128

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Конотопський інститут

Кафедра електронних приладів і автоматики

Квантова електроніка

Конспект лекцій

для студентів факультету денної форми навчання

спеціальності 6.050802 «Електронні пристрої та системи»

2010

Конспект лекцій з дисципліни Квантова електроніка/ Укладач І.П.Бурик

Кафедра електронних приладів і автоматики

Теми лекцій

Тема 1. Вступ. Історія розвитку квантової електроніки і оптоелектроніки. Основні поняття і визначення, особливості в квантовій електроніці.

Тема 2. Поняття про квантові системи та квантові переходи. Спонтанне і вимушене випромінювання. Коефіцієнти Ейнштейна та зв’язок між ними.

Тема 3. Поняття про дипольне випромінювання. Дозволені та заборонені переходи.

Тема 4. Уширення спектральних ліній. Поняття про однорідне і неоднорідне розширення. Розсіювання світла та двох фотонне поглинання.

Тема 5. Поняття про інверсну населеність. Показники підсилення та поглинання. Методи здійснення інверсної населеності.

Тема 6. Принципи роботи квантових підсилювачів та генераторів. Збудження активної речовини (накачка). Схеми роботи квантових підсилювачів і генераторів.

Тема 7. Основні поняття про оптичні резонатори в електроніці. Добротність резонатора. Поняття про моди резонатора. Втрати резонатора.

Тема 8. Типи резонаторів. Плоскопаралельний резонатор. Конфокальний резонатор. Діаграма умови стійкості оптичних резонаторів.

Тема 9. Генерація випромінювання в оптичних квантових генераторах. Умова самозбудження і насичення. Модуляція добротності лазера.

Тема 10. Властивості лазерного випромінювання. Монохроматичність, корегентність, спрямованість, яскравість. Особливості лазерного випромінювання.

Тема 11. Принцип роботи квантових приладів, узагальнення. Газові лазери. Основні характеристики газових лазерів. Види газових лазерів.

Тема 12. Твердотілі лазери. Загальна характеристика твердотілих лазерів. Рубіновий лазер. Лазер на іонах неодиму.

Тема 13. Напівпровідникові лазери. Загальна характеристика, принцип дії напівпровідникових лазерів.

Тема 14. Різновиди лазерів.

Тема 15. Лазери у зв’язку, у локації, у промисловості, в медицині. Міри безпеки при роботі з квантовими приладами.

Вступ Історія розвитку квантової електроніки і оптоелектроніки Квантова електроніка і оптоелектроніка достатньо молоді науки.

Квантова електроніка вивчає поглинання і випромінювання енергії атомів і молекул речовини при переходах з одного енергетичного рівня на інший.[1]

Розглянемо історію їх виникнення і розвитку.

Основні етапи розвитку квантової електроніки[2],[3]:

1900р. – М. Планк дає кількісний та якісний аналіз дискретності характеру випромінювання і поглинання світла речовиною.

1905р. – А. Ейнштейн створив квантову теорію світла (на прикладі явища фотоефекту).

1911-1913 р.р. – Н.Бор показав, що перхід квантової системи з одного енергетичного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням електромагнітної енергії кванта (квант – визначена кількість – «порція»; наприклад – квант енергії – визначена кількість енергії, яка віддається/поглинається атомом/молекулою при переході з одного стану в інший. Величина кв.енергії випромінювання дорівнює hυ, де h – постійна Планка 6,62*10^-27, υ-частота випромінювання).

1917 р. – А.Ейнштейн розробив принцип індукційного випромінювання – основа теорії генерації і підсилення електромагнітних хвиль ЕМХ.

1939 р. – В.А.Фабрікант теоретично обґрунтував можливість створення квантової системи, здатної віддавати енергію ЕМ полю.

1950 р. – Персел і Паунд довели експериментально можливість отримання індукційного (вимушеного) випромінювання.

1953-1954 р.р. – Вебер, Гаунс запропонували використовувати вимушене випромінювання для посиленн у мікрохвильовому діапазоні.

1954р. – М.Басов, О.Прохоров, Ч.Таунс, Дж.Гордон, Х.Цайгер розробили перші квантові генератори – молекулярні генератори - на пучку молекул аміаку (λ= 4,25 см).

1955р. – М.Басов і О.Прохоров запропонували метод «трьох рівнів».

1956 – група вчених під керівництвом Ч.Таунса провела теоретичне дослідження квантових парамагнітних підсилювачів на твердому тілі.

1957р. – М.Басов, Б.Вул і Ю.Попов довели можливість створення квантових генераторів інфрачервоного спектру діапазону на напівпровідниках .

1960р. – Мейн ман (США) побудував перший діючий імпульсний оптичний генератор на рубіні.

1961р. – Джаван, Беннет створили газовий лазер, який працював у неперервному режимі на суміші Не+Ne.

1964 р. – М.Басов, О.Прохоров, Ч.Таунс отримали Нобелівську премію за фундаментальні дослідження в галузі квантової електроніки.

У 1966 р. радянськими фізиками В.К. Конюховим і А.М. Прохоровим була запропонована ідея створення газодинамічних лазерів, що дають велику потужність безперервного випромінювання. Пізніше винайдені хімічні лазери, а також рідинні лазери на органічних фарбниках, в розробку яких великий внесок внесли дослідження радянських учених під керівництвом Б.И. Степанова.

Основу квантової електроніки складають три фундаментальні положення:

Перше - енергія електромагнітного випромінювання складається з дискретних порцій енергії, званих світловими квантами або фотонами. Ця дискретність виявляється перш за все при взаємодії випромінювання з речовиною, коли фотони поглинаються або випромінюються.

Друге - випромінювання фотонів при достатньо високій інтенсивності визначається ефектом їх індукованого випускання. При цьому кванти індуцируючого і індуцируємого випромінювань тотожні, а ймовірність випускання пропорційна інтенсивності випромінювання.

Третє - кванти електромагнітного випромінювання підкоряються статистику Бозе - Ейнштейна. Тому число квантів, які можуть доводитися на один осцилятор поля, необмежено! При заповненні одного осцилятора поля (однієї моди) великим числом невиразних квантів формується когерентна електромагнітна хвиля.

Ці положення були сформульовані А. Ейнштейном, що заклав тим самим фізичну основу квантової електроніки.