КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА область физики, изучающая методы усиления
и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта
вынужденного
излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их
применения. Практич. интерес к квантовым генераторам света
(лазерам)
обусловлен
прежде всего тем, что они, в отличие от др. источников света, излучают
световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью.
Квантовые генераторы радиоволн отличаются от др. радиоустройств высокой
стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители
радиоволн
- предельно низким уровнем шумов.

Физические основы квантовой электроники. Свет и радиоволны являются
электромагнитным излучением, порции которого кванты (или фотоны) могут
испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими
нек-рой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами). Внутренняя
энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь нек-рые строго
определённые дискретные значения, наз. уровнями энергии. Уменьшение
внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии
на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения,
то частота излучаемых волн определяется
условием Бора:

где h = 6,62-10-²⁷ эрг-сек - Планка постоянная.
Аналогично
увеличение внутренней энергии атома означает его переход с нижнего
уровня E на верхний Eсвязано с поглощением кванта излучения, то . частота поглощаемого излучения
определяется тем же условием (1). T. о., условие (1) определяет частоту
спектральной линии поглощения или излучения, характерную для данных частиц.
Взаимодействие частиц с окружающими их частицами и полями, а также "краткость
их жизни на уровне" приводят к "размытию" уровней энергии. В результате
условие (1) выполняется не для одного фиксированного значения частоты v,
a для интервала значений частот, при этом спектральные линии приобретают
ширину (см. Ширина спектральных линий).

Возбуждённые частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения
двумя способами. Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них
существует определённая вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить
квант излучения (рис. 1, в). Акты спонтанного испускания происходят случайно.
Поэтому спонтанное излучение носит хаотич. характер. Фотоны испускаются
различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту,
поляризацию и направление распространения. Интенсивность спонтанного излучения
пропорциональна кубу частоты и поэтому резко падает при переходе от световых
волн к радиоволнам. Все не лазерные источники света (лампы накаливания,
газоразрядные лампы и т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного
излучения. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств
и тепловое радиоизлучение нагретых тел. Возбуждённые частицы могут испускать
фотоны, переходя с верхнего уровня энергии Eна нижний
уровень Eне только самопроизвольно, но и под воздействием
внешнего излучения (вынужденно), если частота этого внешнего излучения
удовлетворяет условию (1) (рис. 1, б). Вероятность вынужденного
испускания, предсказанного А. Эйнштейном (1917), пропорциональна
интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного
процесса. T. о., в процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта
излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбуждённым
атомом. Существенно, что вторичные кванты неотличимы от первичных. Они
обладают в точности такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением
распространения. На эту особенность вынужденного излучения, имеющую основополагающее
значение для К. э., впервые указал П. Дирак (1927). Тождественные
кванты формируют электромагнитную волну, являющуюся точной усиленной копией
исходного излучения. С ростом числа актов вынужденного испускания в 1 сек
интенсивность
волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление распространения
остаются неизменными. Происходит когерент ное усиление электромагнитного
излучения (см. Когерентность).

Для одной частицы вынужденные переходы с верхнего уровня Eэнергии на нижний E1,6)
и
с нижнего на верхний (поглощение фотона, рис. 1, в) одинаково вероятны.
Поэтому когерентное усиление волны возможно только при превышении числа
возбуждённых частиц над невозбуждёнными. В условиях равновесия термодинамического
число
возбуждённых частиц меньше числа невозбуждённых, т. е. верхние уровни энергии
населены частицами меньше, чем нижние, в соответствии с распределением
Больцмана частиц по уровням энергии (рис. 2; см. Больцмана статистика).
При
взаимодействии излучения с таким веществом произойдёт поглощение излучения.

Рис. 1. а - спонтанное излучение фотона; б - вынужденное
излучение; - резонансное поглощение;
E
и E

Рис. 2. Распределение частиц по уровням энергии EEEE в соответствии со статистикой
Больцмана; N - число частиц на уровне.

Чтобы получить эффект усиления, необходимо принимать спец. меры для
того, чтобы число возбуждённых частиц превышало число невозбуждённых. Состояние
вещества, при к-ром хотя бы для двух уровней энергии частиц верхний уровень
оказался более населённым, чем нижний, наз. состоянием с инверсией населённостей.
Такое
вещество в К.э. наз. активным (активной средой). BK.э. используется вынужденное
излучение в активной среде для усиления (квантовый усилитель) и генерации
(квантовый генератор) электромагнитных волн. Необходимая для генерации
обратная
связь осуществляется помещением активной среды в объёмный резонатор,
в
к-ром могут возбуждаться стоячие электромагнитные волны. В какой-то точке
резонатора неизбежно происходит спонтанный переход частицы активной среды
с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроизвольно испускается фотон. Если
резонатор настроен на частоту этого фотона, то фотон не выходит из резонатора,
а, многократно отражаясь от его стенок, порождает множество себе подобных
фотонов, к-рые, в свою очередь, воздействуют на активное вещество, вызывая
всё новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь).
В результате такого "размножения" фотонов в резонаторе накапливается электромагнитная
энергия, часть к-рой выводится наружу с помощью специальных устройств (напр.,
полупрозрачного зеркала для световых волн). Если в какой-то момент мощность
вынужденного излучения превышает мощность потерь энергии на нагрев стенок
резонатора, рассеяние излучения и т. п., а также на полезное излучение
во внешнее пространство (т. е. если выполнены условия самовозбуждения),
то в резонаторе возникают незатухающие колебания, т. е. возбуждается генерация
(см. Генерирование электрических колебаний).

В силу свойств вынужденного излучения эти колебания монохроматичны.
Все частицы активного вещества работают синфазно. Их заставляет работать
син-фазно обратная связь. Значение частоты такого генератора с высокой
степенью точности совпадает с частотой излучения возбуждённых частиц, хотя
оно существенно зависит также от расстройка частоты резонатора относительно
частоты излучения частиц. Интенсивность генерации определяется числом возбуждаемых
частиц в сек в каждом см³ активной среды. Если
число таких частиц, то
максимально возможная мощность P непрерывного излучения в см³
среды
составляет:

P = Лhv. (2)
Исторический очерк. Несмотря на то что положения Эйнштейна и
Дирака о вынужденном излучении формировались применительно к оптике, развитие
К.э. началось в радиофизике. В условиях термодинамич. равновесия оптич.
(верхние) уровни энергии практически не заселены, возбуждённых частиц в
веществе очень мало и на нижние уровни энергии они переходят спонтанно,
т. к. при малых плотностях световой энергии спонтанные переходы более вероятны,
чем вынужденные. Поэтому, хотя понятие монохроматичности возникло в оптике
(см. Монохроматический свет), именно в оптике отсутствовали строго
гармонич. колебания и волны, т. е. колебания с постоянными амплитудой,
частотой и фазой. В радиофизике, наоборот, вскоре после создания первых
искровых радиопередатчиков развивается техника получения гармонич. колебаний,
создаваемых генераторами с колебательными контурами и регулируемой положит,
обратной связью. Немонохроматичность излучений 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, попадающие в диапазон СВЧ (10¹⁰ - 10¹¹ гц).
Важной
особенностью радиоспектроскопич. исследований (в отличие от оптич.) было-использование
источников монохроматич. излучения. Это привело к гораздо более высокой
чувствительности, разрешающей способности и точности радиоспектроскопов
по сравнению с оптич. спектроскопами. Не менее важным явилось и то обстоятельство,
что в радио диапазоне, 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. Причиной заселения возбуждённых уровней является тепловое движение
частиц. При комнатных темп-pax тепловому движению соответствует энергия