НАУЧНЫЙ СОВЕТ ИЗДАТЕЛЬСТВА «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»

^{МАЛЕНЬКИЕ ЭНЦИКЛОПЕДИИ}

— история — наука — техника — культура — жизнь —

Общая редакция:

Б. А. ВВЕДЕНСКИЙ, С. Р. ГЕРШБЕРГ, О. Н. КАЙДАЛОВА, Ж. И. КУЗНЕЦОВ, Ф. Н. ПЕТРОВ, А. И. РЕВИН, Л. С. ШАУМЯН, Р. Я. ШТЕЙНМАН

_{МОСКВА —1969}

_{МАЛЕНЬКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ}

_{ВАНТОВЛЯ}

_{ЭЛЕКТРОНИКА}

Под редакцией

С. А. АХМАНОВА, М. Е. ЖАБОТИНСКОГО (отв. редактор), Д. н. КЛЫШКО, А. н. ОРАЕВСКОГО, А. В. францессона, С. М. ШАПИРО

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»

ti<D4(03)

n 32

СОТРУДНИКИ РЕДАКЦИИ:

Зав редакцией — Р. Я. ШТЕЙНМАН

Ст. научный редактор — С. М. ШАПИРО

Мл редакторы —3. А, КОСАРЕВА, В. В. КУЗНЕЦОВА

Ст. литературный редактор - Т. М. ОРЛОВА

Зав редакцией библиографии - В. А. ОТУЛОВ

Редактор-библиограф — Е. И. ЖАРОВА

•Ст. художественные редакторы Б. Ё. МАРКОВ, р. И. БОРОЛИН Зав технической редакцией - Г. И. ПАВЛОВА Технический редактор — В. А. ГРИГОРЬЕВА Корректорская - М. В. АКИМОВА, Л. Н. ЗНАМЕНСКАЯ, Е, Б. СОКОЛОВСКАЯ

Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Отв. ред. М. Е. Жаботинский. М., «Сов. Энциклопедия», 1969. 432 с, с илл., 8 л. илл. (Науч. совет изд. «Сов. Энцикло­педия» . Маленькие энциклопедии. История - наука -техника — культура — жизнь).

Издательство «Советская Энциклопедия», Москва, Ж-28, Покровский бульвар, 8.

Бумага для текста типографская № 1. 8 вклеек цветной офсетной печати

отпечатаны на Ленинградской фабрике офсетной печати.

г.

Сдано в набор 25 апреля 1969 г. Подписано к печати 23 октября 1969 Т-08435. Заказ М 410. Тираж 90 тыс. экз.

Формат 84X108V32. Объем 13,5 физич. п. л., 22,68 усл. п. л. текста+ 0,84 усл. п. л. вклеек. Всего '28,52 усл. п. л. Уч.-изд. л. 31,39. Цена 1 экз. книги 1 р. 54 к.

2D *>

Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типо­графия № 1 «Печатный Двор» им. А. М. Горькою Главполи-графпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР.. Ленинград, Гатчинская ул., 26.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Квантовая электроника — молодая область физики, она существует немногим более 15 лет. Круг ее иссле- дований и приложений чрезвычайно быстро расширяется и углубляется. Начав с создания молекулярных генера- торов и парамагнитных усилителей, работающих в ра- одиапазоне сверхвысоких частот она быстро

«захватила» оптический диапазон, создав мощные источ­ники когерентного света — оптические квантовые гене­раторы (ОКГ) и усилители (ОКУ), или лазеры. Замеча­тельные свойства лазерного излучения открыли новую эпоху в физике и технике. Возникла и бурно разви­вается нелинейная оптика, исследующая оптические свойства среды в мощных световых полях. Лазерное излучение успешно используется в технологии, меди­цине и др. Мазеры нашли важное применение в качестве стандартов частоты и как сверхчувствительные усили­тели в радиоастрономии, в космической связи и локации.

Достижения квантовой _% электроники завоевали ей огромную популярность. Квантовой электронике посвя- щена большая отечественная и зарубежная литература, как специальная — научные статьи, монографии и обзоры в физических и технических журналах, так и популярная — книги, брошюры, журнальные и газет- очерки. Однако при этом выпало промежуточное звено — практически отсутствует литература, которая позволила бы читателю, не имеющему специальной подготовки, с позиций уяснить принципы ра-

боты квантовых устройств и особенности лазерного

излучения глубже, чем это возможно на основе обыч­ного популярного изложения.

