Кв а нтов електро про ника, область фізики, що вивчає методи посилення і генерації електромагнітних коливань, засновані на використанні ефекту вимушеного випромінювання , А також властивості квантових підсилювачів і генераторів і їх застосування. Практичний інтерес до квантових генераторів світла ( лазерів ) Обумовлений перш за все тим, що вони, на відміну від ін. Джерел світла, випромінюють світлові хвилі з дуже високою спрямованістю і високоюмонохроматичністю. Квантові генератори радіохвиль відрізняються від ін. Радіопристроїв високою стабільністю частоти коливань, що генеруються, а квантові підсилювачі радіохвиль - гранично низьким рівнем шумів .

Фізичні основи квантової електроніки. Світло і радіохвилі є електромагнітним випромінюванням, порції якого кванти (або фотони ) Можуть випускатися атомами, молекулами і ін. Квантовими системами, що володіють деякою надлишковою внутрішньою енергією (збудженими частками). Внутрішня енергія атома (або молекули) може приймати тільки деякі строго певні дискретні значення, звані рівнями енергії . Зменшення внутрішньої енергії означає перехід атома з більш високого рівня енергії на більш низький. Якщо при цьому надлишок енергії віддається у вигляді кванта випромінювання, то частота випромінюваних хвиль n визначається умовою Бора :

n = , (1)

де h = 6,62 × 10-27 ерг × сік - планка постійна . Аналогічно збільшення внутрішньої енергії атома означає його перехід з нижнього рівня E 1 на верхній E 2. Якщо це збільшення пов'язане з поглинанням кванта випромінювання, то частота поглинається випромінювання визначається тим же умовою (1). Т. о., Умова (1) визначає частоту спектральної лінії поглинання або випромінювання, характерну для даних часток. Взаємодія частинок з оточуючими їх частками і полями, а також «стислість їх життя на рівні» приводять до «розмиття» рівнів енергії. В результаті умова (1) виконується не для одного фіксованого значення частоти n, а для інтервалу значень частот, при цьому спектральні лінії набувають ширину (див. Ширина спектральних ліній ).

Збуджені частки можуть віддавати свою енергію у вигляді квантів випромінювання двома способами. Збуджені частки нестійкі, і для кожної з них існує певна ймовірність мимовільно (спонтанно) випустити квант випромінювання (рис. 1, а). Акти спонтанного випускання відбуваються випадково Тому спонтанне випромінювання носить хаотичний характер. Фотони випускаються різними частинками в різні моменти часу, мають різну частоту, поляризацію і напрям поширення. Інтенсивність спонтанного випромінювання пропорційна кубу частоти і тому різко падає при переході від світлових хвиль до радіохвиль. все нелазерні джерела світла (Лампи розжарювання, газорозрядні лампи тощо) випромінюють світло в результаті актів спонтанного випромінювання. У радіодіапазоні такий же характер мають шуми електронних пристроїв і теплове радіовипромінювання нагрітих тел.

Збуджені частки можуть випускати фотони, переходячи з верхнього рівня енергії E 2 на нижній рівень E 1не тільки мимовільно, але і під впливом зовнішнього випромінювання (вимушено), якщо частота цього зовнішнього випромінювання задовольняє умові (1) (рис. 1, б). Імовірність вимушеного випускання, передбаченого А. Ейнштейном (1917), пропорційна інтенсивності змушує випромінювання і може перевершувати вірогідність спонтанного процесу. Т. о., В процес вимушеного випускання залучені два кванта випромінювання: первинний, що змушує, і вторинний, випущений збудженим атомом. Істотно, що вторинні кванти не відрізняються від первинних. Вони мають в точності такий же частотою, фазою, поляризацією і напрямом поширення. На цю особливість вимушеного випромінювання, що має основоположне значення для До., Вперше вказав П. Дірак (1927). Тотожні кванти формують електромагнітну хвилю, яка є точною посиленою копією вихідного випромінювання. З ростом числа актів вимушеного випускання в 1 сек інтенсивність хвилі зростає, а її частота, фаза, поляризація і напрям поширення залишаються незмінними. Відбувається когерентне посилення електромагнітного випромінювання (див. когерентність ).

