Kvanttielektroniikka

Kvanttielektroniikka on fysiikan ala, joka tutkii menetelmiä sähkömagneettisen säteilyn vahvistamiseksi ja synnyttämiseksi , jotka perustuvat stimuloidun emission ilmiön käyttöön epätasapainoisissa kvanttijärjestelmissä , sekä tällä tavalla saatujen vahvistimien ja generaattoreiden ominaisuuksia ja niiden käyttöä elektroniikkalaitteissa . .

Kvanttielektroniikan fyysiset perusteet

Klassisen elektroniikan näkökulmasta sähkömagneettisen säteilyn tuottaminen tapahtuu värähtelevässä piirissä yhdessä liikkuvien vapaiden elektronien kineettisen energian ansiosta . Kvanttielektroniikan käsitteiden mukaisesti säteilyenergia otetaan kvanttijärjestelmien ( atomit , molekyylit , ionit ) sisäisestä energiasta , joka vapautuu sen energiatasojen välisissä säteilysiirtymissä . Säteilysiirtymiä on kahdenlaisia - spontaani emissio ja stimuloitu emissio . Spontaanilla emissiolla virittynyt järjestelmä emittoi spontaanisti, ilman ulkoisia vaikutteita fotonin , jonka ominaisuudet ( taajuus , polarisaatio , etenemissuunta) eivät liity mitenkään muiden hiukkasten lähettämien fotonien ominaisuuksiin. Pohjimmiltaan erilainen tilanne havaitaan fotonin stimuloidussa emissiossa saman taajuuden ulkoisen säteilyn vaikutuksesta. Tällöin muodostuu fotoni , jolla on täsmälleen samat ominaisuudet kuin sen ilmenemisen aiheuttaneilla fotoneilla, eli muodostuu koherenttia säteilyä. Lopuksi on olemassa prosessi, jossa fotonit absorboituvat ulkoisesta säteilystä, mikä on päinvastainen kuin stimuloitu emissio.

Yleensä absorptio hallitsee stimuloitua emissiota. Jos päinvastainen tilanne voitaisiin saavuttaa, alkuperäinen ulkoinen (pakottavuus) aalto vahvistuisi aineessa. Tarkastellaan siirtymiä energiatasojen ja välillä , taajuudella , joten ( on Planckin vakio ). Siirtymistodennäköisyydet määritellään ns. Einsteinin kertoimet ja : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $A$ $B$

spontaaneja siirtymiä varten , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
imeytymistä varten , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
stimuloidulle emissiolle ( on spektrinen tilavuusenergiatiheys). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

Tässä tapauksessa ( tasojen oletetaan olevan ei- degeneroituneita ). Sähkömagneettisen aallon energiatiheyden muutos on yhtä suuri kuin pakotetuissa prosesseissa emittoidun ja absorboidun energian ero ja on verrannollinen tasopopulaatioiden eroon: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

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

Termodynaamisen tasapainon tilassa populaatiot seuraavat Boltzmannin jakaumaa, joten

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

siksi järjestelmä absorboi energian ja aalto vaimenee. Jotta aalto vahvistuisi, on välttämätöntä, että ehto täyttyy , eli järjestelmä on epätasapainotilassa. Tällaista tilannetta, jossa ylemmän tason populaatio on suurempi kuin alemman, kutsutaan populaatioinversioksi eli järjestelmäksi, jonka lämpötila on negatiivinen . Tälle järjestelmän tilalle on tunnusomaista absorptioindeksin negatiivinen arvo , eli sähkömagneettinen aalto vahvistuu. $n_{i}>n_{k}^{}$

Voit luoda populaation inversion vain kuluttamalla energiaa - niin sanottua pumppuenergiaa . Elatusainetta, jossa on populaatioinversio, kutsutaan aktiiviseksi. Siten on mahdollista saada aikaan koherentti säteilyn vahvistus aktiivisessa väliaineessa. Vahvistimen muuttamiseksi generaattoriksi on välttämätöntä sijoittaa väliaine positiiviseen takaisinkytkentäjärjestelmään, joka palauttaa osan säteilystä takaisin väliaineeseen. Palautteen luomiseen käytetään volumetrisiä ja avoimia resonaattoreita . Lopuksi vakaan tuotannon luomiseksi on tarpeen ylittää stimuloidun emission energia yli energiahäviöiden ( sironta , väliaineen kuumennus, hyödyllinen säteily), mikä johtaa vaatimukseen, että pumpun teho ylittää tietyn kynnysarvon.

