Ква́нтовая электро́ника, раздел физики, изучающий методы усиления, генерации и преобразования электромагнитных волн в широком диапазоне длин волн (включая радио- и оптические диапазоны), основанные на эффекте вынужденного излучения и нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и использовании обратной связи. Квантовая электроника изучает также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применение. Источниками излучения в квантовой электронике являются лазер и мазер, излучение которых является монохроматическим, узконаправленным и высокоинтенсивным. Принципиальное отличие лазеров и мазеров от естественных источников излучения – это возможность управлять частотой, расходимостью, длительностью и спектральными свойствами излучения.

Физические основы квантовой электроники

Электромагнитное излучение испускается атомами, молекулами и другими квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией. При переходе атома с более высокого уровня энергии $\mathscr E_2$ на более низкий уровень $\mathscr E_1$ испускается квант излучения (фотон) с частотой $\nu$, определяемой условием Бора: $\nu=(\mathscr E_2- \mathscr E_1)/\hbar$ ($*$) , где $\hbar$ – постоянная Планка. Такие переходы «вниз» могут быть самопроизвольными и вынужденными (например, под действием внешнего электромагнитного поля). Переходы с нижнего уровня на верхний могут быть только вынужденными, т. к. связаны с поглощением кванта излучения, частота которого определяется условием (*).

Состояние возбуждённых частиц неустойчиво, они могут самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения (рисунок, а). Спонтанное излучение носит хаотический характер: фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения. Все нелазерные источники света (лампы накаливания, газоразрядные лампы и т. п.) излучают свет в результате актов спонтанного испускания. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел.

Виды испускания кванта излучения при переходе атома с более высокого уровня энергии на более низкий.Виды испускания кванта излучения при переходе атома с более высокого уровня энергии на более низкий.Возбуждённые частицы могут испускать фотоны не только самопроизвольно, но и вынужденно под воздействием внешнего излучения, частота которого удовлетворяет условию (*) (рисунок, б). В процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбуждённым атомом и неотличимый от первичного, обладающий точно такими же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения, т. е. когерентный с первым. С ростом числа актов вынужденного испускания в единицу времени интенсивность волны возрастает, происходит когерентное усиление электромагнитного излучения (см. Квантовый усилитель). Когерентное усиление волны возможно, только если число возбуждённых частиц превышает число невозбуждённых (состояние с инверсией населённостей). Инверсию населённостей создают в среде (называемой активной средой) под действием накачки, для чего используются различные физические и химические процессы (электромагнитное излучение, быстрое охлаждение, электронный удар, химические реакции, инжекция носителей заряда и др.). Величина мощности накачки, при которой происходит усиление излучения, называется порогом усиления.

Для генерации излучения необходима обратная связь, для этого активную среду помещают в резонатор (объёмный или открытый), в котором могут возбуждаться электромагнитные волны, которые выводятся наружу с помощью специального устройства (например, полупрозрачного зеркала для световых волн). Когда мощность вынужденного излучения превышает мощность потерь на нагрев стенок резонатора, рассеяние излучения и т. п., а также на полезное излучение во внешнее пространство, в резонаторе возникают незатухающие колебания, т. е. происходит генерация излучения (см. Квантовый генератор). Минимальная величина мощности накачки, при которой происходит генерация излучения, определяет порог генерации.

Лазерное излучение, исходящее из любого резонатора, обладает частотной модовой структурой, т. к. условия возбуждения могут выполняться одновременно для набора частот, имеющих относительно друг друга случайные фазы. Это приводит к потере монохроматичности и ослаблению интенсивности генерируемого излучения. Для увеличения максимальной интенсивности излучения используется фазировка мод (см. Синхронизация колебаний и волн), основанная, например, на принципе модуляции (периодичном изменении) добротности с помощью различных затворов. Сначала при создании лазеров использовались механические, электрические и оптические затворы, позволившие достигнуть пикосекундной длительности излучаемого импульса.

Для генерации фемтосекундных лазерных импульсов необходимы активная среда с широкой спектральной полосой усиления и обеспечение фазового согласования внутрирезонаторных мод во всей полосе. Такие импульсы получают с помощью твердотельных лазеров. Для формирования более коротких, аттосекундных импульсов используют генерацию набора высших оптических гармоник лазерного излучения.

