Kvantová elektronika

Kvantová elektronika je obor fyziky , který studuje metody zesilování a generování elektromagnetického záření založené na využití fenoménu stimulované emise v nerovnovážných kvantových systémech , dále vlastnosti takto získaných zesilovačů a generátorů a jejich aplikace v elektronických zařízeních . .

Fyzikální základy kvantové elektroniky

Z pohledu klasické elektroniky se generování elektromagnetického záření provádí díky kinetické energii volných elektronů pohybujících se ve shodě v oscilačním obvodu . V souladu s koncepty kvantové elektroniky je energie záření odebírána z vnitřní energie kvantových systémů ( atomů , molekul , iontů ), uvolněné při radiačních přechodech mezi jejich energetickými hladinami . Existují dva typy radiačních přechodů - spontánní emise a stimulovaná emise . Při spontánní emisi vybuzený systém spontánně, bez vnějších vlivů, emituje foton , jehož charakteristiky ( frekvence , polarizace , směr šíření) nijak nesouvisí s charakteristikami fotonů emitovaných jinými částicemi. Zásadně odlišná situace je pozorována v případě stimulované emise fotonu pod vlivem vnějšího záření o stejné frekvenci. V tomto případě se vytvoří foton s přesně stejnými vlastnostmi, jaké mají fotony, které způsobily jeho vzhled, to znamená, že se vytvoří koherentní záření. Nakonec dochází k procesu absorpce fotonů z vnějšího záření, který je opačný než stimulovaná emise.

Obvykle absorpce převažuje nad stimulovanou emisí. Pokud by se podařilo dosáhnout opačné situace, došlo by v látce k zesílení počáteční vnější (vynucovací) vlny. Uvažujme přechody mezi energetickými hladinami a , charakterizované frekvencí , takže ( je Planckova konstanta ). Přechodové pravděpodobnosti jsou definovány pomocí tzv. Einsteinovy koeficienty a : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $A$ $B$

pro spontánní přechody , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
pro absorpci , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
pro stimulovanou emisi ( je spektrální objemová hustota energie). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

V tomto případě (předpokládá se , že úrovně nejsou degenerované ). Změna hustoty energie elektromagnetické vlny se rovná rozdílu mezi energií emitovanou a absorbovanou v nucených procesech a je úměrná rozdílu v populacích úrovní: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

{\displaystyle (n_{i}-n_{k})h\nu B_{ik}\rho _{\nu }^{))

Ve stavu termodynamické rovnováhy sledují populace Boltzmannovo rozdělení, takže

n_{i}=n_{k}\exp {(-h\nu /kT)}<n_{k}^{}

proto je energie absorbována systémem a vlna je utlumena. Aby byla vlna zesílena, je nutné, aby byla splněna podmínka , to znamená, že systém je v nerovnovážném stavu. Taková situace, kdy je populace horní úrovně větší než dolní, se nazývá inverze populace nebo systém se zápornou teplotou . Tento stav systému je charakterizován zápornou hodnotou indexu absorpce , to znamená, že elektromagnetická vlna je zesílena. $n_{i}>n_{k}^{}$

Populační inverzi můžete vytvořit pouze utrácením energie - tzv. pump energy . Médium s inverzí populace se nazývá aktivní. Tak je možné získat koherentní zesílení záření v aktivním prostředí. Pro přeměnu zesilovače na generátor je nutné umístit médium do systému pozitivní zpětné vazby, který vrací část záření zpět do média. K vytvoření zpětné vazby se používají objemové a otevřené rezonátory . Konečně pro vytvoření stabilní výroby je nutné překročit energii stimulované emise nad energetickými ztrátami ( rozptyl , ohřev média, užitečné záření), což vede k požadavku, aby výkon čerpadla překročil určitou prahovou hodnotu.

Einsteinova fenomenologická teorie byla konstruována pro případ, kdy je emitor ve volném prostoru a který vyzařuje do nekonečného množství prostorových módů. Při umístění zářiče do prostoru s omezeným počtem režimů se mění Einsteinovy koeficienty , viz článek o Purcellově faktoru $A_{ik},B_{ik}$

Z historie kvantové elektroniky

Pozadí

Koncept stimulované emise zavedl A. Einstein v roce 1917 na základě termodynamických úvah a byl použit k získání Planckova vzorce . V roce 1940 V. A. Fabrikant navrhl použití stimulované emise k zesílení světla, ale tato myšlenka nebyla v té době oceněna. Bezprostředním předchůdcem kvantové elektroniky byla radiová spektroskopie , která poskytla mnoho experimentálních metod pro práci s molekulárními a atomovými paprsky ( I. Rabi , 1937 ) a dala za úkol vytvořit kvantové frekvenční a časové standardy . Také v roce 1944 E. K. Zavoisky objevil elektronovou paramagnetickou rezonanci .

