Материалы для студ 3 курса каф РЭС / Материалы 2012_2013 уч. г / Особенности КЭ

Особенности квантовой электроники

В сферу интересов К.Э. входят радиотехнич. и оптич. устройства — 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. Перечисленные уст­ройства наз. квантовыми (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 генера­торах и усилителях, изучаемых «классической» электроникой, рабо­тают свободные электроны, двигающиеся в вакууме, проводниках и полупроводниках. Их движение с достаточной точностью описывается законами классич. механики.

Основу квантовой электроники составляют три фундаменталь­ных положения:

• первое — энергия электромагнитного излучения состоит из дискретных порций энергии, называемых световыми квантами или фотонами. Эта дискретность проявляется, прежде всего, при взаимодействии излучения с веществом, когда фотоны поглощаются или излучаются;

• второе — излучение фотонов при достаточно высокой интенсивности определяется эффектом их ин­дуцированного испускания. При этом кванты индуцирующего и индуцируемого излучений тождественны, а вероятность испуска­ния пропорциональна интенсивности излучения;

• третье — кванты электромагнитного излучения подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Поэтому число квантов, которые могут приходиться на один осциллятор поля, неограниченно. При заполнении одного осциллятора поля (одной моды) большим числом неразличимых квантов формируется классическая когерентная электромагнитная волна.

Эти положения были сформулированы А. Эйнштейном, заложившим тем самым физическую основу квантовой электроники.

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 X > 1 мм), и оптич. устройства (X < 1 мм). В радиодиапазоне наибольший практический и научный интерес представляют квантовые устройства, наз. атомными и молекулярными генераторами, а также кванто­выми парамагнитными усилителями. Их иногда объединяют термином «мазеры» [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 вре­мени на основе атомных и молекулярных генераторов позволили создать атомные и молекулярные часы, суточный уход (изменение периода в течение суток) к-рых всего одна стомил­лионная доля секунды (или еще меньше). Лучшие стандарты частоты с кварцевыми генераторами (кварцевые стандарты ча­стоты) имеют стабильность в 10—100 раз ниже

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.

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 10¹¹ 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 разме­ром ~ 10^-7 см². Эта возможность определяет применение импульс­ных лазеров в технике (для обработки материалов), медицине (напр., при глазных операциях), биологии и в ряде важных физ. исследо­ваний.

Другой тип лазеров — лазеры непрерывного действия — имеет сравнительно небольшую мощность — от долей вт до дес. квт, но зато иногда монохроматичность и направленность их излучения еще более высоки. На их основе можно создавать эффективные системы оптической связи. Такие системы отличаются от обычных систем связи на радиоволнах возможностью одновременной передачи огром­ного количества информации — телеграмм, телефонных разгово­ров, телепередач и т. д.

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 λ = v T (T — 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/см. 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 (λ = 0,35 мкм), т. е. происходит удвоение частоты света. природа этого и некоторых других явлений будет рассмотрена при изучении раздела РПД «Основы нелинейной оптики».

Важное прикладное значение нелинейной оптики связано с про­блемой создания мощного светового луча с изменяющейся (пере­страивающейся) частотой. Частоты излучения большинства типов лазеров фиксированы, а для ряда применений (в оптической 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.

Создание лазеров, являющихся источниками согласованного, или, как говорят, когерентного света, дало толчок развитию голографии — принципиально нового метода, позволяющего получить объемное, а иногда и цветное изоб­ражение предметов (их оптические копии), и нашедшего применение в устройствах обработки и хранения информации.

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.