Kvantelektronik

Kvantelektronik är ett fysikområde som studerar metoder för att förstärka och generera elektromagnetisk strålning baserade på användningen av fenomenet stimulerad emission i icke-jämviktiga kvantsystem , såväl som egenskaperna hos förstärkare och generatorer som erhålls på detta sätt och deras tillämpning i elektroniska enheter. .

Fysiska grunder för kvantelektronik

Ur klassisk elektroniks synvinkel utförs genereringen av elektromagnetisk strålning på grund av den kinetiska energin hos fria elektroner som rör sig i samverkan i en oscillerande krets . I enlighet med begreppen kvantelektronik tas strålningsenergin från den inre energin i kvantsystemen ( atomer , molekyler , joner ), som frigörs under strålningsövergångar mellan dess energinivåer . Det finns två typer av strålningsövergångar - spontan emission och stimulerad emission . Med spontan emission avger ett exciterat system spontant, utan yttre påverkan, en foton , vars egenskaper ( frekvens , polarisation , utbredningsriktning) inte på något sätt är relaterade till egenskaperna hos fotoner som emitteras av andra partiklar. En fundamentalt annorlunda situation observeras i fallet med stimulerad emission av en foton under påverkan av extern strålning med samma frekvens. I det här fallet bildas en foton med exakt samma egenskaper som de för fotonerna som orsakade dess uppkomst, det vill säga koherent strålning bildas. Slutligen finns det en process för absorption av fotoner från extern strålning, vilket är motsatsen till stimulerad emission.

Vanligtvis dominerar absorption över stimulerad emission. Om den motsatta situationen kunde uppnås skulle den initiala externa (tvingande) vågen förstärkas i substansen. Betrakta övergångar mellan energinivåer och , som kännetecknas av frekvens , så att ( är Plancks konstant ). Övergångssannolikheterna definieras genom den sk. Einstein-koefficienter och : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $A$ $B$

för spontana övergångar , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
för absorption , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
för stimulerad emission ( är den spektrala volymetriska energitätheten). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

I det här fallet , (nivåerna antas vara icke- degenererade ). Förändringen i energitätheten för en elektromagnetisk våg är lika med skillnaden mellan den energi som emitteras och absorberas i forcerade processer och är proportionell mot skillnaden i nivåpopulationer: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

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

I ett tillstånd av termodynamisk jämvikt följer populationerna Boltzmannfördelningen, så att

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

därför absorberas energin av systemet och vågen dämpas. För att vågen ska förstärkas är det nödvändigt att villkoret är uppfyllt , det vill säga systemet är i ett icke-jämviktstillstånd. En sådan situation, när befolkningen på den övre nivån är större än den lägre, kallas populationsinversion , eller ett system med en negativ temperatur . Detta tillstånd av systemet kännetecknas av ett negativt värde på absorptionsindexet , det vill säga den elektromagnetiska vågen förstärks. $n_{i}>n_{k}^{}$

Du kan skapa en befolkningsinversion endast genom att spendera energi - den så kallade pumpenergin . Ett medium med populationsinversion kallas aktivt. Således är det möjligt att erhålla koherent förstärkning av strålning i det aktiva mediet. För att förvandla förstärkaren till en generator är det nödvändigt att placera mediet i ett positivt återkopplingssystem som returnerar en del av strålningen tillbaka till mediet. För att skapa feedback används volymetriska och öppna resonatorer . Slutligen, för att skapa stabil produktion, är det nödvändigt att överskrida energin för stimulerad emission över energiförluster ( spridning , uppvärmning av mediet, användbar strålning), vilket leder till kravet att pumpeffekten överstiger ett visst tröskelvärde.

Einsteins fenomenologiska teori konstruerades för fallet när sändaren befinner sig i det fria rummet och som strålar in i ett oändligt antal rymdlägen. När man placerar en sändare i ett utrymme med ett begränsat antal lägen ändras Einstein-koefficienterna, se artikeln om Purcell-faktorn $A_{ik},B_{ik}$

Från kvantelektronikens historia

Bakgrund

Begreppet stimulerad emission introducerades av A. Einstein 1917 på grundval av termodynamiska överväganden och användes för att få fram Plancks formel . 1940 föreslog V. A. Fabrikant att man skulle använda stimulerad emission för att förstärka ljus, men denna idé uppskattades inte vid den tiden. Den omedelbara föregångaren till kvantelektronik var radiospektroskopi , som gav många experimentella metoder för att arbeta med molekylära och atomära strålar ( I. Rabi , 1937 ) och satte uppgiften att skapa kvantfrekvens- och tidsstandarder . Också 1944 upptäckte E.K. Zavoisky elektron paramagnetisk resonans .