Для однієї частки вимушені переходи з верхнього рівня E 2 енергії на нижній E 1 (випускання фотона, рис. 1, б) і з нижнього на верхній (поглинання фотона, рис. 1, в) однаково ймовірні. Тому когерентне посилення хвилі можливе лише при перевищенні числа збуджених часток над незбудженими. В умовах рівноваги термодинамічної число збуджених часток менше числа збудженому, т. е. верхні рівні енергії населені частками менше, ніж нижні, відповідно до розподілу Больцмана частинок за рівнями енергії (рис. 2; див. Больцмана статистика ). При взаємодії випромінювання з такою речовиною станеться поглинання випромінювання.

Щоб отримати ефект посилення, необхідно приймати спеціальні заходи для того, щоб число збуджених часток перевищувало число збудженому. Стан речовини, при якому хоча б для двох рівнів енергії частинок верхній рівень виявився більш населеним, ніж нижній, називається станом з інверсією населенностей . Така речовина в До. називається активним (активним середовищем). В До. використовується вимушене випромінювання в активному середовищі для посилення (квантовий підсилювач) і генерації (квантовий генератор) електромагнітних хвиль. Необхідна для генерації Зворотній зв'язок здійснюється приміщенням активного середовища в об'ємний резонатор , В якому можуть збуджуватися стоячі електромагнітні хвилі. В якійсь точці резонатора неминуче відбувається спонтанний перехід частки активного середовища з верхнього рівня на нижній, т. Е. Мимовільно випускається фотон. Якщо резонатор налаштований на частоту цього фотона, то фотон не виходить з резонатора, а, багаторазово відбиваючись від його стінок, породжує безліч собі подібних фотонів, які, в свою чергу, впливають на активну речовину, викликаючи все нові акти вимушеного випускання таких же фотонів ( зворотний зв'язок), в результаті такого «розмноження» фотонів в резонаторі накопичується електромагнітна енергія, частина якої виводиться назовні за допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, напівпрозорого дзеркала для світлових хвиль). Якщо в якийсь момент потужність вимушеного випромінювання перевищує потужність втрат енергії на нагрів стінок резонатора, розсіяння випромінювання і т.п., а також на корисне випромінювання в зовнішній простір (т. Е. Якщо виконані умови самозбудження), то в резонаторі виникають незгасаючі коливання, т. е. збуджується генерація (див. Генерування електричних коливань ).

В силу властивостей вимушеного випромінювання ці коливання монохроматічни. Всі частинки активної речовини працюють синфазно. Їх змушує працювати синфазно зворотний зв'язок. Значення частоти такого генератора з високим ступенем точності збігається з частотою випромінювання збуджених часток, хоча воно істотно залежить також від розладу частоти резонатора відносно частоти випромінювання частинок. Інтенсивність генерації визначається числом порушуваних частинок в сек в кожному см 3актівной середовища. Якщо число таких частинок L, то максимально можлива потужність Р безперервного випромінювання в см 3среди становить:

P = L h n (2)

Історичний нарис. Незважаючи на те що положення Ейнштейна і Дірака про вимушене випромінюванні формувалися стосовно оптики, розвиток До. почалося в радіофізиці. В умовах термодинамічної рівноваги оптичні (верхні) рівні енергії практично не заселені, збуджених часток в речовині дуже мало і на нижні рівні енергії вони переходять спонтанно, так як при малих щільності світлової енергії спонтанні переходи більш вірогідні, ніж вимушені. Тому, хоча поняття монохроматичности виникло в оптиці (див. монохроматичне світло ), Саме в оптиці були відсутні строго гармонійні коливання і хвилі, т. Е. Коливання з постійними амплітудою, частотою і фазою. У радіофізики, навпаки, незабаром після створення перших іскрових радіопередавачів розвивається техніка отримання гармонійних коливань, створюваних генераторами з коливальними контурами і регульованою позитивним зворотним зв'язком. Немонохроматичність випромінювань оптичного діапазону і відсутність в оптиці методів і концепцій, добре розвинених в радіофізиці, зокрема поняття зворотного зв'язку, послужили причиною того, що мазери з'явилися раніше лазерів.