Masers

Za datum zrodu kvantové elektroniky lze považovat rok 1954 , kdy N. G. Basov a A. M. Prochorov v SSSR a nezávisle na sobě J. Gordon, H. Zeiger a C. Townes ve Spojených státech amerických vytvořili první kvantový generátor ( maser ) na bázi molekul amoniaku . . Generování v něm probíhá při vlnové délce 1,25 cm, což odpovídá přechodům mezi stavy molekul se zrcadlově symetrickou strukturou. Populační inverze je dosaženo díky prostorovému oddělení excitovaných a nevybuzených molekul ve vysoce nehomogenním elektrickém poli (viz Starkův efekt ). Vytříděný molekulární paprsek prochází dutinovým rezonátorem , který slouží k realizaci zpětné vazby. Následně byly vytvořeny další molekulární generátory, jako je vodíkový paprsek maser . Moderní masery umožňují dosáhnout frekvenční stability , což umožňuje vytvářet ultra přesné hodiny . $\Delta \nu /\nu \cca 10^{-11}-10^{-13}$

Dalším důležitým krokem ve vývoji kvantové elektroniky byla tříúrovňová metoda navržená v roce 1955 N. G. Basovem a A. M. Prochorovem , která umožnila výrazně zjednodušit dosažení inverze a využít k tomuto účelu optické čerpání . Na tomto základě v letech 1957 - 1958 G. E. D. Skovil (HED Scovil) a další vytvořili kvantové zesilovače na bázi paramagnetických krystalů (např. rubín ), pracující v rádiovém rozsahu.

Lasery

Pro pokrok kvantových generátorů v oblasti optických frekvencí se obrátila myšlenka A. M. Prochorova o použití otevřených rezonátorů (systém paralelních zrcadel, jako u Fabryho-Perotova rezonátoru ), který je mimořádně vhodný pro čerpání . být důležitý . První laser na rubínovém krystalu , který dával záření o vlnové délce 0,6934 μm, vytvořil Th. Maiman v roce 1960 . Optické čerpání je v něm realizováno pomocí pulzních plynových výbojek . Rubínový laser byl prvním pevnolátkovým laserem a vynikají také lasery na bázi neodymového skla a neodymových granátových krystalů (vlnová délka 1,06 μm). Pevné lasery umožnily získat generování vysoce výkonných krátkých ( s) a ultrakrátkých ( s) světelných pulsů v obvodech Q-spínání a blokování režimu rezonátoru . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Brzy A. Javan vytvořil první plynový laser založený na směsi atomů helia a neonu (vlnová délka 0,6328 µm). Čerpání v něm probíhá nárazem elektronů v plynovém výboji a rezonančním přenosem energie z pomocného plynu (v tomto případě helia ) na hlavní ( neon ). Mezi další typy plynových laserů patří výkonné oxidy uhličité (vlnová délka 10,6 μm, pomocné plyny - dusík a helium ), argonové lasery (0,4880 a 0,5145 μm), kadmiové lasery ( 0,4416 a 0,3250 mikronů), parní měděné lasery ( excimerové lasery v důsledku rozpadu molekul v základním stavu), chemické lasery (čerpání v důsledku chemických reakcí , například řetězová reakce sloučenin fluoru a vodíku ).

V roce 1958 položili N. G. Basov , B. M. Vul a Yu. M. Popov základy teorie polovodičových laserů a již v roce 1962 byl vytvořen první injekční laser [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) a další] Zájem o ně je dán jednoduchostí výroby, vysokou účinností a možností plynulého frekvenčního ladění v širokém rozsahu (vlnová délka záření je dána pásmem mezera ). Dalším významným výsledkem je v roce 1968 vytvoření laserů na bázi polovodičových heterostruktur .

Koncem 60. let byly vyvinuty a vytvořeny lasery s molekulami organického barviva , které mají extrémně široké pásmo zisku, což umožňuje plynule ladit generační frekvenci při použití disperzních prvků ( hranolů , difrakční mřížky ). Sada několika barviv umožňuje pokrýt celý optický rozsah.