Einsteinin fenomenologinen teoria on rakennettu tapaukseen, jossa emitteri on vapaassa avaruudessa ja joka säteilee äärettömään määrään avaruusmuotoja. Kun emitteri sijoitetaan tilaan, jossa on rajoitettu määrä moodeja, Einsteinin kertoimet muuttuvat, katso artikkeli Purcell-tekijästä $A_{ik},B_{ik}$

Kvanttielektroniikan historiasta

Tausta

Stimuloidun emission käsitteen esitteli A. Einstein vuonna 1917 termodynaamisten näkökohtien perusteella , ja sitä käytettiin Planckin kaavan saamiseksi . Vuonna 1940 V. A. Fabrikant ehdotti stimuloidun emission käyttämistä valon vahvistamiseen, mutta tätä ajatusta ei tuolloin arvostettu. Kvanttielektroniikan välitön edeltäjä oli radiospektroskopia , joka tarjosi monia kokeellisia menetelmiä työskentelyyn molekyyli- ja atomisäteiden kanssa ( I. Rabi , 1937 ) ja asetti tehtäväksi kvanttitaajuus- ja aikastandardien luomisen . Myös vuonna 1944 E.K. Zavoisky löysi elektronien paramagneettisen resonanssin .

Masers

Kvanttielektroniikan syntymäaikana voidaan pitää vuotta 1954 , jolloin N. G. Basov ja A. M. Prokhorov Neuvostoliitossa sekä itsenäisesti J. Gordon, H. Zeiger ja C. Townes Yhdysvalloissa loivat ensimmäisen ammoniakkimolekyyleihin perustuvan kvanttigeneraattorin ( maser ) . Siinä generointi suoritetaan 1,25 cm:n aallonpituudella, mikä vastaa peilisymmetrisen rakenteen omaavien molekyylien tilojen välisiä siirtymiä. Populaatioinversio saavutetaan virittyneiden ja virittymättömien molekyylien avaruudellisen erottamisen ansiosta erittäin epähomogeenisessa sähkökentässä (katso Starkin vaikutus ). Lajiteltu molekyylisäde johdetaan onteloresonaattorin läpi , joka toimii takaisinkytkennän toteuttajana. Myöhemmin luotiin muita molekyyligeneraattoreita, kuten vetysuihkumaser . Nykyaikaiset maserit mahdollistavat taajuuden vakauden saavuttamisen , mikä mahdollistaa erittäin tarkkojen kellojen luomisen . $\Delta \nu /\nu \noin 10^{-11}-10^{-13}$

Seuraava tärkeä askel kvanttielektroniikan kehityksessä oli N. G. Basovin ja A. M. Prokhorovin vuonna 1955 ehdottama kolmitasoinen menetelmä , joka mahdollisti merkittävästi inversion saavuttamisen yksinkertaistamisen ja optisen pumppauksen käytön tähän tarkoitukseen . Tällä perusteella G. E. D. Skovil (HED Scovil) ja muut loivat vuosina 1957 - 1958 paramagneettisiin kiteisiin (esimerkiksi rubiiniin) perustuvia kvanttivahvistimia , jotka toimivat radioalueella.

