87

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стремительное развитие всех направлений электроники не обошло вниманием квантовую и оптоэлектронику. В последние годы развитие лазерной техники во многом определяется успехами наноэлектроники, что определило не только переходы размеров приборов и устройств в наноразмерный диапазон, но и определило перспективы применения новых физических явлений, обусловленной квантовой природой электрона. В оптоэлектронике на смену классическим материалам с однородной структурой приходят модифицированные материалы, содержащие микро- и наноразмерные периодические структуры, наделенные необычными нелинейными и другими физическими свойствами.

В существующей учебной и монографической литературе достаточно подробно и на высоком научном уровне излагаются основы квантовой электроники, лазерной техники и оптоэлектроники в большей части ограничиваясь периодом развития направлений третьей частью XX века.

И в то же время последние десятилетия XX века можно охарактеризовать как прорыв в новые принципы построения квантовых приборов: полупроводниковые лазеры на квантовых точках, импульсные лазеры петаваттной мощности и длительностями импульсов до 10 фемтосекунд, волоконные линии связи с мультиплексированием каналов.

Поскольку ряд учебников и учебных пособий был издан большим тиражом, то авторы данного пособия отсылают читателей к известным изданиям, перечисленным в списке литературы в конце введения, а основное внимание обращено новые физические принципы и реальные схемы построения новых видов квантовых электронных приборов и устройств.

Пособие написано на основе курсов лекций, которые авторы читают студентам, магистрантам и аспирантам КГЭУ на протяжении 10 лет.

По характеру изложения материалов предполагается, что читатели уже знакомы с основными разделами дисциплины «Физика» и рядом разделов дисциплины «Микроэлектроника».

ВВЕДЕНИЕ

Квантовая и оптическая электроника – это область науки и техники, занимающаяся исследованиями принципов усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний и взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в широком диапазоне длин волн.

Квантовая электроника основана на эффекте вынужденного излучения фотонов атомами, ионами и молекулами и взаимодействии излучения с веществом. Основную роль в квантовой электронике играют процессы вынужденного излучения и положительная обратная связь, что позволило создать квантовые электронные приборы и устройства: молекулярные генераторы радиодиапазона (мазеры), квантовые генераторы оптического излучения (лазеры), усилители электромагнитных волн, устройства для нелинейного преобразования частоты излучения.

Квантовая электроника – одно из самых молодых направлений электроники, возникла в середине 50-х годов 20 века на стыке достижений квантовой физики и теории излучения, радиофизики и радиотехники, полупроводниковой и вакуумной электроники. Уже само перечисление научных областей, на основе которых развивалась квантовая электроника, свидетельствует как о сложности используемых в ней научных идей и многогранности экспериментальных методов, так и многообразии практических применений.

Теоретическим началом квантовой электроники можно считать предсказание А. Эйнштейном в 1917 г. вынужденного или индуцированного излучения света. Предложение об использовании вынужденного излучения для усиления оптического пучка было сделано советским физиком В. А. Фабрикантом в 1940 г на основе экспериментов по изучению оптических свойств газового разряда. Однако оно не было своевременно оценено, и только в 1961 г. было признано открытием.

Позднее в 1950 г. парижская группа ученых во главе с А. Кастлером (в последствии Нобелевским лауреатом) разработала метод оптической накачки для целей изучения возбужденного состояния атомов, который спустя десятилетие был использован в лазерах. Впервые индуцированное излучение было обнаружено в США. Э. Парселом и Р. Паундом, но эти работы не привели к созданию приборов квантовой электроники, поскольку все оптические источники того времени были некогерентными и немонохроматическими.

Создание подобных квантовых приборов было возможным в те годы только в радиочастотном диапазоне с использованием уже разработанных когерентных усилителей и генераторов дециметрового и сантиметрового диапазонов. Непосредственной предпосылкой возникновения квантовой электроники стало развитие еще одного направления в радиофизике – радиоспектроскопии, в котором изучаются спектры поглощения различных веществ в радиочастотном диапазоне. Следует подчеркнуть, что развитие радиоспектроскопии началось с обнаружения казанским физиком Е. К. Завойским в 1944 г. эффекта электронного парамагнитного резонанса. Несколько позднее в 1946 г. американскими физиками Ф. Блохом и Э. Парселом был обнаружен ядерный магнитный резонанс.

