Kvantumelektronika

A kvantumelektronika a fizika egy olyan területe , amely az elektromágneses sugárzás erősítésére és generálására szolgáló módszereket tanulmányoz, amelyek a stimulált emisszió jelenségének felhasználásán alapulnak nem egyensúlyi kvantumrendszerekben , valamint az így nyert erősítők és generátorok tulajdonságait és alkalmazásukat elektronikus eszközökben . .

A kvantumelektronika fizikai alapjai

A klasszikus elektronika szempontjából az elektromágneses sugárzás generálása az oszcillációs áramkörben összehangoltan mozgó szabad elektronok kinetikus energiája révén valósul meg . A kvantumelektronika felfogása szerint a sugárzási energiát a kvantumrendszerek ( atomok , molekulák , ionok ) belső energiájából veszik, amely az energiaszintek közötti sugárzási átmenetek során szabadul fel . A sugárzási átmeneteknek két típusa van: spontán emisszió és stimulált emisszió . Spontán emisszió esetén egy gerjesztett rendszer spontán módon, külső hatások nélkül bocsát ki egy fotont , amelynek jellemzői ( frekvencia , polarizáció , terjedési irány) semmilyen kapcsolatban nem állnak más részecskék által kibocsátott fotonok jellemzőivel. Alapvetően eltérő helyzet figyelhető meg egy foton stimulált emissziója esetén, azonos frekvenciájú külső sugárzás hatására. Ebben az esetben egy foton keletkezik , amelynek tulajdonságai pontosan megegyeznek a megjelenését okozó fotonokkal, azaz koherens sugárzás keletkezik. Végül, van egy folyamat a fotonok abszorpciója a külső sugárzásból, ami ellentétes a stimulált emisszióval.

Általában az abszorpció dominál a stimulált emisszióval szemben. Ha az ellenkező helyzetet sikerül elérni, akkor a kezdeti külső (kényszerítő) hullám megerősödne az anyagban. Tekintsük átmeneteket a és energiaszintek között , frekvenciával jellemezve , így ( Planck állandója ). Az átmenet valószínűségeit az ún. Einstein együtthatók és : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $A$ $B$

spontán átmenetekhez , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
a felszívódáshoz , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
stimulált emisszió esetén ( a spektrális térfogati energiasűrűség). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

Ebben az esetben ( a szinteket nem degeneráltnak feltételezzük ). Az elektromágneses hullám energiasűrűségének változása egyenlő a kényszerfolyamatokban kibocsátott és elnyelt energia különbségével, és arányos a szintpopulációk különbségével: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

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

Termodinamikai egyensúlyi állapotban a populációk a Boltzmann-eloszlást követik, így

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

ezért az energiát a rendszer elnyeli és a hullám csillapodik. A hullám felerősítéséhez az szükséges, hogy a feltétel teljesüljön , vagyis a rendszer egyensúlyi állapottól mentes legyen. Az ilyen helyzetet, amikor a felső szint populációja nagyobb, mint az alsó, populációinverziónak , vagy negatív hőmérsékletű rendszernek nevezzük . A rendszer ezen állapotát az abszorpciós index negatív értéke jellemzi , vagyis az elektromágneses hullám felerősödik. $n_{i}>n_{k}^{}$

Népesség-inverziót csak energia - az úgynevezett szivattyúenergia - elköltésével hozhat létre . A populációinverziójú közeget aktívnak nevezzük. Így lehetséges a sugárzás koherens erősítése az aktív közegben. Az erősítő generátorrá alakításához a közeget pozitív visszacsatolású rendszerbe kell helyezni, amely a sugárzás egy részét visszaadja a közegnek. A visszacsatolás létrehozásához volumetrikus és nyitott rezonátorokat használnak . Végül a stabil termelés megteremtéséhez meg kell haladni a stimulált emisszió energiáját az energiaveszteségeken ( szórás , közeg melegítése, hasznos sugárzás), ami ahhoz vezet, hogy a szivattyú teljesítménye meghaladjon egy bizonyos küszöbértéket.

Einstein fenomenológiai elmélete arra az esetre készült, amikor az emitter szabad térben van, és végtelen számú térmódba sugárzik. Ha egy emittert korlátozott számú móddal rendelkező térbe helyezünk, az Einstein-együtthatók megváltoznak, lásd a Purcell-tényezőről szóló cikket $A_{ik},B_{ik}$

A kvantumelektronika történetéből

Háttér

A stimulált emisszió fogalmát A. Einstein vezette be 1917 -ben termodinamikai megfontolások alapján , és a Planck-képlet előállításához használta . 1940 -ben V. A. Fabrikant javasolta a stimulált emisszió használatát a fény erősítésére, de ezt az ötletet akkoriban nem értékelték. A kvantumelektronika közvetlen előfutára a rádióspektroszkópia volt , amely számos kísérleti módszert kínált a molekuláris és atomi nyalábokkal végzett munkához ( I. Rabi , 1937 ), és kvantumfrekvencia- és időszabványok létrehozását tűzte ki célul . Szintén 1944-ben E. K. Zavoisky felfedezte az elektronparamágneses rezonanciát .