Применение приборов квантовой электроники

Становление квантовой электроники и создание источников интенсивного когерентного электромагнитного излучения привели к возникновению множества новых областей в физике, в других науках и технике. При взаимодействии высокоинтенсивного излучения со средой возникает целый ряд новых явлений, которые изучает нелинейная оптика: генерация гармоник, параметрические взаимодействия, самофокусировка света, обращение волнового фронта, когерентное антистоксово рассеяние света и др. В поле лазерного излучения получают сжатые и перепутанные состояния электромагнитного поля (см. Квантовая оптика), играющие важную роль в квантовой теории информации.

Сверхкороткие лазерные импульсы дали возможность наблюдать и управлять динамикой быстропротекающих процессов в химии, биологии и физике. Фемтосекундные импульсы используются для изучения динамики молекулярных систем, например перестройки связей между атомами или группами атомов в молекуле. Аттосекундные импульсы позволяют изучать динамику субмолекулярных систем, электронов и других лёгких частиц.

Важнейшей областью применения квантовой электроники является метрология – создание квантовых стандартов частоты, квантовых магнитометров, лазерных дальномеров, лазерных систем дистанционного спектрального анализа, эталонов частоты (времени). На основе систем, генерирующих фемтосекундные импульсы, была создана оптическая «частотная гребёнка», что позволило достичь погрешности измерения временнóго эталона порядка 10^–11.

Нано-, пико- и фемтосекундные лазерные системы позволили создать такие сверхкритические состояния вещества, как лазерная плазма, в которой могут возбуждаться ядерные переходы, инициироваться термоядерные реакции синтеза и ядерные реакции деления. Воздействие на твердотельную мишень фемтосекундного импульса может обеспечить концентрацию энергии до 10¹¹ Дж/см³. Такое воздействие превращает фемтосекундную лазерную плазму в мощный источник корпускулярного и электромагнитного излучений, который может использоваться для инициирования термоядерных реакций, наработки изотопов, изучения радиационной стойкости материалов.

Высокая когерентность лазерного излучения позволила реализовать голографию и создать ряд голографических приборов.

Источники света, обладающие широким, но управляемым спектром, являются незаменимым инструментом исследования. Создание таких источников света стало возможным благодаря разработке микроструктурированных волокон, которые, кроме сердцевины и оболочки, содержат также внутреннюю периодическую или апериодическую структуру воздушных полостей, ориентированных вдоль волокна. Генерация белого света с помощью интенсивных сверхкоротких лазерных импульсов в волоконных структурах имеет большое значение для целого ряда приложений: высокоточных метрологических измерений, нелинейной спектроскопии, зондирования атмосферы и т. п.

К постоянно развивающимся областям прикладного применения квантовой электроники относятся также лазерная технология (в том числе лазерная резка металлов), лазерное разделение изотопов, формирование сложных рельефов поверхностей твёрдых тел, диагностика и лечение в медицине, хранение, обработка и передача информации и др. Приборы квантовой электроники радиодиапазона (мазеры) используются в радиолокации, радиоастрономии, в глобальных системах навигации и космической связи. Некоторые типы приборов квантовой электроники и их характеристики приведены в таблице.

Некоторые приборы квантовой электроники и их характеристики

История развития квантовой электроники

Хотя положение о вынужденном излучении, на котором основана квантовая электроника, формировалось применительно к оптике, развитие квантовой электроники началось в радиофизике. Немонохроматичность излучений источников оптического диапазона и отсутствие в оптике методов и концепций, хорошо развитых в радиофизике, в частности понятия обратной связи, послужили причиной того, что мазеры появились раньше лазеров.

В 1-й половине 20 в. радиофизика и оптика развивались разными путями: в оптике развивались квантовые представления, в радиофизике – волновые. Общность радиофизики и оптики, обусловленная общностью квантовой природы электромагнитных волновых процессов, не проявлялась до тех пор, пока не возникла радиоспектроскопия, изучающая спектры молекул, атомов, ионов в СВЧ-диапазоне. Важной особенностью радиоспектроскопических исследований было использование источников монохроматического излучения. Это привело к гораздо более высоким чувствительности, разрешающей способности и точности радиоспектроскопов по сравнению с оптическими спектроскопами. В радиодиапазоне, в отличие от оптического диапазона, возбуждённые уровни в условиях термодинамического равновесия сильно населены, а спонтанное излучение гораздо слабее. В результате вынужденное излучение непосредственно сказывается на величине наблюдаемого резонансного поглощения радиоволн исследуемым веществом. Тепловое движение может сильно населять возбуждённые радиоуровни и не может населять возбуждённые оптические уровни. Перечисленные факторы привели к тому, что радиоспектроскопия стала базой работ по квантовой электронике.