У 1-ій половині 20 ст. радіофізика і оптика розвивалися різними шляхами. В оптиці розвивалися квантові уявлення, в радіофізиці - хвильові. Спільність радіофізики та оптики, обумовлена ​​спільністю квантової природи електромагнітних хвильових процесів, що не проявлялася до тих пір, поки не виникла радіоспектроскопія , Що вивчає спектри молекул, атомів, іонів, що потрапляють в діапазон СВЧ (1010-1011 гц). Важливою особливістю радіоспектроскопічними досліджень (на відміну від оптичних) було використання джерел монохроматичного випромінювання. Це призвело до набагато більш високої чутливості, роздільної здатності та точності радіоспектроскопів в порівнянні з оптичної спектроскопії. Не менш важливим стало і те обставина, що в радіодіапазоні, на відміну від оптичного діапазону, збуджені рівні в умовах термодинамічної рівноваги сильно населені, а спонтанне випромінювання набагато слабкіше. В результаті вимушене випромінювання безпосередньо позначається на величині спостережуваного резонансного поглинання радіохвиль досліджуваним речовиною. Причиною заселення збуджених рівнів є тепловий рух частинок. При кімнатних температурах тепловому руху відповідає енергія ~ 4 × 10-14 ерг. Для видимого світла з довжиною хвилі l = 0,5 мкм частота коливань n = 6 × 1014 гц, а енергія кванта h n = 1 × 10-12 ерг. Для радіовипромінювання з довжиною хвилі l = 0,5 см частота коливань n = 6 × 1010 гц, енергія квантів h n = 4 × 10-16 ерг. Отже, тепловий рух може сильно населяти збуджені радіоуровні і не може населяти збуджені оптичні рівні.

Перераховані фактори призвели до того, що радіоспектроскопія стала базою робіт по До. В СРСР роботи по радиоспектроскопии газів були розпочаті в лабораторії коливань Фізичного інституту АН СРСР (А. М. Прохоров ), Де поряд з рішенням чисто спектроскопічних задач дослідження йшли також і в напрямку використання спектральних ліній СВЧ для створення стандартів частоти.

Точність стандарту частоти, заснованого на вимірі положення резонансної лінії поглинання, залежить від ширини спектральної лінії. Чим вже е лінія, тим вище точність. Найбільш вузькими лініями володіють гази, так як в газах частки слабо взаємодіють один з одним. Разом з тим теплове хаотичний рух частинок газу викликає в силу Доплера ефекту так зване доплеровское розширення спектральних ліній. Ефективним методом усунення впливу цього розширення є перехід від хаотичного руху до впорядкованого руху, наприклад перехід від газів до молекулярним пучкам . Але в цьому випадку можливості радіоспектроскопа сильно обмежені малою інтенсивністю резонансних ліній. У пучку мало часток і, отже, різниця в числі збуджених і збудженому частинок незначна. На цьому етапі роботи виникла думка про те, що, штучно змінивши співвідношення між числом збуджених і збудженому частинок, можна істотно підвищити чутливість радіоспектроскопа. Більш того, створивши інверсію населенностей в пучку, замість поглинання радіохвиль можна отримати їх посилення. Якщо ж деяка система підсилює радіовипромінювання, то при відповідній зворотного зв'язку вона може генерувати це випромінювання. У радіофізики теорія генерування була добре розроблена. Істотними елементами радіотехнічних генераторів є коливальні контури. В області СВЧ роль контурів грають об'ємні резонатори, особливо зручні для роботи і з пучками часток. Т. о., Саме в радіофізиці існували всі необхідні елементи і передумови для створення першого квантового генератора. У першому приладі До. - молекулярному генераторі, створеному в 1955 одночасно в СРСР (Н. Г. Басов , А. М. Прохоров) і в США (Дж. Гордон, Г. Зейгер, Ч. Таунс ), Активним середовищем був пучок молекул аміаку NH3. Для створення інверсії населенностей застосовувався метод електростатичного просторового сортування. З пучка молекул MH3 вибиралися більш збуджені молекули і відкидалися в сторону молекули, котрі володіли меншою енергією. Відсортований пучок пропускався через об'ємний резонатор, в якому при виконанні умов самозбудження виникала генерація (див. молекулярний генератор ). Частота генератора з високим ступенем точності збігалася з частотою випромінювання збуджених молекул NH3 і тому була надзвичайно стабільна. Відносна стабільність частоти складає 10-11-10-12. Поява молекулярних генераторів відкрило нові можливості в створенні надточних годин і точних навігаційних систем. Їх похибка ~ 1 сек за 300 000 років. Аналогічні за принципом дії, створені пізніше водневі генератори мають ще більшу стабільність частоти ~ 10-13 (див. Квантові стандарти частоти , квантові годинник ).