Masers

Födelsedatumet för kvantelektronik kan betraktas som 1954 , när N. G. Basov och A. M. Prokhorov i Sovjetunionen och oberoende J. Gordon, H. Zeiger och C. Townes i USA skapade den första kvantgeneratorn ( maser ) baserad på ammoniakmolekyler . Generering i den utförs vid en våglängd av 1,25 cm, vilket motsvarar övergångar mellan tillstånden hos molekyler med en spegelsymmetrisk struktur. Populationsinversion uppnås på grund av den rumsliga separationen av exciterade och oexciterade molekyler i ett mycket inhomogent elektriskt fält (se Stark-effekt ). Den sorterade molekylstrålen leds genom en kavitetsresonator , som tjänar till att implementera återkoppling. Därefter skapades andra molekylära generatorer, såsom vätestrålemasern . Moderna masers gör det möjligt att uppnå frekvensstabilitet , vilket gör det möjligt att skapa ultraprecisa klockor . $\Delta \nu /\nu \approx 10^{-11}-10^{-13}$

Nästa viktiga steg i utvecklingen av kvantelektronik var trenivåmetoden som föreslogs 1955 av N. G. Basov och A. M. Prokhorov , vilket gjorde det möjligt att avsevärt förenkla uppnåendet av inversion och använda optisk pumpning för detta ändamål . På grundval av detta, 1957 - 1958, skapade G. E. D. Skovil (HED Scovil) och andra kvantförstärkare baserade på paramagnetiska kristaller (till exempel rubin ), som arbetade i radioområdet.

Lasrar

För att främja kvantgeneratorer i området för optiska frekvenser, vände idén om A. M. Prokhorov om användningen av öppna resonatorer (ett system av parallella speglar, som i Fabry-Perot-resonatorn ), som är extremt bekvämt för pumpning . ut att vara viktig . Den första lasern på en rubinkristall , som gav strålning vid en våglängd på 0,6934 μm, skapades av Th. Maiman 1960 . Optisk pumpning i den implementeras med hjälp av pulserande gasurladdningslampor . Rubinlasern var den första halvledarlasern, och lasrar baserade på neodymglas och neodymgranatkristaller (våglängd 1,06 μm) sticker också ut. Solid-state lasrar gjorde det möjligt att erhålla generering av högeffekts korta ( s) och ultrakorta ( s) ljuspulser i Q-switching och resonator mode-låsningskretsar . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Snart skapade A. Javan den första gaslasern baserad på en blandning av helium- och neonatomer (våglängd 0,6328 µm). Pumpning i den utförs genom elektronpåverkan i en gasurladdning och resonansenergiöverföring från hjälpgasen (i detta fall helium ) till huvudgasen ( neon ). Bland andra typer av gaslasrar kan nämnas kraftfulla koldioxidlasrar (våglängd 10,6 μm, hjälpgaser - kväve och helium ), argonlasrar (0,4880 och 0,5145 μm), kadmiumlaser (0,4416 och 0,3250 μm , kopparpumpslasrar ) , på grund av sönderfallet av molekyler i grundtillståndet), kemiska lasrar (pumpning på grund av kemiska reaktioner , till exempel en kedjereaktion av fluor - väteföreningar ).

År 1958 lade N. G. Basov , B. M. Vul och Yu. M. Popov grunden för teorin om halvledarlasrar , och redan 1962 skapades den första injektionslasern [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) och andra] Intresset för dem beror på enkel tillverkning, hög effektivitet och möjligheten till smidig frekvensinställning över ett brett område (strålningens våglängd bestäms av bandet gap ). Ett annat betydande resultat är skapandet 1968 av lasrar baserade på halvledarheterostrukturer .

I slutet av 1960 -talet utvecklades och skapades organiska färgämnesmolekyllasrar , som har ett extremt brett förstärkningsband, vilket gör det möjligt att smidigt ställa in genereringsfrekvensen när man använder dispersiva element ( prismor , diffraktionsgitter ). En uppsättning med flera färgämnen gör att du kan täcka hela det optiska området.

