КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

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).