Kvanteelektronik

Kvanteelektronik er et felt inden for fysik , der studerer metoder til forstærkning og generering af elektromagnetisk stråling baseret på brugen af fænomenet stimuleret emission i ikke- ligevægts kvantesystemer , såvel som egenskaberne af forstærkere og generatorer opnået på denne måde og deres anvendelse i elektroniske enheder . .

Fysisk grundlag for kvanteelektronik

Fra klassisk elektroniks synspunkt udføres genereringen af elektromagnetisk stråling på grund af den kinetiske energi af frie elektroner , der bevæger sig sammen i et oscillerende kredsløb . I overensstemmelse med begreberne kvanteelektronik er strålingsenergien taget fra den indre energi af kvantesystemer ( atomer , molekyler , ioner ), frigivet under strålingsovergange mellem dets energiniveauer . Der er to typer strålingsovergange - spontan emission og stimuleret emission . Med spontan emission udsender et exciteret system spontant uden ydre påvirkninger en foton , hvis egenskaber ( frekvens , polarisering , udbredelsesretning) på ingen måde er relateret til egenskaberne af fotoner udsendt af andre partikler. En fundamentalt anderledes situation observeres i tilfælde af stimuleret emission af en foton under påvirkning af ekstern stråling af samme frekvens. I dette tilfælde dannes en foton med nøjagtig de samme egenskaber som dem af de fotoner, der forårsagede dens fremkomst, det vil sige, at der dannes sammenhængende stråling. Endelig er der en proces med absorption af fotoner fra ekstern stråling, som er modsat stimuleret emission.

Normalt dominerer absorption over stimuleret emission. Hvis den modsatte situation kunne opnås, ville den indledende eksterne (tvingende) bølge blive forstærket i stoffet. Overvej overgange mellem energiniveauer og , karakteriseret ved frekvens , således at ( er Plancks konstant ). Overgangssandsynlighederne defineres gennem de såkaldte. Einstein-koefficienter og : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $EN$ $B$

til spontane overgange , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
til absorption , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
for stimuleret emission ( er den spektrale volumetriske energitæthed). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

I dette tilfælde ( niveauerne antages at være ikke -degenererede ). Ændringen i energitætheden af en elektromagnetisk bølge er lig med forskellen mellem den energi, der udsendes og absorberes i tvungne processer og er proportional med forskellen i niveaupopulationer: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

{\displaystyle (n_{i}-n_{k})h\nu B_{ik}\rho _{\nu }^{))

I en tilstand af termodynamisk ligevægt følger populationerne Boltzmann-fordelingen, således at

n_{i}=n_{k}\exp {(-h\nu /kT)}<n_{k}^{}

derfor absorberes energien af systemet, og bølgen dæmpes. For at bølgen skal forstærkes, er det nødvendigt, at betingelsen er opfyldt , det vil sige, at systemet er i en ikke-ligevægtstilstand. En sådan situation, når befolkningen på det øverste niveau er større end den nederste, kaldes befolkningsinversion eller et system med en negativ temperatur . Denne tilstand af systemet er karakteriseret ved en negativ værdi af absorptionsindekset , det vil sige, at den elektromagnetiske bølge forstærkes. $n_{i}>n_{k}^{}$

Du kan kun skabe en befolkningsinversion ved at bruge energi - den såkaldte pumpeenergi . Et medium med populationsinversion kaldes aktivt. Det er således muligt at opnå kohærent forstærkning af stråling i det aktive medium. For at gøre forstærkeren til en generator er det nødvendigt at placere mediet i et positivt feedback-system , der returnerer en del af strålingen tilbage til mediet. For at skabe feedback bruges volumetriske og åbne resonatorer . Endelig, for at skabe stabil produktion, er det nødvendigt at overskride energien af stimuleret emission over energitab ( spredning , opvarmning af mediet, nyttig stråling), hvilket fører til kravet om, at pumpeeffekten overstiger en vis tærskelværdi.

Einsteins fænomenologiske teori blev konstrueret til det tilfælde, hvor emitteren er i frit rum, og som udstråler i et uendeligt antal rumtilstande. Når man placerer en emitter i et rum med et begrænset antal tilstande, ændres Einstein-koefficienterne , se artiklen om Purcell-faktoren $A_{ik},B_{ik}$

Fra kvanteelektronikkens historie

Baggrund

Begrebet stimuleret emission blev introduceret af A. Einstein i 1917 på baggrund af termodynamiske overvejelser og blev brugt til at opnå Plancks formel . I 1940 foreslog V. A. Fabrikant at bruge stimuleret emission til at forstærke lyset, men denne idé blev ikke værdsat på det tidspunkt. Den umiddelbare forløber for kvanteelektronik var radiospektroskopi , som gav mange eksperimentelle metoder til at arbejde med molekylære og atomare stråler ( I. Rabi , 1937 ) og satte opgaven med at skabe kvantefrekvens- og tidsstandarder . Også i 1944 opdagede E.K. Zavoisky elektron paramagnetisk resonans .