Непосредственной датой рождения квантовой электроники является 1954 год, когда Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и независимо Дж. Гордоном, Х. Цейгером и Ч. Таунсом в США были созданы первые квантовые генераторы на молекулах NH₃ . В 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике за основополагающие работы по квантовой электронике, которые привели к созданию мазеров и лазеров. Аббревиатура мазер происходит от словосочетания (Microwave amplification by stimulated emission of radiation). Термин лазер произошел в результате замены слова microwave на light (свет). Следующим шагом к формированию квантовой электроники как самостоятельной области физики стал предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым способ достижения инверсии населенностей атомных уровней при помощи электромагнитной накачки. Сущность этого метода состоит в использовании эффекта насыщения одного из переходов между уровнями под действием вспомогательного излучения в многоуровневой системе. Метод накачки в системе с тремя уровнями получил дальнейшее развитие при создании парамагнитных усилителей СВЧ диапазона, которые обладают сверхнизким уровнем собственных шумов. Это обстоятельство позволило их использовать в радиоастрономии и для радиолокации космических объектов.

Предложенная Н. Г. Басовым схема полупроводникового лазера, затем была осуществлена в США в 1962 г. В 1963 г. Ж. И. Алферовым и Р. Ф. Казариновым были предложены так называемые двоичные гетеропереходы в полупроводниках для создания нового поколения полупроводниковых лазеров. Такие лазеры были осуществлены в конце шестидесятых годов в нашей стране и в Японии. Подобные конструкции полупроводниковых лазеров впоследствии стали основными источниками излучения в глобальной системе оптических коммуникаций. В 2000 г. Ж. И. Алферову (Россия), Г. Кремеру (США) и Дж. Килби (США) была присуждена Нобелевская премия за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий. В настоящее время область квантовой электроники, использующая эффекты взаимного преобразования оптических и электромагнитных сигналов, выделилась в отдельную область – оптоэлектронику.

Применение оптических сигналов, в принципе, позволяет увеличивать скорость передачи и обработки информации, благодаря более высокой несущей частоте (10¹⁵ Гц по сравнению с 10⁹ – 10¹⁰ Гц для электромагнитных сигналов) и возможности параллельного функционирования многих каналов (до миллиона каналов в одной оптоволоконной системе). В качестве источника когерентного и монохроматического оптического излучения используют полупроводниковые лазеры на гетеропереходах, в которых КПД преобразования электрической энергии в оптическую энергию достигает 90 %.

Еще одним важным применением лазеров в технике является их возможность воздействия на различные материалы. К концу 20 века мощность лазерных импульсов уже достигла тераватт, а мощность непрерывного лазерного излучения – десятков кВт. Воздействие такого лазерного пучка приводит к плавлению и испарению даже сверхтвердых и тугоплавких материалов, возникновению высокотемпературной плазмы. Это используется для обработки различных материалов: резки и сверления отверстий, сварки, фигурной обработки поверхностей. Особенно важно применение лазерных технологий при создании нового поколения приборов наноэлектроники.

В свою очередь, впечатляющие достижения квантовой и оптической электроники в последние два десятилетия во многом основаны на достижении микро- и наноэлектроники. Это касается использования в оптических квантовых генераторах и приемниках наноразмерных структур с одномерным электронным газом квантовых проволок и точек. Другим примером является практическая реализация в оптоэлектронных приборах искусственно сформированных периодических структур в виде голографических решеток и доменов.

Важным направлением квантовой электроники является метрология – создание квантовых стандартов частоты, эталонов времени, лазерных теодолитов и дальномеров, а также разнообразных датчиков. Высокая когерентность лазерного излучения позволила реализовать идею голографии и создать целый набор голографических приборов.

Наконец, на базе разнообразных лазеров было разработано большое количество медицинских приборов и устройств диагностического типа, включая лазерный томограф, для хирургических операций и лечения различных заболеваний.

Можно уверенно констатировать, что диапазон различных применений квантовых оптоэлектронных приборов и систем непрерывно расширяется и множится.

Рекомендуемая литература.

1.Пахтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника (учебное пособие). М. Высшая школа 2001. 573 с.

2.Ермаков Ф.Н. Прикладная оптоэлектроника. М. Техносфера 2004. 416 с.

3.Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники (учебное пособие). М. Высшая школа 2005. 543 с.

4.Щука А.А. Наноэлектроника. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2007.

5.Ларюшин А.И. Оптоэлектроника в промышленности и медицине. Казань. Абак 1997. 478 с.