Masers

A kvantumelektronika születési dátuma 1954 , amikor N. G. Basov és A. M. Prokhorov a Szovjetunióban , valamint egymástól függetlenül J. Gordon, H. Zeiger és C. Townes az Egyesült Államokban létrehozta az első ammónia molekulákon alapuló kvantumgenerátort ( maser ). . A generálás benne 1,25 cm-es hullámhosszon történik, ami a tükörszimmetrikus szerkezetű molekulák állapotai közötti átmeneteknek felel meg . A populáció inverziója a gerjesztett és nem gerjesztett molekulák térbeli szétválásának köszönhető egy erősen inhomogén elektromos térben (lásd Stark-effektus ). A szétválogatott molekulanyalábot egy üreges rezonátoron vezetik át , amely a visszacsatolás megvalósítására szolgál. Ezt követően más molekulagenerátorokat hoztak létre, mint például a hidrogénsugár-maser . A modern maserek lehetővé teszik a frekvenciastabilitás elérését , ami lehetővé teszi ultraprecíz órajelek létrehozását . $\Delta \nu /\nu \kb. 10^{-11}-10^{-13}$

A következő fontos lépés a kvantumelektronika fejlesztésében az 1955-ben N. G. Basov és A. M. Prokhorov által javasolt háromszintű módszer volt, amely lehetővé tette az inverzió elérésének jelentős egyszerűsítését és az optikai pumpálás alkalmazását erre a célra . Ezen az alapon 1957-1958 - ban G. E. D. Skovil (HED Scovil) és mások paramágneses kristályokon (például rubinon ) alapuló kvantumerősítőket hoztak létre, amelyek rádiótartományban működtek.

Lézerek

A kvantumgenerátorok fejlesztése érdekében az optikai frekvenciák tartományában megfordult A. M. Prokhorov ötlete a nyitott rezonátorok használatáról (párhuzamos tükrök rendszere, mint a Fabry-Perot rezonátorban ), amely rendkívül kényelmes a szivattyúzáshoz . fontosnak lenni . Az első rubinkristályon lévő lézert , amely 0,6934 μm hullámhosszú sugárzást adott, Th. Maiman készítette 1960 -ban . Az optikai szivattyúzást impulzusos gázkisüléses lámpákkal valósítják meg . A rubinlézer volt az első szilárdtest lézer, és a neodímium üvegen és neodímium gránátkristályokon alapuló lézerek (hullámhossza 1,06 μm) is kiemelkednek. A szilárdtestlézerek lehetővé tették nagy teljesítményű rövid( ek) és ultrarövid( ek) fényimpulzusok előállítását Q-kapcsolási és rezonátormód-reteszelő áramkörökben . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Hamarosan A. Javan megalkotta az első gázlézert , amely hélium és neon atomok keverékén alapul (hullámhossza 0,6328 μm). A szivattyúzás gázkisülésben elektron becsapódással és a segédgázból (jelen esetben héliumból ) a fő gázba ( neon ) történő rezonanciaenergia átvitel útján történik. A gázlézerek egyéb típusai közül a nagy teljesítményű szén-dioxid lézerek (hullámhossz 10,6 μm, segédgázok - nitrogén és hélium ), argonlézerek (0,4880 és 0,5145 μm), kadmiumlézerek ( 0,4416 és 0,3250 mikron) , rézszivattyús gőzlézerek az alapállapotban lévő molekulák bomlása miatt), kémiai lézerek ( kémiai reakciók miatti pumpálás , például fluor - hidrogén vegyületek láncreakciója ).

1958- ban N. G. Basov , B. M. Vul és Yu. M. Popov lefektették a félvezető lézerek elméletének alapjait , és már 1962 -ben megalkották az első injekciós lézert [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) és mások] Az érdeklődés irántuk az egyszerű gyártás, a nagy hatásfok és a széles tartományon belüli zökkenőmentes frekvenciahangolás lehetősége (a sugárzás hullámhosszát a sáv határozza meg) rés ). Egy másik jelentős eredmény a félvezető heterostruktúrákon alapuló lézerek létrehozása 1968 -ban .

Az 1960-as évek végén olyan szerves festékmolekulájú lézereket fejlesztettek ki és hoztak létre , amelyek rendkívül széles erősítési sávval rendelkeznek, ami lehetővé teszi a generálási frekvencia zökkenőmentes hangolását diszperzív elemek ( prizmák , diffrakciós rácsok ) alkalmazásakor. A több festékből álló készlet lehetővé teszi a teljes optikai tartomány lefedését.