Laserit

Kvanttigeneraattoreiden edistämiseksi optisten taajuuksien alueella kääntyi A. M. Prokhorovin ajatus avoimien resonaattoreiden käytöstä (rinnakkaispeilien järjestelmä, kuten Fabry-Perot-resonaattorissa ), joka on erittäin kätevä pumppaamiseen . olla tärkeä . Th. Maiman loi ensimmäisen laserin rubiinikiteellä , joka antoi säteilyä aallonpituudella 0,6934 μm . Optinen pumppaus siinä on toteutettu pulssikaasupurkauslampuilla . Rubiinilaser oli ensimmäinen solid-state laser, ja myös neodyymilasiin ja neodyymigranaattikiteisiin (aallonpituus 1,06 μm) perustuvat laserit erottuvat joukosta. Solid-state laserit mahdollistivat suuritehoisten oikosulkujen ja ultralyhyiden valopulssien generoinnin Q-kytkentä- ja resonaattorimoodin lukituspiireissä . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Pian A. Java loi ensimmäisen kaasulaserin, joka perustui heliumin ja neonatomien seokseen (aallonpituus 0,6328 µm). Sen pumppaus tapahtuu elektroniiskulla kaasupurkauksessa ja resonanssienergian siirrolla apukaasusta (tässä tapauksessa heliumista ) pääkaasuun ( neoniin ). Muuntyyppisten kaasulaserien joukossa tehokkaat hiilidioksidilaserit (aallonpituus 10,6 μm, apukaasut - typpi ja helium ), argonlaserit (0,4880 ja 0,5145 μm), kadmiumlaserit (0,4416 ja 0,3250 mikronia), kuparipumppulaserit ( 0,4416 ja 0,3250 mikronia). perustilassa olevien molekyylien hajoamisen vuoksi), kemialliset laserit ( kemiallisten reaktioiden aiheuttama pumppaus , esimerkiksi fluori - vetyyhdisteiden ketjureaktio ).

Vuonna 1958 N. G. Basov , B. M. Vul ja Yu. M. Popov loivat perustan puolijohdelaserien teorialle , ja jo vuonna 1962 luotiin ensimmäinen ruiskulaser [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) ja muut] Kiinnostus niitä kohtaan johtuu valmistuksen helppoudesta, korkeasta hyötysuhteesta ja mahdollisuudesta tasata taajuuksien viritystä laajalla alueella (säteilyn aallonpituus määräytyy kaistan mukaan aukko ). Toinen merkittävä tulos on puolijohdeheterorakenteisiin perustuvien lasereiden luominen vuonna 1968 .

1960-luvun lopulla kehitettiin ja luotiin orgaanisia väriainemolekyylilasereita , joilla on erittäin laaja vahvistuskaista, mikä mahdollistaa sukupolven taajuuden tasaisen virityksen dispersiivisiä elementtejä ( prismoja , diffraktiohilaa ) käytettäessä. Useiden väriaineiden sarja mahdollistaa koko optisen alueen.

Kvanttielektroniikan sovellukset

Maserit ovat tehneet mahdolliseksi parantaa radiolaitteiden herkkyyttä ja vakautta, mikä on löytänyt sovelluksen radioastronomiassa ( kosmisen mikroaaltotaustan ja tähtienvälisen vedyn löytäminen ) ja avaruusviestinnässä .
Lasereilla saatiin aikaan atominsisäisiin verrattavissa olevia sähkökenttävoimakkuuksia , joissa aineen ominaisuudet alkavat riippua valoaallon intensiteetistä : epälineaarisen optiikan vaikutukset ilmenevät . Niiden avulla voidaan tutkia ainetta ja ohjata valonsäteen ominaisuuksia ( monifotoniprosessit , kyllästys- ja resonanssivalkaisuilmiöt , harmonisten synty , summa- ja erotaajuudet, parametrinen valon muodostus , itsefokusoituvat ilmiöt , stimuloitu valonsironta jne .)
Lasereita käytetään korkean lämpötilan plasman luomiseen ja ohjaamiseen , myös lämpöydinfuusion tarkoituksiin .
Kvanttielektroniikka on lisännyt merkittävästi spektroskooppisten järjestelmien ( laserspektroskopia ) resoluutiota.
Lasersäteilyn monokromaattisuus mahdollistaa selektiivisen vaikutuksen aineeseen, jota käytetään fotokemiassa ja fotobiologiassa , laserpuhdistuksessa ja laserisotooppien erottamisessa .
Kvanttielektroniikan käyttö metrologiassa luomaan kvanttitaajuus- ja aikastandardeja , laseretäisyysmittareita , etäkemiallisia analyysijärjestelmiä, laserpaikannusta .
Lasereita käytetään laajalti optisissa viestintä- ja tiedonkäsittelyjärjestelmissä , joissa yhdistyvät kuidun ja integroidun optiikan periaatteet .
Laserlähteiden korkea koherenssi mahdollisti holografian ja holografisten laitteiden idean toteuttamisen.
Lasereilla on monia sovelluksia lääketieteessä ( kirurgia , silmätauti jne.) ja teknologiassa ( hitsaus , leikkaus jne.).