Та обставина, що До. народилася в радіодіапазоні, пояснює виникнення терміну «квантова радіофізика», інколи використовуваного замість терміна «К. е. », який має більш загальний сенс, охоплюючи і оптичний діапазон.

Отримання інверсії населенностей шляхом відбору збуджених часток не завжди можливо, зокрема це неможливо в твердих тілах. Крім того, на високих оптичних рівнях при не дуже високих температурах збуджених часток практично немає. Тому вже в 1955 був запропонований новий метод створення інверсії населенностей (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров), в якому порушені частки не відбираються з наявної кількості, а створюються. Цей метод, відомий під назвою методу трьох рівнів, полягає в тому, що на частки, в енергетичному спектрі яких є три рівня E1, E2, E3 (рис. 3, а), впливають потужним допоміжним випромінюванням (накачування), яке, поглинаючись частками , «перекачує» їх з рівня E1 на рівень E3 Накачування повинна бути досить інтенсивною, тоді на верхній рівень E3 з нижнього E1 перекидається стільки часток, що їх кількість може стати практично однаковим (рис. 3, б). При цьому на рівні E2 може виявитися більше часток, ніж на рівні E1 (або на рівні E3 більше, ніж на рівні E2), т. Е. Для рівнів E2, E1 (або E3 і E2) матиме місце інверсія населенностей. Частота n H випромінювання накачування відповідає резонансним умовам поглинання, т. Е.

NН = (E3 - E1) / h.

Метод трьох рівнів був застосований за пропозицією Н. Бломберг (1956, США) для створення квантових підсилювачів радіодіапазону на парамагнітних кристалах. Квантові підсилювачі зазвичай працюють при температурі рідкого гелію (4,2 К), коли практично всі частинки знаходяться на найнижчому рівні енергії. При накачуванні половина всіх наявних в кристалі часток перекладається на верхній рівень E2 і бере участь в когерентном посилення. Якщо молекулярний генератор задовольнив потребу електроніки в високостабільного джерелі монохроматичних коливань, то квантовий підсилювач вирішив ін. Найважливішу проблему радіофізики - проблему різкого зменшення шумів, т. Е. Збільшення чутливості радіоприймачів СВЧ. Тому квантові підсилювачі знайшли застосування в радіоастрономії , радіолокації , Лініях глобальної і космічного зв'язку.

Успіхи До. поставили питання про її просуванні в бік більш коротких хвиль. При цьому істотні труднощі представляла розробка резонаторів. У діапазоні СВЧ застосовують закриті порожнини з провідними стінками, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі. Для оптичного випромінювання резонатори такого типу виготовити неможливо. У 1958 був запропонований відкритий резонатор (А. М. Прохоров). У субміліметровому діапазоні резонатор був два паралельних, добре відображають металевих диска, між якими виникає система стоячих хвиль. Для світла цей резонатор зводився до двох паралельних дзеркал і подібний інтерферометра Фабрі - Перо.

Дерло досягнені До. в оптичні діапазоні з'явилося создание в 1960 лазера (Т. Мейман, США). Як робоча Речовини в ньом вікорістовувався монокрістал Рубіна , А для Отримання інверсії населеності БУВ застосовання метод трьох рівнів. Відбівають Дзеркаль резонатора служили добро відполіровані и посріблені торці кристала Рубіна. Джерелом накачування булу лампа - спалах. Рубінові Лазери поряд з лазерами на склі з домішкою неодиму дають рекордні ЕНЕРГІЇ и потужності. У режімі Вільної генерації Великі кристали Рубіна при потужній накачуванні дають в імпульсі Енергію до 1000 дж (Потужність до 106 Вт) .Іншій режим рубіновіх лазерів досягається включенням дзеркал резонатора лишь в певні моменти часу, коли інверсія заселеність досягає максімальної величини, Тоді всі накопічені на метастабільніх Рівні Частки віпромінюють практично відразу, и генератор відає гігантський імпульс випромінювання дуже короткої трівалості (10-8-10-9 сек) з порівняно невелика енергією (около 3 дж.). Але так як ця енергія випромінюється в дуже короткий час, то пікова потужність імпульсу досягає значень 3 × 106-3 × 106 пн.