Маленькая энциклопедия «Квантовая электроника» представляет собой попытку заполнить этот пробел. Она адресована широкому кругу читателей, интересую­щихся прогрессом науки и техники: инженерам и тех­никам, не работающим в этой области, но знающим

о технических возможностях квантовых усилителей и генераторов и желающим ознакомиться с сутью физи- ческих явлений, лежащих в основе их работы; пре- подавателям физики и техникумов, желающим расширить свой кругозор; студентам младших курсов и учащимся старших классов школ и технических учи­лищ, для которых квантовая электроника открывает увлекательные перспективы; экономистам, врачам и другим специалистам, заинтересованным в применении достижений квантовой электроники.

Стремление сделать издание доступным и полезным столь широкому кругу читателей и сразу ввести чита­теля в круг основных идей и направлений исследований в квантовой электронике побудило редколлегию поме­стить в начале книги пять больших обзорных статей: «Квантовая электроника», «Квантовые стандарты часто­ты», «Квантовый усилитель», «Лазер» и «Нелинейная оптика». Вторая же часть книги, согласно традицион­ному для энциклопедических изданий расположению материала, содержит около 260 статей в алфавитном порядке. Часть из них носит терминологический харак­тер: статья дает разъяснение термина и отсылает к

более крупным статьям (напр., «Вынужденный пере­ход», «Гигантские импульсы» и др.). Другая группа

более крупных статей посвящена описанию физических явлений и закономерностей, необходимых для понима­ния обзорных статей (напр., «Уровни энергии», «Кванто­вый переход», «Когерентность», «Зеемана эффект» и др.). В статьях третьей группы рассматриваются отдельные направления развития квантовой элект­роники, описание которых оказалось невозможным включить в обзорные статьи (напр., «Газовый лазер», «Полупроводниковый лазер», «Квантовый магнито­метр» и др.). В статьях 4-й группы рассматриваются

вопросы практических применений квантовых устройств, прежде всего в самой физике. Напр., исследова­ние высокотемпературных явлений с помощью лазе­ров («Лазерное излучение»), получение объемных изо­бражений предметов (точнее, их оптических копий) с

помощью лазеров («Голография»), создание генератора

света с плавно меняющейся частотой («Параметриче­ский генератор света») и др. Вопросы практических применений квантовой электроники в др. науках и

в технике рассмотрены в статьях: «Лазерная обработка материалов», «Лазерная связь и локация», «Лазеры в медицине», «Лазеры в геодезии» и др.

Характер изложения крупных (а также средних) статей таков, что каждая из них является самостоя­тельной и может быть понята читателем без обязатель­ного обращения к другим статьям. Это повлекло за собой некоторое количество неизбежных повторений, хотя редакция стремилась их ограничить.

Статьи снабжены библиографией, которая содержит как популярные книги и брошюры, так и монографии и статьи в научных журналах.

Следует подчеркнуть, что энциклопедия «Квантовая электроника» не может служить специальным справоч- ником для исследователей, работающих в области кван- товой электроники. В энциклопедии сделана попытка ввести читателей в круг идей и проблем этой науки и ее практических приложений. Перечень затронутых вопросов не может претендовать на полноту, т. к. кван- товая электроника и по сей день в стадии

бурного развития.

В создании книги участвовал большой коллектив авторов - сотрудников Физического института Акаде­мии наук СССР им. П. Н. Лебедева, Института радио­техники и электроники Академии наук СССР, Москов­ского государственного университета им. М. В. Ломо­носова и др. научно-исследовательских учреждений.

Редколлегия выражает глубокую благодарность ака­демику Н. Г. Басову, члену-корреспонденту АН СССР Б. М. Вулу и действительному члену АН БССР М. А. Ельяшевичу за критические указания и помощь.

Редколлегия.

СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

а — ампер А — ангстрем

А+ однозарядный ион (А - хими­ческий символ элемента)

А++, А+++... — двух зарядный ион и т. д.

абс. - абсолютный

англ. — английский

амер. — американский

ат — атом

в. — век

в — вольт

вт — ватт

^-^раммТмассТ град — градус

°С — градус стоградусной шкалы К — градус шкалы Кельвина

% — ^гг^ае^ур^сц^с дб — децибел дм - дециметр дес. —- десятки дж — джоуль др. - другие

ед. —^— е^дд^ри^ун^ги^иц^еа

и т. д. — и так далее

_Ег=Е,Г

км - километр

^Ск^ф7-ТоТф^Тицие^Пн_Т^{СТОЯННаЯ}

кпд - коэффициент полезного дей-

к-рый - который кэ — килоэрстед

ма - миллиампер „ макс. — максимальный мет — милливатт Мет — мегаватт мг - миллиграмм

^-"м^^ремя, мин. — минимальный

' — mith утл ( угол)