Другой определяющий принцип квантовой электроники – обратная связь – был реализован в первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе, созданном в 1954–1955 гг. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо в США Дж. Гордоном, Г. Зейгером и Ч. Таунсом. Активной средой этого генератора был пучок молекул аммиака $NH_3$. Инверсия населённостей создавалась методом электростатической пространственной сортировки, обратная связь – объёмным резонатором, в котором при выполнении условий самовозбуждения возникала генерация излучения. Появление молекулярных генераторов открыло новые возможности в создании сверхточных часов и точных навигационных систем. Их погрешность – порядка 1 с за 300 тыс. лет. Созданный позднее водородный генератор имеет ещё бóльшую стабильность частоты (относительная погрешность порядка 10^–13).

Однако сортировка возбуждённых и невозбуждённых частиц в большинстве сред невозможна. Для создания инверсии населённостей Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили использовать трёхуровневый метод накачки (1955), получивший широкое распространение. Н. Бломберген применил этот метод для создания мазеров-усилителей на парамагнитных кристаллах (1956). Поскольку в оптическом диапазоне построить объёмный резонатор невозможно, Прохоров в 1958 г. предложил открытый резонатор, который в субмиллиметровом диапазоне представлял собой два параллельных, хорошо отражающих металлических диска, а в оптическом сводился к двум параллельным зеркалам.

Первым достижением квантовой электроники в оптическом диапазоне стало создание лазера на монокристалле рубина (1960, Т. Мейман, США), где для получения инверсии населённостей был применён трёхуровневый метод накачки. Вскоре после рубинового лазера был разработан первый газовый лазер [А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот (Харриот, Эрриот), 1960, США] на смеси атомов неона и гелия. Вскоре Н. Г. Басов, О. Н. Крохин и Ю. М. Попов предложили концепцию полупроводникового инжекционного лазера (1961), а в 1962 г. он был создан сначала в США (Р. Холл, а также У. Думке с сотрудниками), а потом и в СССР (Физический институт РАН).

Дальнейшее развитие квантовой электроники было связано с совершенствованием схем модуляции добротности, использованием в них нелинейных взаимодействий поля и среды, а также нелинейных взаимодействий в оптических волокнах, позволяющих отказаться от инерционных и ненадёжных механических и электрических затворов. Целью всех этих усовершенствований было укорочение импульса генерируемого излучения. К 2008 г. были созданы лазеры, генерирующие излучение на частотах вплоть до рентгеновского диапазона; разрабатывается, но пока не создан гамма-лазер. Необходимую частоту когерентного излучения можно получить также с помощью нелинейного преобразования лазерной частоты, но это ведёт к снижению интенсивности излучения. Существуют также лазеры с перестраиваемой частотой (обычно лазеры на красителях). Использование модуляции добротности позволило создать лазерные системы, генерирующие пикосекундные импульсы (длительностью порядка 10^–12 с), а добавление принципа синхронизации мод – системы генерации фемтосекундных лазерных импульсов (10^–15 с). За создание камеры, использующей фемтосекундные лазерные импульсы и позволяющей получить мгновенные снимки молекул в процессе самых быстрых химических реакций, А. Зивейл был удостоен Нобелевской премии в 1999 г. В 2001 г. были получены лазерные аттосекундные импульсы (10^–18 с), представляющие собой предельно допустимые по краткости сгустки световой энергии, содержащие несколько колебаний светового поля (вплоть до одного). Аттосекундные импульсы позволяют получить изображение электронной структуры атомов и проследить динамику электронных процессов в атомных системах с разрешением порядка 100 ас.

С появлением лазеров возникли и стали развиваться идеи охлаждения атомов, создания атомных ловушек (способных удерживать в практически неподвижном состоянии один атом), пленения атомов и т. н. атомного лазера, когда достигается когерентное состояние ансамбля атомов (см. Атомная оптика). Эти идеи успешно развивались Г. А. Аскарьяном и В. С. Летоховым. За создание метода охлаждения и улавливания атомов лазерным лучом У. Филлипсу, К. Коэн-Таннуджи и С. Чу присуждена Нобелевская премия (1997).

Значительные успехи были достигнуты Т. Хеншем и Дж. Холлом в прецизионной лазерной спектроскопии, включая технику измерений, основанную на использовании «частотных гребёнок» в оптических стандартах частоты (Нобелевская премия, 2005).