Незабаром після рубінового лазера був розроблений перший газовий лазер (А. Джаван, В. Беннетт, Д. Гарриот: 1960. США) на суміші атомів неону і гелію. Потім з'явився напівпровідниковий інжекційний лазер (Р. Хол, а також У. Думці з співробітниками; 1962 США). В газових лазерах отримання інверсії населеності досягається не світловий накачуванням, а при зіткненнях атомів або молекул робочого газу з електронами або іонами, наявними в електричному розряді. Серед газових лазерів виділяються неоновий лазер і лазер на суміші вуглекислого газу, азоту і гелію (СО2 - лазер), які можуть працювати, як в імпульсному, так і в безперервному режимах. За допомогою гелій-неонового лазера отримані світлові коливання дуже високої стабільності (~ 10-13) і високою монохроматичности (D n = 1 гц при частоті 1014 гц). Хоча ккд цього лазера украй невеликий (0,01%), саме висока монохроматичность і спрямованість його випромінювання (обумовлені, зокрема, однорідністю його активного середовища) зробили цей лазер незамінним при всякого роду юстіровочних і нівелювальних роботах. Потужний СО2 - лазер (К. Пател, 1964, США) генерує інфрачервоне випромінювання (l = 10,6 мкм). Його ккд, що досягає 30%, перевершує ккд всіх існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі. особливо перспективний газодинамический лазер на СО2. З його допомогою можна отримати в безперервному режимі потужність в десятки квт. Монохроматичність, спрямованість і висока потужність роблять його вельми перспективним для цілого ряду технологічних застосувань.

В напівпровідникових лазерах інверсія досягається головним чином при інжекції носіїв струму через електронно-дірковий перехід відповідним чином легованого напівпровідника . Є досить багато напівпровідникових матеріалів, з яких виготовляються лазери в широкому діапазоні довжин хвиль. Найбільш поширеним з них є арсенід галію (GaAs), який при температурі рідкого азоту може випромінювати в безперервному режимі в ближній інфрачервоній області потужність до 10 Вт при ккд = 30%. Змінюючи струм інжекції, можна досить безінерційний управляти потужністю, що генерується інжекційними лазерами. Це робить перспективним їх застосування в швидкодіючих обчислювальних машинах і в системах зв'язку.

Для отримання інверсії населеності в парамагнітному квантовому підсилювачі, в рубіновому лазері, в газових і напівпровідникових лазерах і ін. Використовуються абсолютно різні фізичні явища. Але єдиним і головним фактором для всіх методів створення інверсії населеності є необхідність подолання процесів, спрямованих до відновлення рівноважної населеності. Перешкоджати процесам відновлення рівноважної населеності можна, тільки витрачаючи енергію, що надходить від зовнішнього джерела живлення. При цьому в лазерне випромінювання перетвориться, як правило, мала частка енергії накачування. У режимі вільної генерації ккд рубінового лазера менше 1%, в режимі гігантських імпульсів ще менше. Однак «програш» в кількості енергії випромінювання компенсується в До. виграшем в його «якості», монохроматичности і спрямованості випромінювання, обумовлених властивостями вимушеного випромінювання.

Монохроматичність і висока спрямованість дозволяють сфокусувати всю енергію лазерного випромінювання в пляму з розмірами, близькими до довжини хвилі випромінювання. В цьому випадку електричне поле світлової хвилі досягає значень, близьких до внутрішньоатомних полях. При взаємодії таких полів з речовиною виникають абсолютно нові явища.