мка - микроампер

_{г -jssss?} ^{(микрон)}

мм рт. ст. — миллиметр ртутного

столба

наз. ^— называет сяя, называемый

^ несГлТсГ

ОКГ — оптический квантовый гене-

оКУ— оптический квантовый уси­литель

ом — ом

пр. - прочий

СВЧ — сверхвысокие частоты

СГС - абсолютная система единиц

СГСЕ^НТ-^Ма1олю?на^Мя ^ектростатиче-

ская система единиц сек — секунда " - секунда (угол) след. — следующий

пэд CMOTDH

— санти^Рметр

^сс^оп^те^рц^.. —^— с^сп^ое^тц^руи^да^нл^иьн^киый

ст. — статья

табл. — таблица

т. е. — то есть

темп-pa — температура

темп-рный - температурный

т. к. — так как

т. н. - так называемый

т. о. - таким образом

тыс. - тысяча (-чи)

УКВ —^—ул^уь^рт^ар^ва^нк^ео^нр^ио^еткие волны

_Гл^з_{а —}

ч

_{хим. — химический}

час

э — эрстед

эе - электрон-вольт

эдс — электродвижущая сила

_{Т- подобно, изменяется как...}

^ohS^^

приближенно равно X — длина волны v — циклическая частота со - угловая (круговая частота), со = 2л v

с — скорость света ^ 3 • Ю¹⁰ см/сек h - постоянная Планка h = /г/2 л;

е — основание натуральных логариф­мов.

В прилагательных допускается отсечение окончания «еский», напр.: электрич., оптич. и т. д. Векторные величины выделены полужирным шрифтом.

Квантовая электроника 11

Квантовые стандарты частоты и времени . . . 35

Квантовый усилитель СВЧ 62

Лазер 89

Нелинейная оптика 119

i

^{i. обзорные статьи}

_{КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА}

1. Что такое квантовая электроника?

Часто под этим термином понимают совокупность радиотехник, и оптич. устройств - генераторы, усилители, преобразователи частоты электромагнитных волн, действие к-рых основано на явле­нии вынужденного (индуцированного) излу­чения. Вынужденное излучение вещества возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля, Вынужденное излучение может происходить в диапазонах радио­волн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолето­вого излучения (рис. на вклейке в конце книги). Перечисленные уст­ройства наз. к в "а н т о в ы м и (квантовый усилитель, квантовый генератор и т. п.) потому, что в них используются электроны, входя­щие в состав атомов и молекул кристаллов (связанные электроны); движение таких электронов (как и атомов) подчиняется законам квантовой механики. В обычных же ламповых генера­торах и усилителях, изучаемых «классической» электроникой, рабо­тают свободные электроны, двигающиеся в вакууме. Их движение с достаточной точностью описывается законами классич. механики.

Квантовые устройства обладают рядом важных особенностей, к-рыми они отличаются от своих классич. собратьев. Для оценки этих особенностей рассмотрим отдельно приборы, работающие в радиодиапазоне (длина волны К >> 1 мм), и оптич. устройства (К < 1 мм). В радиодиапазоне наибольший практический и научный интерес представляют квантовые устройства, наз. а т о м н ы м и и молекулярными генераторами, а также кванто­выми парамагнитными усилителями. Их иногда объединяют термином «мазер ы» [от первых букв англ. фразы: Microwave amplification by stimulated emission of radiation, что озна­чает: усиление микроволн (сантиметровых волн) с помощью вынуж­денного излучения].

Основное достоинство атомных и молекулярных генераторов —

чрезвычайно высокая стабильность частоты (периода) излучаемых

ими электромагнитных волн. Это свойство используется для точного измерения частоты и времени. Эталоны и стандарты частоты и вре- мени на основе атомных и молекулярных генераторов позволили создать атомные и молекулярные часы, суточный уход (изменение периода в течение суток) к-рых всего одна стомил- лионная доля секунды (или еще меньше). Лучшие стандарты частоты с кварцевыми генераторами (кварцевые стандарты ча- сто ты) имеют стабильность в 10 -100 раз ниже (подробнее см.

Квантовые стандарты частоты, Квантовые часы).

Квантовые парамагнитные усилители могут усиливать радио­волны с длиной волны в диапазоне от 1 см до 50 см (СВЧ) и отли­чаются от обычных усилителей (ламповых, полупроводниковых)

чрезвычайно высокой чувствительностью. Это позволяет использо­вать их в радиоастрономии для приема очень слабых сигналов, а также при радиолокации планет (см. Квантовый усилитель).

Излучение оптических квантовых генераторов — лазеров (от первых букв английской фразы: Light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: усиление света с помощью вынужденного излучения) отличается столь высокой монохрома­тичностью (т. е. стабильностью частоты), направленностью и мощ­ностью излучения, к-рые недостижимы для обычных источников света (газоразрядных ламп, прожекторов и др.).