Kirjallisuus

Yleistietoa ja populaaritieteellistä kirjallisuutta

Kvanttielektroniikka: Little Encyclopedia. — M.: SE, 1969.
A. Pekar . Uusi ilme optiikalle. - M.: Neuvostoliiton radio, 1973.
N. V. Karlov . Kvanttielektroniikka. // Mikrokosmoksen fysiikka: Little Encyclopedia. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Zhabotinsky. Kvanttielektroniikka. Arkistoitu 4. lokakuuta 2009 Wayback Machinessa // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M .: SE, 1990. - S. 319-320.

Monografiat

N. V. Karlov , A. A. Manenkov. kvanttivahvistimet. — M.: 1966.
N. Blombergen . Epälineaarinen optiikka. — M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Zhabotinsky, V. F. Zolin. Kvanttitaajuusstandardit. — M.: 1968
R. Pantel, G. Puthof. Kvanttielektroniikan perusteet. - M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midwinter. Sovellettu epälineaarinen optiikka. - M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Kvanttielektroniikka. - M.: Neuvostoliiton radio, 1980.
S. A. Akhmanov ja N. I. Koroteev Epälineaarisen optiikan menetelmät valonsirontaspektroskopiassa. — M.: 1981.
O. Zvelto. Laserin periaatteet. - M.: Mir, 1984.
I. R. Shen. Epälineaarisen optiikan periaatteet. — M.: 1989.

Artikkelit

A. M. Prokhorov , N. G. Basov . Molekyyligeneraattori ja vahvistin //UFN. –1955. -T. 57,nro 3. -S. 485-501.
A. M. Prokhorov . Kvanttielektroniikka // UFN . - 1965. - T. 85 , nro 4 . - S. 599-604 .
A. Shavlov . Nykyaikaiset optiset kvanttigeneraattorit // UFN . - 1963. - T. 81 , nro 12 .
N. G. Basov . Puolijohdekvanttigeneraattorit // UFN . - 1965. - T. 85 , nro 4 .
C. Towns . Koherentin säteilyn saaminen atomien ja molekyylien avulla // UFN . - 1966. - T. 88 , nro 3 .
C. Towns . Kvanttielektroniikka ja tekninen kehitys // UFN . - 1969. - T. 98 , nro 5 .
N. V. Karlov , A. M. Prokhorov . Laser-isotooppierotus //UFN. –1976. -T. 118,nro 4. -S. 583-609.
A. M. Prokhorov , N. V. Karlov . Kvanttielektroniikka ja Einsteinin säteilyteoria // UFN . - 1979. - T. 128 , nro 3 .
A. M. Prokhorov . Laserin 25-vuotisjuhlaan // UFN . - 1986. - T. 148 , nro 1 .
A. A. MANENKOV Elektronien paramagneettisen resonanssin roolista kvanttielektroniikan muodostumisessa ja kehityksessä: faktoja ja kommentteja // Phys . - 2006. - T. 176 , nro 6 .

Linkit

Journal of Quantum Electronics Arkistoitu 3. huhtikuuta 2007 Wayback Machinessa .
Quantum Electronicsin ehdot ja e-kirjat arkistoitu 10. huhtikuuta 2009 Wayback Machinessa .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen
Bibliografisissa luetteloissa	NDL : 00569866 NKC : ph520068