Застосування До. революціонізували радіофізику СВЧ і оптику. Найбільш глибокі перетворення До. внесла в оптику. У радіофізики створення мазерів означало появу радіопристроїв хоча принципово і нових, але в той же час володіють звичними для радіоінженера властивостями. І до появи До. в радіофізиці існували когерентні підсилювачі і монохроматичні генератори. К. е. лише різко поліпшила чутливість підсилювачів (в 103 разів) і стабільність частоти генераторів (в десятки тисяч разів). В оптиці ж всі джерела світла до появи лазерів не володіли ні скільки-небудь помітною спрямованістю, ні монохроматичністю. Створення лазерів означало появу джерел світла, що володіють абсолютно новими властивостями. Це дало небачену раніше в оптиці можливість концентрувати енергію випромінювання як в просторі, так і у вузькому частотному інтервалі.

Промисловість випускає різні типи лазерів, які використовуються не тільки як ефективний інструмент наукових досліджень, але і для вирішення різного роду практичних завдань. Основні переваги лазерної дії - мала область поширення тепла, відсутність перенесення електричних зарядів і механічного контакту, можливість працювати всередині вакуумних балонів і в агресивних газах. Одним з перших застосувань лазерів був вимір відстані до Місяця з більшою точністю, ніж це було зроблено радіофізичним методом. Після того як на Місяці був встановлений кутовий відбивач , Відстань до неї було виміряно з точністю до 1,5 м .Існує лазерна локаційна служба відстані Земля - Місяць.

Нові можливості відкрило вживання лазерів в оптичних лініях зв'язку. Розвиток оптичних ліній зв'язку з їх завданнями модуляції коливань , детектування , Гетеродінірованія, перетворення частоти світлових коливань зажадало перенесення в оптику методів радіофізики та теорії коливань.

виникла нелінійна оптика , Що вивчає нелінійні оптичні ефекти, характер яких залежить від інтенсивності світла ( самофокусировка світла , Генерація оптичних гармонік, вимушене розсіювання світла , Параметрична генерація світла, самопросветленіе або самозатемненія світла). Методами нелінійної оптики створений новий клас перебудовуються по частоті джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Нелінійні явища в оптиці існують лише у вузькому діапазоні інтенсивностей лазерного випромінювання. При малих інтенсивностях нелінійні оптичні ефекти відсутні, потім у міру зростання інтенсивності вони виникають, зростають, але вже при потоках інтенсивності 1014 вт / см 2 всі відомі речовини руйнуються лазерним променем і перетворюються в плазму Отримані і дослідження лазерної плазми є одним з найбільш цікавих застосувань лазерів. Здійснено термоядерний синтез, ініційований лазерним випромінюванням .

Завдяки високій концентрації електромагнітної енергії в просторі і по спектру лазери знаходять широке застосування в мікробіології, фотохімії, хімічному синтезі, дисоціації, каталізі. К. е. привела до розвитку голографії - методу отримання об'ємних зображень предметів відновленням структури світлової хвилі, відбитої предметом.

Роботи по До. були відзначені Нобелівською премією 1964 по фізиці (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, СРСР, і Ч. Таунс, США).

Літ .: Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Фабрикант В., Класика, кванти і квантова електроніка, «Наука і життя», 1965, № 10; Прохоров А. М., Квантова електроніка, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 85, ст. 4; Басов Н. Г., Напівпровідникові квантові генератори, там же, 1965, т. 85, ст. 4; Шавлов А., Сучасні оптичні квантові генератори, там же, 1963, т. 81, ст. 4; Таунс Ч., Здобуття когерентного випромінювання за допомогою атомів і молекул, там же, 1966, т. 88, ст. 3.

Н. В. Карлов.

Мал. 3. Метод трьох рівнів: а - населеності рівнів при відсутності накачування; б - потужне допоміжне випромінювання накачування зрівнює населеності рівнів Е 1 і Е 3, створюючи тим самим інверсію заселеність рівня Е 2 по відношенню до рівня Е 1.

Мал. 1. a - спонтанне випромінювання фотона; б - вимушене випромінювання; в - резонансне поглинання; Е 1 і Е 2 - рівні енергії атома.

Мал. 2. Розподіл часток по рівнях енергії Е 0, Е 1, Е 2, Е 3, Е 4, Е 5 відповідно до статистики Больцмана; N - число часток на рівні.