Введение в квантовую электронику

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про квантовая электроника, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое квантовая электроника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Квантовая электроника.

квантовая электроника — область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойства получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения в электронных приборах.

Физические основы квантовой электроники

С точки зрения классической электроники генерация электромагнитного излучения осуществляется за счет кинетической энергии свободных электронов, согласованно движущихся в колебательном контуре. В соответствии с представлениями квантовой электроники энергия излучения берется из внутренней энергии квантовых систем (атомов, молекул, ионов), высвобождаемой при излучательных переходах между ее уровнями энергии. Излучательные переходы бывают двух видов — спонтанное излучение и вынужденное излучение. При спонтанном излучении возбужденная система самопроизвольно, без внешних воздействий испускает фотон, характеристики которого (частота, поляризация, направление распространения) никоим образом не связаны с характеристиками фотонов, 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 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 и , характеризуемые частотой , так что ( — постоянная Планка). Вероятности переходов определяются через т. наз. коэффициенты Эйнштейна и :

• для спонтанных переходов ,
• для поглощения ,
• для вынужденного излучения ( — спектральная объемная плотность энергии).

При этом , (уровни считаются невырожденными). Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населенностей уровней:

.

В состоянии термодинамического равновесия населенности подчиняются распределению Больцмана, так что

,

поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие , то есть система оказалась в неравновесном состоянии. Такую ситуацию, когда населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, называют инверсией населенностей, или системой с отрицательной температурой. Это состояние системы характеризуется отрицательным значением показателя поглощения, то есть происходит усиление электромагнитной волны.

Создать инверсию населенностей можно лишь затратив энергию — так называемую энергию накачки. Среда с инверсией населенностей называется активной. Таким образом, в активной среде можно получить когерентное усиление излучения. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо поместить среду в систему положительной обратной связи, возвращающей часть излучения назад в среду. Для создания обратной связи используются объемные и открытые резонаторы. Наконец, для создания устойчивой генерации необходимо превышение энергии вынужденного излучения над потерями энергии (рассеяние, нагрев среды, полезное излучение), что приводит к требованию превышения мощности накачки определенного 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 меняются, см. статью о Перселл-факторе

Концепции квантовой теории

Согласно квантовой теории , свет можно рассматривать не только как электромагнитную волну, но также как «поток» частиц, называемых фотонами, которые движутся со скоростью c , скоростью света в вакууме . Эти частицы следует рассматривать не как классические бильярдные шары , а как квантово-механические частицы, описываемые волновой функцией, распределенной по конечной области.

Каждая частица несет один квант энергии, равный hf , где h - постоянная Планка, а f - частота света. Эта энергия, которой обладает одиночный фотон, точно соответствует переходу между дискретными энергетическими уровнями в атоме (или другой системе), который испустил фотон; Материальное поглощение фотона - обратный процесс. Объяснение Эйнштейном спонтанного излучения также предсказало существование вынужденного излучения - принципа, на котором основан лазер . Однако фактическое изобретение мазера (и лазера) много лет спустя зависело от метода получения инверсной населенности..

Использование статистической механики является фундаментальным для концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, то есть на языке квантовой электродинамики .

Часто встречающимся состоянием светового поля является когерентное состояние , введенное Джорджем Сударшаном в 1960 году. Это состояние, которое можно использовать для приближенного описания выходной мощности одночастотного лазера значительно выше лазерного порога, демонстрирует пуассоновское число фотонов. статистика. Посредством определенных нелинейных взаимодействий когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние , применяя оператор сжатия, который может демонстрировать супер- или субпуассоновскую статистику фотонов. Такой свет называется сжатым светом.. Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляциями статистики фотонов между разными пучками. Например, спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты может генерировать так называемые «двойные лучи», где (в идеале) каждый фотон одного луча связан с фотоном другого луча.

Атомы рассматриваются как квантово-механические осцилляторы с дискретным энергетическим спектром , причем переходы между собственными состояниями энергии обусловлены поглощением или излучением света в соответствии с теорией Эйнштейна.

Для твердого тела используются модели энергетических зон физики твердого тела . Это важно для понимания того, как свет обнаруживается твердотельными устройствами, обычно используемыми в экспериментах.

Из истории квантовой электроники

Предпосылки

Представление о вынужденном излучении было введено А. Эйнштейном в 1917 году на основе термодинамических соображений и было использовано для получения формулы Планка. В 1940 году 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 (И. Раби, 1937) и поставившая задачу создания квантовых стандартов частоты и времени. Также в 1944 году Е. К. Завойским был открыт электронный парамагнитный резонанс.

Мазеры

Датой рождения квантовой электроники можно считать 1954 год, когда Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в СССР и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и Ч. Таунс (C. H. Townes) в США создали первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака. Генерация в нем осуществляется на длине волны 1,25 см, соответствующей переходам между состояниями молекул с зеркально симметричной структурой. Инверсия населенностей достигается за счет пространственного разделения возбужденных и невозбужденных молекул в сильно неоднородном электрическом поле (см. эффект Штарка). Отсортированный молекулярный пучок пропускается через объемный резонатор, служащий для осуществления обратной связи. Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты , что позволяет создавать сверхточные часы.

Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 году Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым метод трех уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957—1958 годах Г. Э. Д. Сковилом (H. E. D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на рубине), работавшие в радиодиапазоне.

Лазеры и Свойства лазерного излучения.

Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея А. М. Прохорова об использовании открытых резонаторов (системы параллельных зеркал, как в резонаторе Фабри-Перо), крайне удобных для осуществления накачки. Первый лазер на кристалле рубина, дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан Т. Майманом (Th. Maiman) в 1960 году. Оптическая накачка в нем реализуется при помощи импульсных газоразрядных ламп. Рубиновый лазер был первым твердотельным, также выделяются лазеры на неодимовом стекле и на кристаллах граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм). Твердотельные лазеры позволили получить генерацию мощных коротких ( с) и сверхкоротких ( с) импульсов света в схемах модуляции добротности и синхронизации мод резонатора.

Вскоре А. Джаван (A. Javan) создал первый газовый лазер на смеси атомов гелия и неона (длина волны 0,6328 мкм). Накачка в нем осуществляется электронным ударом в газовом разряде и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае — гелия) основному (неону). Среди других типов газовых лазеров выделяются мощные лазеры на углекислом газе (длина волны 10,6 мкм, вспомогательные газы — азот и гелий), аргоновые лазеры (0,4880 и 0,5145 мкм), кадмиевый лазер (0,4416 и 0,3250 мкм), лазер на парах меди, эксимерные лазеры (накачка за счет распада молекул в основном состоянии), химические лазеры (накачка за счет химических реакций, например, цепной реакции соединения фтора с водородом).

В 1958 году Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов заложили основы теории полупроводниковых лазеров, а уже в 1962 году 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 запрещенной зоны). Существенным результатом является также создание в 1968 году лазеров на полупроводниковых гетероструктурах.

В конце 1960-х были разработаны и созданы лазеры на молекулах органических красителей, обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов (призмы, дифракционная решетка). Набор из нескольких красителей позволяет охватить весь оптический диапазон.

Статью про квантовая электроника я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое квантовая электроника и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Квантовая электроника