Masers

Fødselsdatoen for kvanteelektronik kan betragtes som 1954 , da N. G. Basov og A. M. Prokhorov i USSR og uafhængigt J. Gordon, H. Zeiger og C. Townes i USA skabte den første kvantegenerator ( maser ) baseret på ammoniakmolekyler . Generering i den udføres ved en bølgelængde på 1,25 cm, svarende til overgange mellem tilstande af molekyler med en spejlsymmetrisk struktur. Populationsinversion opnås på grund af den rumlige adskillelse af exciterede og uexciterede molekyler i et meget inhomogent elektrisk felt (se Stark-effekten ). Den sorterede molekylære stråle føres gennem en hulrumsresonator , som tjener til at implementere feedback. Efterfølgende blev andre molekylære generatorer skabt, såsom brintstrålemaseren . Moderne masere gør det muligt at opnå frekvensstabilitet , hvilket gør det muligt at skabe ultrapræcise ure . $\Delta \nu /\nu \ca. 10^{-11}-10^{-13}$

Det næste vigtige skridt i udviklingen af kvanteelektronik var den tre-niveau metode , der blev foreslået i 1955 af N. G. Basov og A. M. Prokhorov , som gjorde det muligt betydeligt at forenkle opnåelsen af inversion og bruge optisk pumpning til dette formål . På dette grundlag, i 1957 - 1958, skabte G. E. D. Skovil (HED Scovil) og andre kvanteforstærkere baseret på paramagnetiske krystaller (for eksempel rubin ), der opererer i radioområdet.

Lasere

For at fremme kvantegeneratorer i området for optiske frekvenser, vendte ideen om A. M. Prokhorov om brugen af åbne resonatorer (et system af parallelle spejle, som i Fabry-Perot-resonatoren ), som er ekstremt praktisk til pumpning . ude at være vigtig . Den første laser på en rubinkrystal, som gav stråling ved en bølgelængde på 0,6934 μm, blev skabt af Th. Maiman i 1960 . Optisk pumpning i den er implementeret ved hjælp af pulserende gasudladningslamper . Rubinlaseren var den første faststoflaser, og lasere baseret på neodymglas og neodymgranatkrystaller (bølgelængde 1,06 μm) skiller sig også ud. Solid-state lasere gjorde det muligt at opnå generering af højeffekts korte( r) og ultrakorte( r) lysimpulser i Q-switching og resonator mode-locking kredsløb . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Snart skabte A. Javan den første gaslaser baseret på en blanding af helium- og neonatomer (bølgelængde 0,6328 µm). Pumping i det udføres ved elektronpåvirkning i en gasudladning og resonansenergioverførsel fra hjælpegassen (i dette tilfælde helium ) til hovedgassen ( neon ). Blandt andre typer gaslasere , kraftige kuldioxidlasere (bølgelængde 10,6 μm, hjælpegasser - nitrogen og helium ), argonlasere ( 0,4880 og 0,5145 μm), cadmiumlaser (0,4416 og 0,3250 mikron), copperpumper damplaser , på grund af henfald af molekyler i grundtilstanden), kemiske lasere (pumpning på grund af kemiske reaktioner , for eksempel en kædereaktion af fluor - brintforbindelser ).

I 1958 lagde N. G. Basov , B. M. Vul og Yu. M. Popov grundlaget for teorien om halvlederlasere , og allerede i 1962 blev den første injektionslaser skabt [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) og andre] Interessen for dem skyldes let fremstilling, høj effektivitet og muligheden for jævn frekvensjustering over et bredt område (strålingens bølgelængde bestemmes af båndet hul ). Et andet væsentligt resultat er skabelsen i 1968 af lasere baseret på halvleder-heterostrukturer .

I slutningen af 1960'erne blev der udviklet og skabt organiske farvestofmolekylelasere , som har et ekstremt bredt forstærkningsbånd, som gør det muligt at justere genereringsfrekvensen jævnt ved brug af dispersive elementer ( prismer , diffraktionsgitter ). Et sæt med flere farvestoffer giver dig mulighed for at dække hele det optiske område.