Aplikace kvantové elektroniky

Masery umožnily zlepšit citlivost a stabilitu rádiových zařízení, což našlo uplatnění v radioastronomii (objev kosmického mikrovlnného pozadí a mezihvězdného vodíku ) a vesmírné komunikaci .
Lasery umožnily dosáhnout sil elektrického pole srovnatelných s intraatomárními, při nichž vlastnosti hmoty začínají záviset na intenzitě světelné vlny : objevují se efekty nelineární optiky . Umožňují studovat hmotu a řídit charakteristiky světelného paprsku ( multifotonové procesy , jevy saturace a rezonančního bělení , generování harmonických , součtové a rozdílové frekvence, parametrické generování světla , samozaostřovací jevy , stimulovaný rozptyl světla atd.)
Lasery se používají k vytváření a řízení vysokoteplotního plazmatu , mimo jiné pro účely termonukleární fúze .
Kvantová elektronika vedla k výraznému zvýšení rozlišení spektroskopických systémů ( laserová spektroskopie ).
Monochromatičnost laserového záření umožňuje selektivně působit na látku, která se využívá ve fotochemii a fotobiologii , laserovém čištění a laserové separaci izotopů .
Využití kvantové elektroniky v metrologii k vytvoření kvantových frekvenčních a časových standardů , laserové dálkoměry , vzdálené systémy chemické analýzy, lokalizace laseru .
Lasery jsou široce používány v optických komunikacích a systémech zpracování informací , které kombinují principy vláknové a integrované optiky .
Vysoký stupeň koherence laserových zdrojů umožnil realizovat myšlenku holografie a holografických zařízení.
Lasery mají mnoho aplikací v medicíně ( chirurgie , oftalmologie atd.) a technologii ( svařování , řezání atd.).

Literatura

Obecné informace a populárně naučná literatura

Kvantová elektronika: Malá encyklopedie. — M.: SE, 1969.
A. Pekař . Nový pohled na optiku. — M.: Sovětský rozhlas, 1973.
N. V. Karlov . Kvantová elektronika. // Fyzika mikrokosmu: Malá encyklopedie. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Žabotinský. Kvantová elektronika. Archivováno 4. října 2009 na Wayback Machine // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M.: SE, 1990. - S. 319-320.

Monografie

N. V. Karlov , A. A. Manenkov. kvantové zesilovače. — M.: 1966.
N. Blombergen . Nelineární optika. — M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Žabotinský, V. F. Zolin. Kvantové frekvenční standardy. — M.: 1968
R. Pantel, G. Puthoff. Základy kvantové elektroniky. — M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midwinter. Aplikovaná nelineární optika. — M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Kvantová elektronika. — M.: Sovětský rozhlas, 1980.
S. A. Achmanov a N. I. Korotějev Metody nelineární optiky ve spektroskopii rozptylu světla. — M.: 1981.
O. Zvelto. Principy laserů. — M.: Mir, 1984.
I. R. Shen. Principy nelineární optiky. — M.: 1989.

Články

A. M. Prochorov , N. G. Basov . Molekulární generátor a zesilovač //UFN. —1955. -T. 57,č. 3. -S. 485-501.
A. M. Prochorov . Kvantová elektronika // UFN . - 1965. - T. 85 , č. 4 . - S. 599-604 .
A. Shavlov . Moderní optické kvantové generátory // UFN . - 1963. - T. 81 , č. 12 .
N. G. Basov . Polovodičové kvantové generátory // UFN . - 1965. - T. 85 , č. 4 .
C. Města . Získání koherentního záření pomocí atomů a molekul // UFN . - 1966. - T. 88 , č. 3 .
C. Města . Kvantová elektronika a technický pokrok // UFN . - 1969. - T. 98 , č. 5 .
N. V. Karlov , A. M. Prochorov . Laserová separace izotopů //UFN. —1976. -T. 118,č. 4. -S. 583-609.
A. M. Prochorov , N. V. Karlov . Kvantová elektronika a Einsteinova teorie záření // UFN . - 1979. - T. 128 , č. 3 .
A. M. Prochorov . K 25. výročí laseru // UFN . - 1986. - T. 148 , č. 1 .
A. A. MANENKOV O roli elektronové paramagnetické rezonance při vzniku a vývoji kvantové elektroniky: fakta a komentáře // Phys . - 2006. - T. 176 , č. 6 .

Odkazy

Journal of Quantum Electronics Archivováno 3. dubna 2007 na Wayback Machine .
Termíny a elektronické knihy Quantum Electronics Archivovány 10. dubna 2009 na Wayback Machine .

Slovníky a encyklopedie	Velký Rus
V bibliografických katalozích	NDL : 00569866 NKC : ph520068