Мощность светового потока импульсного рубинового лазера (в луче диаметром 1 мм) достигает 10^й вт. Это больше, чем мощность крупной электростанции (правда, излучение такого лазера длится очень короткое время — около 10 ¹¹ сек). При этом высокие моно­хроматичность и направленность излучения позволяют сфокусиро­вать электромагнитную энергию на очень малую площадку разме-

ром

10

см-

Эта возможность определяет применение импульс-

ных лазеров в технике (для обработки материалов), медицине (напр., при глазных операциях), биологии и в ряде важных физ. исследо­ваний (см. Лазерное излучение, Лазер).

Другой тип лазеров — лазеры непрерывного действия — имеет сравнительно небольшую мощность — от долей вт до дес. кет, но

зато иногда монохроматичность и направленность их излучения еще

более высоки. На их основе можно создавать эффективные системы световой связи. Такие системы отличаются от обычных систем связи на радиоволнах возможностью одновременной передачи огром­ного количества информации - телеграмм, телефонных разгово­ров, телепередач и т. д. (см. Лазерная связь и локация).

Термины лазер и мазер, указывающие на роль вынужденного излучения, не содержат, однако, упоминания о решающей роли обратной связи в работе этих приборов (см. ниже). Появление кван­товых генераторов и усилителей радиоволн привело к проникнове­нию квантовых представлений и законов в радиофизику — начиная

с 50-х гг. радиоинженерам пришлось срочно осваивать квантовую механику. Одновременно на вооружение оптиков были приняты важные понятия радиофизики, напр. понятие обратной связи, когерентности, модуляции и др.

Появление мощных лазеров привело к рождению новой области физики - нелинейной оптики. Нелинейная оптика изу­чает оптич. эффекты, возникающие при взаимодействии вещества с интенсивным светом, создаваемым лазерами. В обычных условиях при переходе светового луча из одной среды в другую изменяется длина световой волны К = vT (Т - период колебаний световой вол­ны, v — скорость ее распространения в среде, т. н. фазовая скорость), частота же (v = 1/Т) остается неизменной. Неизменность час­тоты света — один из основных принципов обычной линейной оптики (в к-рой распространение световой волны описывается линейными ур-ниями). При облучении же вещества светом лазера напряженность электрич. поля световой волны Е может превышать миллионы в 1см. При этом постоянство частоты исчезает, и законы, описывающие распространение волны, становятся нелинейными. В результате этого привычные оптич. законы существенно изме­няются. Напр., известно, что монохроматич. луч, проходя через прозрачную среду, сохраняет свой цвет. Однако красный луч ру­бинового лазера с длиной волны 0,7 мкм, проходя через нек-рые про­зрачные кристаллы, частично превращается в ультрафиолетовый (X = 0,35 мкм), т. е. происходит удвоение частоты света.

О природе этого явления и вообще об изменении оптич. свойств твер­дых тел, жидкостей и газов при облучении их светом лазера см. в ст. Нелинейная оптика.

Важное прикладное значение нелинейной оптики связано с про­блемой создания мощного светового луча с изменяющейся (пере -страивающейся) частотой. Частоты излучения существую­щих лазеров фиксированы, а для ряда применений (в световой связи,

спектроскопии, химии, биологии) необходим свет с определенной

частотой, как правило, не совпадающей с частотой существующих лазеров. Нелинейные оптические свойства некоторых кристаллов, помимо удвоения частоты, позволяют при определенных условиях плавно изменять частоту света (см. Параметрический генератор света).

Создание лазеров, являющихся источниками согласованного, или, как говорят, когерентного, света (см. Когерент­ность) , дало толчок развитию голографии — принципиально нового метода, позволяющего получить объемное, а иногда и цветное изоб­ражение предметов (их оптические копии).

Теперь можно полнее ответить на вопрос — что такое квантовая электроника? Это — область физики, исследующая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов, молекул, твердых тел и создающая на основе этих иссле­дований квантовые устройства различных диапазонов длин волн и

разных назначений.

Границы К. э., возникшей на стыке радиофизики и атомной физики, определены не очень точно. Это характерно для всех моло­дых быстро развивающихся направлений физики, в особенности

«гибридного» происхождения. Сам термин «К. э.» (или часто приме­няемый близкий термин «квантовая радиофизика») после появления

лазеров и нелинейной оптики стал несколько непоследовательным — ведь в «сферу влияния» классич. электроники и радиофизики оптич. явления раньше не включались.

Прежде чем перейти к описанию основных идей К. э., рассмотрим нек-рые важные для К. э. свойства атомов и молекул и закономер­ности их взаимодействия с электромагнитными волнами.