Anvendelser af kvanteelektronik

Masere har gjort det muligt at forbedre følsomheden og stabiliteten af radioenheder, som har fundet anvendelse i radioastronomi (opdagelse af kosmisk mikrobølgebaggrund og interstellar brint ) og rumkommunikation .
Lasere gjorde det muligt at opnå elektriske feltstyrker, der kan sammenlignes med intraatomiske, hvor stoffets egenskaber begynder at afhænge af lysbølgens intensitet : virkningerne af ikke-lineær optik vises . De giver en mulighed for at studere stof og kontrollere karakteristikaene for en lysstråle ( multifotonprocesser , mætning og resonansblegningsfænomener , generering af harmoniske , sum- og forskelsfrekvenser, parametrisk lysgenerering , selvfokuserende fænomener , stimuleret lysspredning osv.)
Lasere bruges til at skabe og kontrollere højtemperaturplasmaer , herunder med henblik på termonuklear fusion .
Kvanteelektronik har ført til en betydelig stigning i opløsningen af spektroskopiske systemer ( laserspektroskopi ).
Laserstrålingens monokromaticitet gør det muligt selektivt at påvirke et stof, som bruges i fotokemi og fotobiologi , laserrensning og laserisotopseparation .
Brugen af kvanteelektronik i metrologi til at skabe kvantefrekvens- og tidsstandarder , laserafstandsmålere , kemiske fjernanalysesystemer, laserplacering .
Lasere er meget udbredt i optisk kommunikation og informationsbehandlingssystemer , som kombinerer principperne for fiber og integreret optik .
Den høje grad af sammenhæng mellem laserkilder gjorde det muligt at implementere ideen om holografi og holografiske enheder.
Lasere har mange anvendelser inden for medicin ( kirurgi , oftalmologi osv.) og teknologi ( svejsning , skæring osv.).

Litteratur

Generel information og populærvidenskabelig litteratur

Quantum Electronics: Little Encyclopedia. — M.: SE, 1969.
A. Pekar . Et nyt look til optik. - M.: Sovjetisk radio, 1973.
N. V. Karlov . Kvanteelektronik. // Mikrokosmos fysik: Lille Encyklopædi. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Zhabotinsky. Kvanteelektronik. Arkiveret 4. oktober 2009 på Wayback Machine // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M .: SE, 1990. - S. 319-320.

Monografier

N. V. Karlov , A. A. Manenkov. kvanteforstærkere. - M.: 1966.
N. Blombergen . Ikke-lineær optik. - M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Zhabotinsky, V. F. Zolin. Kvantefrekvensstandarder. - M.: 1968
R. Pantel, G. Puthoff. Grundlæggende om kvanteelektronik. — M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midvinter. Anvendt ikke-lineær optik. — M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Kvanteelektronik. — M.: Sovjetisk radio, 1980.
S. A. Akhmanov og N. I. Koroteev Metoder til ikke-lineær optik i lysspredningsspektroskopi. - M.: 1981.
O. Zvelto. Principper for lasere. — M.: Mir, 1984.
I.R. Shen. Principper for ikke-lineær optik. - M.: 1989.

Artikler

A. M. Prokhorov , N. G. Basov . Molekylær generator og forstærker //UFN. -1955. -T. 57,nr. 3. -S. 485-501.
A. M. Prokhorov . Kvanteelektronik // UFN . - 1965. - T. 85 , nr. 4 . - S. 599-604 .
A. Shavlov . Moderne optiske kvantegeneratorer // UFN . - 1963. - T. 81 , nr. 12 .
N.G. Basov . Halvleder kvantegeneratorer // UFN . - 1965. - T. 85 , nr. 4 .
C. Byer . Opnåelse af sammenhængende stråling ved hjælp af atomer og molekyler // UFN . - 1966. - T. 88 , nr. 3 .
C. Byer . Kvanteelektronik og tekniske fremskridt // UFN . - 1969. - T. 98 , nr. 5 .
N. V. Karlov , A. M. Prokhorov . Laser isotopadskillelse //UFN. -1976. -T. 118,nr. 4. -S. 583-609.
A. M. Prokhorov , N. V. Karlov . Kvanteelektronik og Einsteins teori om stråling // UFN . - 1979. - T. 128 , nr. 3 .
A. M. Prokhorov . Til 25 års jubilæum for laseren // UFN . - 1986. - T. 148 , nr. 1 .
A. A. MANENKOV Om elektronens paramagnetiske resonans rolle i dannelsen og udviklingen af kvanteelektronik: fakta og kommentarer // Phys . - 2006. - T. 176 , nr. 6 .

Links

Journal of Quantum Electronics Arkiveret 3. april 2007 på Wayback Machine .
Quantum Electronics vilkår og e-bøger Arkiveret 10. april 2009 på Wayback Machine .

Ordbøger og encyklopædier	Stor russer
I bibliografiske kataloger	NDL : 00569866 NKC : ph520068