Tillämpningar av kvantelektronik

Masers har gjort det möjligt att förbättra känsligheten och stabiliteten hos radioenheter, vilket har funnit tillämpning inom radioastronomi (upptäckt av kosmisk mikrovågsbakgrund och interstellärt väte ) och rymdkommunikation .
Lasrar gjorde det möjligt att uppnå elektriska fältstyrkor som är jämförbara med intraatomära, där materiens egenskaper börjar bero på ljusvågens intensitet : effekterna av olinjär optik uppträder . De tillåter en att studera materia och kontrollera egenskaperna hos en ljusstråle ( multifotonprocesser , mättnads- och resonansblekningsfenomen , generering av övertoner , summa- och skillnadsfrekvenser, parametrisk ljusgenerering , självfokuserande fenomen , stimulerad ljusspridning , etc.)
Lasrar används för att skapa och kontrollera högtemperaturplasma , inklusive för termonukleär fusion .
Kvantelektronik har lett till en betydande ökning av upplösningen av spektroskopiska system ( laserspektroskopi ).
Laserstrålningens monokromaticitet gör det möjligt att selektivt påverka ett ämne, som används inom fotokemi och fotobiologi , laserrening och laserisotopseparation .
Användningen av kvantelektronik inom metrologi för att skapa kvantfrekvens- och tidsstandarder , laseravståndsmätare , fjärranalyssystem för kemiska analyser, laserlokalisering .
Lasrar används ofta i optisk kommunikation och informationsbehandlingssystem , som kombinerar principerna för fiber och integrerad optik .
Den höga graden av koherens hos laserkällor gjorde det möjligt att implementera idén om holografi och holografiska enheter.
Lasrar har många tillämpningar inom medicin ( kirurgi , oftalmologi , etc.) och teknik ( svetsning , skärning, etc.).

Litteratur

Allmän information och populärvetenskaplig litteratur

Quantum Electronics: Little Encyclopedia. — M.: SE, 1969.
A. Pekar . Ett nytt utseende för optik. — M.: Sovjetisk radio, 1973.
N. V. Karlov . Kvantelektronik. // Mikrokosmos fysik: Little Encyclopedia. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Zhabotinsky. Kvantelektronik. Arkiverad 4 oktober 2009 på Wayback Machine // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M .: SE, 1990. - S. 319-320.

Monografier

N.V. Karlov , A.A. Manenkov. kvantförstärkare. — M.: 1966.
N. Blombergen . Icke-linjär optik. — M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Zhabotinsky, V. F. Zolin. Kvantfrekvensstandarder. — M.: 1968
R. Pantel, G. Puthoff. Grunderna i kvantelektronik. — M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midvinter. Tillämpad olinjär optik. — M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Kvantelektronik. — M.: Sovjetisk radio, 1980.
S. A. Akhmanov och N. I. Koroteev Metoder för icke-linjär optik i ljusspridningsspektroskopi. — M.: 1981.
O. Zvelto. Principer för lasrar. — M.: Mir, 1984.
I.R. Shen. Principer för icke-linjär optik. — M.: 1989.

Artiklar

A.M. Prokhorov , N.G. Basov . Molekylär generator och förstärkare //UFN. —1955. -T. 57,nr 3. -S. 485-501.
A. M. Prokhorov . Kvantelektronik // UFN . - 1965. - T. 85 , nr 4 . - S. 599-604 .
A. Shavlov . Moderna optiska kvantgeneratorer // UFN . - 1963. - T. 81 , nr 12 .
N.G. Basov . Halvledarkvantgeneratorer // UFN . - 1965. - T. 85 , nr 4 .
C. Städer . Erhålla koherent strålning med hjälp av atomer och molekyler // UFN . - 1966. - T. 88 , nr 3 .
C. Städer . Kvantelektronik och tekniska framsteg // UFN . - 1969. - T. 98 , nr 5 .
N.V. Karlov , A.M. Prokhorov . Laserisotopseparation //UFN. —1976. -T. 118,nr 4. -S. 583-609.
A.M. Prokhorov , N.V. Karlov . Kvantelektronik och Einsteins teori om strålning // UFN . - 1979. - T. 128 , nr 3 .
A. M. Prokhorov . Till laserns 25-årsjubileum // UFN . - 1986. - T. 148 , nr 1 .
A. A. MANENKOV Om rollen av elektron paramagnetisk resonans i bildandet och utvecklingen av kvantelektronik: fakta och kommentarer // Phys . - 2006. - T. 176 , nr 6 .

Länkar

Journal of Quantum Electronics Arkiverad 3 april 2007 på Wayback Machine .
Quantum Electronics villkor och e-böcker Arkiverade 10 april 2009 på Wayback Machine .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor ryss
I bibliografiska kataloger	NDL : 00569866 NKC : ph520068