КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КВА́НТОВАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА, раздел физики, изучающий методы усиления, генерации и преобразования электромагнитных волн в широком диапазоне длин волн (включая радио- и оптич. диапазоны), основанные на эффекте вынужденного излучения и нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и использовании обратной связи. К. э. изучает также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применение. Источниками излучения в К. э. являются лазер и мазер, излучение которых является монохроматическим, узконаправленным и высокоинтенсивным. Принципиальное отличие лазеров и мазеров от естеств. источников излучения – это возможность управлять частотой, расходимостью, длительностью и спектральными свойствами излучения.
Физические основы квантовой электроники
Электромагнитное излучение испускается атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутр. 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: $$\nu=(\mathscr E_2- \mathscr E_1)/\hbar, \quad\tag{*}$$где $\hbar$ – постоянная Планка. Такие переходы «вниз» могут быть самопроизвольными и вынужденными (напр., 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 (рис. 1, а). Спонтанное излучение носит хаотич. характер: фотоны испускаются разл. частицами в разл. 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.
Возбуждённые частицы могут испускать фотоны не только самопроизвольно, но и вынужденно под воздействием внешнего излучения, частота которого удовлетворяет условию (*) (рис. 1, 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 разл. физич. и химич. процессы (электромагнитное излучение, быстрое охлаждение, электронный удар, химич. 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 спец. устройств (напр., 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). Миним. 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 макс. интенсивности излучения используется фазировка мод (см. Синхронизация колебаний и волн), основанная, напр., на принципе модуляции (периодич. изменении) добротности с помощью разл. затворов. Сначала при создании лазеров использовались механич., электрич. и оптич. 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 оптич. гармоник лазерного излучения.
Применение приборов квантовой электроники
Становление К. э. и создание источников интенсивного когерентного электромагнитного излучения привели к возникновению мн. новых областей в физике, в др. науках и технике. При взаимодействии высокоинтенсивного излучения со средой возникает целый ряд новых явлений, которые изучает нелинейная оптика: генерация гармоник, параметрич. 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, напр. перестройки связей между атомами или группами атомов в молекуле. Аттосекундные импульсы позволяют изучать динамику субмолекулярных систем, электронов и др. лёгких частиц.
Важнейшей областью применения К. э. 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 оптич. «частотная гребёнка», что позволило достичь погрешности измерения временнóго эталона порядка 10–11.
Нано-, пико- и фемтосекундные лазерные системы позволили создать такие сверхкритич. 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 радиац. стойкости материалов.
Высокая когерентность лазерного излучения позволила реализовать голографию и создать ряд голографич. 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 периодич. или апериодич. структуру воздушных полостей, ориентированных вдоль волокна. Генерация белого света (рис. 2) с помощью интенсивных сверхкоротких лазерных импульсов в волоконных структурах имеет большое значение для целого ряда приложений: высокоточных метрологич. измерений, нелинейной спектроскопии, зондирования атмосферы и т. п.
К постоянно развивающимся областям прикладного применения К. э. относятся также лазерная технология (в т. ч. 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 К. э. радиодиапазона (мазеры) используются в радиолокации, радиоастрономии, в глобальных системах навигации и космич. связи. Некоторые типы приборов К. э. и их характеристики приведены в таблице.
Некоторые приборы квантовой электроники и их характеристики | ||
Название | Длина волны | Тип активной среды / тип накачки |
Радиодиапазон | ||
Мазер на атомах водорода | 2,1·108 нм | |
Мазер на молекулах аммиака | 1,3·107 нм | |
Инфракрасный диапазон | ||
Лазер на молекулах CO2 | 10600 нм | Газовый / электрический разряд |
Лазер на хром-форстерите | 1150–1350 нм | Твердотельный лазер |
Аргоновый лазер | 1090 нм | Газовый / импульсная лампа |
Лазер на алюмоиттриевом гранате | 1064 нм | Твердотельный / импульсная лампа, лазерный диод |
Лазер на арсениде галлия | 780–905 нм | Полупроводниковый / электрический ток |
Титан-сапфировый лазер | 700–1000 нм | Твердотельный / другой лазер |
Видимый диапазон | ||
Гелий-неоновый лазер | 633 нм | Газовый / электрический разряд |
Рубиновый лазер | 628 нм | Твердотельный / импульсная лампа |
Твердотельный лазер с диодной накачкой (зелёный) | 532 нм | Полупроводниковый / электрический ток |
Лазер на пар́ах меди | 511 нм | На пар́aх металлов / электрический разряд |
Твердотельный лазер с диодной накачкой (синий) | 473 нм | Полупроводниковый / электрический ток |
Ультрафиолетовый диапазон | ||
Эксимерный лазер на фториде ксенона | 351 нм | Молекулярный / электрический разряд |
Эксимерный лазер на хлориде ксенона | 308 нм | Молекулярный / электрический разряд |
Рентгеновский диапазон | ||
Лазер (разер) на ионах селена (Se24+) | 20,6 нм | Плазменный / другой лазер, создающий неоноподобный газ из твердотельной мишени |
Лазер (разер) на ионах тантала (Ta46+) | 4,61 нм | Плазменный / другой лазер, создающий неоноподобный газ из твердотельной мишени |
История развития квантовой электроники
Хотя положение о вынужденном излучении, на котором основана К. э., формировалось применительно к оптике, развитие К. э. началось в радиофизике. Немонохроматичность излучений источников оптич. 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 пол. 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 радиоспектроскопич. исследований было использование источников монохроматич. излучения. Это привело к гораздо более высоким чувствительности, разрешающей способности и точности радиоспектроскопов по сравнению с оптич. спектроскопами. В радиодиапазоне, в отличие от оптич. диапазона, возбуждённые уровни в условиях термодинамич. 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 оптич. уровни. Перечисленные факторы привели к тому, что радиоспектроскопия стала базой работ по квантовой электронике.
Другой определяющий принцип К. э. – обратная связь – был реализован в первом приборе К. э. – молекулярном генераторе, созданном в 1954–55 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 NH3. Инверсия населённостей создавалась методом электростатич. 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 (относит. 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 оптич. диапазоне построить объёмный резонатор невозможно, Прохоров в 1958 предложил открытый резонатор, который в субмиллиметровом диапазоне представлял собой два параллельных, хорошо отражающих металлич. диска, а в оптическом сводился к двум параллельным зеркалам.
Первым достижением К. э. в оптич. 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 он был создан сначала в США (Р. Холл, а также У. Думке с сотрудниками), а потом и в СССР (Физич. ин-т РАН).
Дальнейшее развитие К. э. было связано с совершенствованием схем модуляции добротности, использованием в них нелинейных взаимодействий поля и среды, а также нелинейных взаимодействий в оптич. волокнах, позволяющих отказаться от инерционных и ненадёжных механич. и электрич. затворов. Целью всех этих усовершенствований было укорочение импульса генерируемого излучения. К 2008 существуют 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 химич. реакций, А. Зивейл был удостоен Нобелевской пр. в 1999. В 2001 были получены лазерные аттосекундные импульсы (10–18 с), представляющие собой предельно допустимые по краткости сгустки световой энергии, содержащие неск. 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 пр. (1997).
Значит. 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 пр., 2005).