Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

Г. M. СТРАХОВСКИЙ, А. В. УСПЕНСКИЙ

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Д о п у щ е н о М и н и с т е р с т в о м в ы с ш е г о и с р е д н е г о

с п е ц и а л ь н о г о о б р а з о в а н и я С С С Р в к а ч е с т в е у ч е б н о г о п о с о б и я

д л я с т у д е н т о в в у з о в , о б у ч а ю щ и х с я по с п е ц и а л ь н о с т и

« П о л у п р о в о д н и к и и д и э л е к т р и к и »

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1973

531.9 С 83

УДК 537.311.33 + 537.226 (075.8)

Страховский Г. М., Успенский А. В.

С 83 Основы квантовой электроники. Учеб. посо­ бие для студентов вузов специальности «Полу­ проводники и диэлектрики». М., «Высш. шко­ ла», 1973.

Рецензентыі

кафедра атомной физики МГУ; докт. техн. наук проф. В. А. Дьяко в

(Московский институт электронного машиностроения)

© Изд-во «Высшая школа», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Квантовая электроника — очень молодая наука. Рождение ее от­ носится к 1954—1955 гг., когда в результате многолетних фундамен­ тальных исследований независимо и почти одновременно в СССР

Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в США группой в составе Дж. Гор­ дона, X. Цайгера и Ч. Таунса был запущен квантовый генератор на пучке молекул аммиака. Тем самым был открыт новый метод генера­ ции и усиления электромагнитных волн, основанный на использова­ нии индуцированного излучения квантовых систем в возбужденном состоянии.

За создание квантового генератора на пучке молекул аммиака со­ ветским ученым Н. Г. Басову и А. М. Прохорову присуждена Ленин­ ская премия. А в 1964 г. Нобелевский комитет отметил заслуги двух вышеназванных групп в создании квантовой электроники, присудив Нобелевскую премию по физике советским ученым, ныне академикам, Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и американскому ученому Ч. Таунсу.

Интересно отметить, что обе группы физиков работали в области радиоспектроскопии над созданием радиоспектроскопов высокой раз­ решающей силы. Впоследствии в лекции, прочитанной после вручения ему Нобелевской премии, акад. А. М. Прохоров отмечал, что это совпа­ дение не было случайным, не было случайным и то, что к идее нового метода усиления и генерации пришли физики, работавшие в области радиоспектроскопии. Именно радиоспектроскопия явилась непосред­ ственной предшественницей квантовой электроники. Она помогла уста­ новить структуру уровней, частоты и интенсивности переходов и ре­ лаксационные свойства веществ. Эти данные в настоящее время важны для квантовой электроники, а сама радиоспектроскопия является одной из составных частей квантовой электроники.

Физики, работавшие в области радиоспектроскопии, с одной сто­ роны, понимали значение индуцированного излучения; с другой сто­

связь — резонатор. Вне сомнения, некоторые ученые еще в сороковых годах нашего века понимали, что если атомы привести в возбужденное состояние, то они будут усиливать электромагнитное излучение. Так, еще в 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант указал на возможность экспериментального обнаружения «отрицательной абсорбции» в работе, посвященной изучению оптических свойств газового разряда. Однако

3

в то время никто не говорил о возможности создания квантовых гене­ раторов. Это предложение не только было осмыслено теоретически, но и реализовано практически лишь в 1954—1955 гг. двумя вышеназван­ ными группами исследователей СССР и США.

Основные этапы развития квантовой электроники таковы. Вскоре после создания квантового генератора на пучке молекул аммиака было выдвинуто (а затем и реализовано) предложение по созданию кванто­ вых усилителей на основе парамагнитных кристаллов. Затем квантовая электроника начинает продвигаться в оптический диапазон длин волн. В 1960 г. был запущен первый оптический квантовый генератор на кристалле рубина, положивший начало целому классу генераторов и усилителей на ионных кристаллах и стеклах. Несколько позднее был запущен первый газовый оптический квантовый генератор, а затем квантовые генераторы и усилители на полупроводниках. Появилось и интенсивно развивается новое направление квантовой электроники — нелинейная оптика. Квантовая электроника бурно развивается и в на­ стоящее время; безусловно, здесь еще будут созданы новые направ­ ления и получены новые замечательные результаты.

Цель настоящего учебного пособия — систематически изложить основы квантовой электроники для студентов специальности «Полу­ проводники и диэлектрики».

Первый раздел знакомит читателя с физическими основами но­ вого метода генерации и усиления электромагнитного излучения. Во втором разделе рассмотрены приборы, разработанные квантовой электтроникой, их возможности и применения. В третьем разделе приведены новые направления научных исследований, которые стали возможны в результате разработки квантовой электроникой источников мощного когерентного электромагнитного излучения.

Немного о терминологии. В настоящее время в этом вопросе нет еди­ нообразия. Даже для названия квантовой электроники часто употреб­ ляют другой термин— «квантовая радиофизика». Для устройств кван­ товой электроники в зарубежной литературе наиболее широко исполь­ зуются термины «мазер» (maser) и «лазер» (laser). Оба эти слова образо­ ваны начальными буквами целых английских фраз (microwave ampli­ fication by stimulated emission of radiation — усиление СВЧ излучения с помощью индуцированного излучения и light amplification by stimu­ lated emission of radiation—усиление света с помощью индуцирован­ ного излучения).

Словом «мазер» обозначаются квантовые усилители и квантовые ге­ нераторы радиодиапазона, словом «лазер» — квантовые усилители и квантовые генераторы оптического диапазона.

4

Р А 3 Д Е Л I

Ф И З И Ч Е С К ИЕ О С Н О В Ы КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Г Л А В А 1

О С Н О В Н Ы Е Ф И З И Ч Е С К И Е П О Н Я Т И Я

КВ А Н Т О В О Й Э Л Е К Т Р О Н И К И

§1.1. Энергетические уровни квантовых систем. Спонтанное и индуцированное излучение.

Коэффициенты Эйнштейна

Вклассической электронике (электронные лампы, клистроны, маг­

нетроны) усиление и генерация электромагнитных волн происходят за счет к и н е т и ч е с к о й энергии электронов. В квантовой элект­ ронике усиление и генерация электромагнитных волн происходят за счет изменения в н у т р е н н е й энергии атомов, молекул, ионов и т. д. В дальнейшем, в тех случаях где не будет требоваться детальная конкретизация, будем говорить просто о частицах и их внутренней энер­ гии.

Из квантовой механики известно, что внутренняя энергия частиц квантована, т. е. может принимать ряд определенных дискретных зна­ чений, называемых в физике энергетическими состояниями, или энер­ гетическими уровнями. Самый нижний энергетический уровень (внут­

Когда говорят, что частица перешла с одного энергетического уров­ ня на другой, то имеют в виду, что внутренняя энергия частицы изме­ нилась на величину, равную разности энергий этих энергетических уровней. При переходе на более высокий энергетический уровень ча­ стица поглощает энергию, а при переходе на более низкий — отдает.

Эти переходы могут быть как и з л у ч а т е л ь и ы м и, т. е. пе­ реходами с и з л у ч е н и е м или п о г л о щ е н и е м электромаг­ нитного излучения (они и будут рассмотрены ниже), так и безизлучательными. Рассмотрим в первую очередь взаимодействие электромаг­ нитного поля с частицами (веществом). Здесь квантовая электроника оперирует двумя фундаментальными физическими понятиями — спон­ танного и индуцированного излучения.

6