Квантовая электроника

Квантовая электроника – область электроники, охватывающая изучение и разработку методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. Часто под термином «Квантовая электроника» понимают совокупность квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов и квантовых усилителей, оптических квантовых генераторов (лазеров) и др., — в которых используется вынужденное излучение. К Квантовой электронике относят также вопросы нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом и применение такого взаимодействия в устройствах преобразования частоты лазерного излучения. Наиболее крупным прикладным разделом квантовой электроники является лазерная техника, связанная с созданием лазеров различных типов, исследованием свойств лазерного изучения и его использованием для решения различных практических задач.

В отличие, например, от вакуумной электроники, использующей для преобразования электромагнитной энергии потоки свободных электронов, в КЭ имеют дело со связанными электронами, входящими в состав атомных систем: атомов, молекул, кристаллов. Согласно законам квантовой механики, электроны в атоме и, следовательно, атомная система в целом могут находиться только в определённых энергетических состояниях, характеризуемых дискретным рядом значений энергии x 0 , x 1 , x 2 , ... , называемых энергетическими уровнями. Изменение внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом электрона с одного энергетического уровня на другой. При этом система излучает или поглощает порцию электромагнитной энергии — квант — с частотой n mn и энергией h n mn = x m - x n , где h – постоянная Планка, x m и x n - конечный и начальный энергетические уровни. Излучение квантов (соответствующее переходам электронов с верхних энергетических уровней на нижние) может происходить как самопроизвольно — в отсутствие внешнего поля (спонтанное излучение), так и вынужденно — в присутствии поля (вынужденное излучение), поглощение же квантов (соответствующие переходам с нижних уровней на верхние) всегда является процессом вынужденным.

Существенно, что в результате вынужденных излучат. переходов первичная электромагнитная волна усиливается за счёт энергии кванта вынужденного излучения, тождественных этой первичной волен по частоте, фазе, направлению распространения и характеру поляризации. Именно эта особенность вынужденного излучения имеет основополагающее значение в КЭ, позволяя использовать такое излучение для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное усиление электромагнитной волны возможно только в том случае, если число возбужденных электронов (населенность более высоких энергетических уровней) превышает число невозбужденных (населённость более низких уровней). В веществе, находящемся в состоянии термодинамического равновесие, это условие не выполняется: в соответствии с Больцмана распределением населенность верхних энергетических уровней всегда меньше чем нижних и, следовательно, поглощение преобладает над вынужденным излучением, в результате чего проходящая через вещество первичная волна ослабляется. Для того чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нём электромагнитную волну, необходимо перевести его в возбужденное состояние, в котором хотя бы для двух уровней населенность верхнего оказалась выше, чем нижнего. Такое состояние называется состоянием с инверсией населённости в веществе и является предположенный современными учёными Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955 «Метод трёх уровней». Сущность этого метода состоит в том, что электроны в энергетическом спектре которых имеется 3 энергетических уровня x 1 , x 2 , x 3 , переводятся в возбужденное состояние под действием мощного вспомогательного излучения — накачки. При достаточной интенсивности накачки происходит переход электронов с уровня x 1 на x 3 , до так называемого насыщения, когда населённость этих уровней становится одинаковой. При этом для одной пары уровней x 1 , x 2 или x 2 , x 3 будет иметь место инверсия населённостей. Существуют и другие методы создания инверсии населённости: сортировка молекул в молекулярных и атомных пучках в неоднородном электрическом или магнитном поле; инжекция неравновесных носителей заряда в электронно-дырочный переход; осуществление неупругих соударение атомов в смеси газов; химическое возбуждение и другие.