* [[Лазер]]ы находят множество применений в [[медицина|медицине]] ([[хирургия]], [[офтальмология]] и т. д.) и технологии ([[сварка]], резка и т. д.).

== Литература ==
{{оформить литературу|дата=2010-01-17}}

=== Общие сведения и научно-популярная литература ===
* Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1969.
* ''[[Пекара, Аркадиуш Хенрик|А. Пекара]].'' Новый облик оптики. — М.: Советское радио, 1973.
* ''[[Карлов, Николай Васильевич|Н. В. Карлов]].'' Квантовая электроника. // Физика микромира: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1980. — С. 200—217.
* ''М. Е. Жаботинский.'' [http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1566.html Квантовая электроника.] {{Wayback|url=http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1566.html |date=20091004043029 }} // Физическая энциклопедия. — Т. 2 — М.: СЭ, 1990. — С. 319—320.

=== Монографии ===
* ''[[Карлов, Николай Васильевич|Н. В. Карлов]], А. А. Маненков.'' Квантовые усилители. — М.: 1966.
* ''[[Бломберген, Николас|Н. Бломберген]].'' Нелинейная оптика. — М.: 1966.
* ''В. В. Григорьянц, М. Е. Жаботинский, В. Ф. Золин.'' Квантовые стандарты частоты. — М.: 1968
* ''Р. Пантел, Г. Путхоф.'' Основы квантовой электроники. — М.: Мир, 1972.
* ''Ф. Цернике, Дж. Мидвинтер.'' Прикладная нелинейная оптика. — М.: Мир, 1976.
* ''А. Ярив.'' Квантовая электроника. — М.: Советское радио, 1980.
* ''[[Ахманов, Сергей Александрович|С. А. Ахманов]], [[Коротеев, Николай Иванович (физик)|Н. И. Коротеев]].'' Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. — М.: 1981.
* ''О. Звелто.'' Принципы лазеров. — М.: Мир, 1984.
* ''И. Р. Шен.'' Принципы нелинейной оптики. — М.: 1989.

=== Статьи ===
* {{Статья:УФН-57-3:Молекулярный генератор и усилитель}}
* {{статья|автор=[[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохоров]].|заглавие=Квантовая электроника|ссылка=http://www.ufn.ru/ufn65/ufn65_4/Russian/r654b.pdf|издание=[[УФН]]|год=1965|том=85|номер=4|страницы=599—604}}
* {{статья|автор=[[Шавлов, Артур Леонард|А. Шавлов]].|заглавие=Современные оптические квантовые генераторы|ссылка=http://ufn.ru/ufn63/ufn63_12/Russian/r6312d.pdf|издание=[[УФН]]|год=1963|том=81|номер=12}}
* {{статья|автор=[[Басов, Николай Геннадиевич|Н. Г. Басов]].|заглавие=Полупроводниковые квантовые генераторы|ссылка=http://ufn.ru/ufn65/ufn65_4/Russian/r654a.pdf|издание=[[УФН]]|год=1965|том=85|номер=4}}
* {{статья|автор=[[Таунс, Чарльз|Ч. Таунс]].|заглавие=Получение когерентного излучения с помощью атомов и молекул|ссылка=http://ufn.ru/ru/articles/1966/3/d/|издание=[[УФН]]|год=1966|том=88|номер=3}}
* {{статья|автор=[[Таунс, Чарльз|Ч. Таунс]].|заглавие=Квантовая электроника и технический прогресс|ссылка=http://ufn.ru/ufn69/ufn69_5/Russian/r695g.pdf|издание=[[УФН]]|год=1969|том=98|номер=5}}
* {{Статья:УФН-118-4:Лазерное разделение изотопов}}
* {{статья|автор=[[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохоров]], [[Карлов, Николай Васильевич|Н. В. Карлов]].|заглавие=Квантовая электроника и Эйнштейновская теория излучения|ссылка=http://ufn.ru/ufn79/ufn79_7/Russian/r797e.pdf|издание=[[УФН]]|год=1979|том=128|номер=3}}
* {{статья|автор=[[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохоров]].|заглавие=К 25-летнему юбилею лазера|ссылка=http://ufn.ru/ufn86/ufn86_1/Russian/r861a.pdf|издание=[[УФН]]|год=1986|том=148|номер=1}}
* {{статья|автор=А. А. Маненков.|заглавие=О роли электронного парамагнитного резонанса в становлении и развитии квантовой электроники: факты и комментарии|ссылка=http://ufn.ru/ufn06/ufn06_6/Russian/r066h.pdf|издание=[[УФН]]|год=2006|том=176|номер=6}}

== Ссылки ==
* [http://www.quantum-electron.ru/pa.phtml?page=geninfo Журнал «Квантовая электроника»] {{Wayback|url=http://www.quantum-electron.ru/pa.phtml?page=geninfo |date=20070403005040 }}.
* [http://www.nsu.ru/srd/lls/russian/lls-teach.htm Термины и электронные книги по квантовой электронике] {{Wayback|url=http://www.nsu.ru/srd/lls/russian/lls-teach.htm |date=20090410191557 }}.

{{Библиоинформация}} 

[[Категория:Лазерная физика]]
[[Категория:Электроника]]
[[Категория:Квантовая электроника|*]]