6.Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И. Индуцированные доменные структуры в электро- и магнитоупорядоченных веществах. М. Физматлит 2003, 136 с.

7.Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридгин В.А. Основы наноэлектроники. М. Логос 2006. 494 с.

Часть 1. Квантовая электроника

Глава 1. Физические свойства сред, используемых в квантовой и оптоэлектронике

В настоящее время диапазон сред и материалов, используемых в квантовой и оптоэлектронике, очень велик и непрерывно расширяется. Описание их свойств и возможных применений для генерации и преобразования когерентного излучения, передачи, записи и обработки информационных сигналов заняло бы много томов и всё равно, было бы не полным, вследствие создания новых и модификации уже известных материалов с целью получения неизвестных ранее физических свойств. Поэтому ограничимся кратким рассмотрением наиболее общих и в тоже время наиболее существенных свойств и характеристик материалов, используемых в квантовооптических приборах и устройствах.

1. Оптическое излучение

Оптическое излучение представляет собой процесс испускания электромагнитных волн, длина которых заключена в диапазоне с условными границами от 1 нм до 1 мм и составляет диапазон частот порядка Гц. В современной квантовой электронике излучение охватывает диапазон длин волн и частот от радиоволн до космического излучения. В оптическом излучении одновременно проявляются волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация) и квантовые (фотоэлектронная эмиссия, тепловое излучение, взаимодействия квантов излучения и электронов в веществе).

Двойственность природы оптического излучения получила своё объяснение в квантовомеханическом подходе. Существуют различные виды излучения, которые классифицируются по ряду признаков:

• по природе возникновения: тепловое, люминесцентное, синхротронное;

• по особенностям испускания атомами и молекулами: спонтанное, вынужденное;

• по степени однородности спектрального состава: монохроматическое, немонохроматическое;

• по степени пространственной и временной когерентности.

Согласно волновой теории оптический луч описывается такими параметрами как длина волны , частота , амплитуда .

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) с является одной из фундаментальных физических постоянных и представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий. В тоже время, скорость света, в какой- либо среде зависит от показателя преломления среды , который изменяется в зависимости от частоты излучения. Поэтому при распространении света в среде различают фазовую скорость и групповую скорость . Зависимость фазовой скорости от частоты определяет дисперсию волны, что приводит к искажению формы передаваемого сигнала конечной длительности. Групповая скорость- скорость движения группы или луча волн, образующих в каждый данный момент времени, локализованный в пространстве волновой пакет. Его можно рассматривать как набор гармонических волн с частотами в интервале ( ). Длина пакета и его частотный спектр ограничены соотношением

(1.1)

где k – волновое число: .

Групповая скорость световой волны определяется как

(1.2)

где и является функцией частоты.

В любой среде и фазовая и групповая скорости меньше скорости световой волны в вакууме.

С квантовой точки зрения электромагнитное поле представляет собой ансамбль фотонов, каждый из которых обладает энергией

(1.3)

где - постоянная Планка, и импульсом .

Общая энергия в оптическом пучке будет суммой энергий всех фотонов.

Для количественного описания оптического излучения используются следующие световые и энергетические параметры.

Поток излучения Ф - мощность оптического излучения, оцениваемая по его действию на селективный приёмник излучения (единица измерения ватт).

Оптический пучок – совокупность оптических лучей, испускаемых элементом поверхности источника, измеряется в люменах.

Энергия излучения - мера энергии излучения, равная произведению потока излучения на длительность излучения. Единица измерения: люмен-секунда.

Сила излучения - величина равная отношению потока излучения источника к телесному углу , в пределах которого распространяется это излучение. Единица измерения: Ватт на стерадиан (Вт/ст).

Энергетическая светимость - величина, равная отношению потока излучения к площади, с которой это излучение испускается. Единица измерения: Ватт на квадратный метр (Вт/ ).

Энергетическая облучённость - величина, равная отношению потока излучения к площади, которой это излучение поглощается. Единица измерения: Ватт на квадратный метр (Вт/ ).

Энергетическая яркость - величина, равная отношению энергетической силы излучения элемента излучающий поверхности к площади поверхности проекции этого элемента. Единица измерения: Ватт на стерадиан

Энергетическая экспозиция - величина, равная произведению освещённости на время облучения. Единица измерения: люкс-секунда.

Энергетическая освещённость - величина, равная отношению светового потока, падающего на элемент поверхности, к площади элемента. Единица измерения: люкс.