A kvantumelektronika alkalmazásai

A Maserek lehetővé tették a rádiókészülékek érzékenységének és stabilitásának javítását, amely alkalmazásra talált a rádiócsillagászatban ( a kozmikus mikrohullámú háttér és a csillagközi hidrogén felfedezése ) és az űrkommunikációban .
A lézerek lehetővé tették az atomon belüliekhez hasonló elektromos térerősségek elérését, amelyeknél az anyag tulajdonságai a fényhullám intenzitásától kezdenek függni : megjelennek a nemlineáris optika hatásai . Lehetővé teszik az anyag tanulmányozását és a fénysugár jellemzőinek szabályozását ( többfoton folyamatok , telítési és rezonáns fehérítési jelenségek , harmonikusok generálása , összeg- és különbségfrekvenciák, parametrikus fénygenerálás , önfókuszáló jelenségek , stimulált fényszórás stb.)
A lézereket magas hőmérsékletű plazmák létrehozására és szabályozására használják , beleértve a termonukleáris fúziót is .
A kvantumelektronika a spektroszkópiai rendszerek ( lézerspektroszkópia ) felbontásának jelentős növekedéséhez vezetett .
A lézersugárzás monokromatikussága lehetővé teszi egy anyag szelektív hatását, amelyet a fotokémiában és a fotobiológiában , a lézeres tisztításban és a lézeres izotóp-leválasztásban használnak .
A kvantumelektronika használata a metrológiában kvantumfrekvencia- és időszabványok , lézeres távolságmérők , távoli kémiai elemző rendszerek, lézeres helymeghatározás létrehozására .
A lézereket széles körben használják az optikai kommunikációs és információfeldolgozó rendszerekben , amelyek egyesítik a szálas és az integrált optika elveit .
A lézerforrások nagyfokú koherenciája lehetővé tette a holográfia és a holografikus eszközök ötletének megvalósítását.
A lézereknek számos alkalmazása van az orvostudományban ( sebészet , szemészet stb.) és a technológiában ( hegesztés , vágás stb.).

Irodalom

Általános tájékoztató és ismeretterjesztő irodalom

Kvantumelektronika: Kis Enciklopédia. — M.: SE, 1969.
A. Pekar . Az optika új megjelenése. — M.: Szovjet rádió, 1973.
N. V. Karlov . Kvantumelektronika. // A mikrokozmosz fizikája: Kis Enciklopédia. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Zhabotinsky. Kvantumelektronika. Archivált : 2009. október 4. a Wayback Machine -nél // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M .: SE, 1990. - S. 319-320.

Monográfiák

N. V. Karlov , A. A. Manenkov. kvantum erősítők. — M.: 1966.
N. Blombergen . Nemlineáris optika. — M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Zhabotinsky, V. F. Zolin. Kvantumfrekvencia szabványok. — M.: 1968
R. Pantel, G. Puthoff. A kvantumelektronika alapjai. — M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midwinter. Alkalmazott nemlineáris optika. — M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Kvantumelektronika. — M.: Szovjet rádió, 1980.
S. A. Akhmanov és N. I. Koroteev A nemlineáris optika módszerei a fényszórási spektroszkópiában. — M.: 1981.
O. Zvelto. A lézerek alapelvei. — M.: Mir, 1984.
I. R. Shen. A nemlineáris optika alapelvei. — M.: 1989.

Cikkek

A. M. Prohorov , N. G. Basov . Molekulagenerátor és erősítő //UFN. –1955. -T. 57,3. sz. -S. 485-501.
A. M. Prohorov . Kvantumelektronika // UFN . - 1965. - T. 85 , 4. sz . - S. 599-604 .
A. Shavlov . Modern optikai kvantumgenerátorok // UFN . - 1963. - T. 81 , 12. sz .
N. G. Basov . Félvezető kvantumgenerátorok // UFN . - 1965. - T. 85 , 4. sz .
C. Towns . Koherens sugárzás előállítása atomok és molekulák segítségével // UFN . - 1966. - T. 88 , 3. sz .
C. Towns . Kvantumelektronika és műszaki fejlődés // UFN . - 1969. - T. 98 , 5. sz .
N. V. Karlov , A. M. Prohorov . Lézeres izotópleválasztás //UFN. –1976. -T. 118,4. sz. -S. 583-609.
A. M. Prohorov , N. V. Karlov . Kvantumelektronika és Einstein sugárzáselmélete // UFN . - 1979. - T. 128 , 3. sz .
A. M. Prohorov . A lézer 25. évfordulójára // UFN . - 1986. - T. 148 , 1. sz .
A. A. MANYENKOV Az elektronparamágneses rezonancia szerepéről a kvantumelektronika kialakulásában és fejlődésében: tények és megjegyzések // Phys . - 2006. - T. 176 , 6. sz .

Linkek

Journal of Quantum Electronics archiválva 2007. április 3-án a Wayback Machine -nél .
Quantum Electronics feltételek és e-könyvek archiválva 2009. április 10-én a Wayback Machine -nél .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy orosz
Bibliográfiai katalógusokban	NDL : 00569866 NKC : ph520068