Квантова електроніка, галузь фізики, що вивчає методи посилення і генерації електромагнітних коливань, засновані на використанні ефекту вимушеного випромінювання, а також властивості квантових підсилювачів і генераторів і їх вживання. Практичний інтерес до квантових генераторів світла (лазерам ) обумовлений перш за все тим, що вони, на відміну від ін. джерел світла, випромінюють світлові хвилі з дуже високою спрямованістю і високою монохроматичністю. Квантові генератори радіохвиль відрізняються від ін. радіопристроїв високою стабільністю частоти коливань, що генеруються, а квантові підсилювачі радіохвиль — гранично низьким рівнем шумів .
Фізичні основи квантової електроніки. Світло і радіохвилі є електромагнітним випромінюванням, порції якого кванти (або фотони ) можуть випускатися атомами, молекулами і ін. квантовими системами, що володіють деякою надлишковою внутрішньою енергією (збудженими частками). Внутрішня енергія атома (або молекули) може приймати тільки деякі строго певні дискретні значення, звані рівнями енергії . Зменшення внутрішньої енергії означає перехід атома з більш високого рівня енергії на нижчий. Якщо при цьому надлишок енергії віддається у вигляді кванта випромінювання, то частота випромінюваних хвиль n визначається умовою Бору :
n =, (1)
де h = 6,62×10 –27 ерг × сік — Планка постійна . Аналогічне збільшення внутрішньої енергії атома означає його перехід з нижнього рівня E 1 на верхній E 2 . Якщо це збільшення пов'язане з поглинанням кванта випромінювання, то частота випромінювання, що поглинається визначається тією ж умовою (1). Т. о., умова (1) визначає частоту спектральної лінії поглинання або випромінювання, характерну для даних часток. Взаємодія часток з частками, що оточують їх, і полями, а також «стислість їх життя на рівні» приводять до «розмиття» рівнів енергії. В результаті умова (1) виконується не для одного фіксованого значення частоти n, а для інтервалу значень частот, при цьому спектральні лінії набувають ширини (див. Ширіна спектральних ліній ).
Збуджені частки можуть віддавати свою енергію у вигляді квантів випромінювання двома способами. Збуджені частки нестійкі, і для кожної з них існує певна вірогідність мимоволі (спонтанно) випустити квант випромінювання ( мал. 1 , а). Акти спонтанного випускання відбуваються випадково Тому спонтанне випромінювання носить хаотичний характер. Фотони випускаються різними частками в різні моменти часу, мають різну частоту, поляризацію і напрям поширення. Інтенсивність спонтанного випромінювання пропорційна кубу частоти і тому різко падає при переході від світлових хвиль до радіохвиль. Всі нелазерні джерела світла (лампи розжарювання, газорозрядні лампи і тому подібне) випромінюють світло в результаті актів спонтанного випромінювання. У радіодіапазоні такий же характер мають шуми електронних пристроїв і теплове радіовипромінювання нагрітих тіл.
Збуджені частки можуть випускати фотони, переходячи з верхнього рівня енергії E 2 на нижній рівень E 1 не лише мимоволі, але і під впливом зовнішнього випромінювання (вимушено), якщо частота цього зовнішнього випромінювання задовольняє умові (1) ( мал. 1 , би). Вірогідність вимушеного випускання, передбаченого А. Ейнштейном (1917), пропорційна інтенсивності випромінювання, що вимушує, і може перевершувати вірогідність спонтанного процесу. Т. о., в процес вимушеного випускання залучено два кванти випромінювання: первинний, такий, що вимушує, і вторинний, випущений збудженим атомом. Істотно, що вторинні кванти невідмітні від первинних. Вони володіють в точності такою ж частотою, фазою, поляризацією і напрямом поширення. На цю особливість вимушеного випромінювання, що має основоположне значення для До. е., вперше вказав П. Дирак (1927). Тотожні кванти формують електромагнітну хвилю, що є точною посиленою копією вихідного випромінювання. Із зростанням числа актів вимушеного випускання в 1 сік інтенсивність хвилі зростає, а її частота, фаза, поляризація і напрям поширення залишаються незмінними. Відбувається когерентне посилення електромагнітного випромінювання (див. Когерентність ).
Для однієї частки вимушені переходи з верхнього рівня E 2 енергії на ніжній E 1 (випускання фотона, мал. 1 , би) і з ніжнего на верхній (поглинання фотона, мал. 1 , в) однаково вірогідні. Тому когерентне посилення хвилі можливе лише при перевищенні числа збуджених часток над незбудженими. В умовах рівноваги термодинамічного число збуджених часток менше числа незбуджених, тобто верхні рівні енергії населені частками менше, ніж ніжніє, відповідно до розподілом Больцмана часток по рівнях енергії ( мал. 2 ; див.(дивися) Больцмана статистика ). При взаємодії випромінювання з такою речовиною станеться поглинання випромінювання.
Щоб отримати ефект посилення, необхідно приймати спеціальні заходи для того, щоб число збуджених часток перевищувало число незбуджених. Стан речовини, при якій хоч би для двох рівнів енергії часток верхній рівень виявився населенішим, ніж ніжній, називається станом з інверсією населенностей . Така речовина в До. е. називається активним (активним середовищем). У ДО. е. використовується вимушене випромінювання в активному середовищі для посилення (квантовий підсилювач) і генерації (квантовий генератор) електромагнітних хвиль. Необхідна для генерації зворотний зв'язок здійснюється приміщенням активного середовища в об'ємний резонатор, в якому можуть збуджуватися стоячі електромагнітні хвилі. У якійсь точці резонатора неминуче відбувається спонтанний перехід частки активного середовища з верхнього рівня на ніжній, тобто мимоволі випускається фотон. Якщо резонатор налаштований на частоту цього фотона, то фотон не виходить з резонатора, а, багато разів відбиваючись від його стінок, породжує безліч собі подібних фотонів, які, у свою чергу, впливають на активну речовину, викликаючи все нові акти вимушеного випускання таких же фотонів (зворотний зв'язок), В результаті такого «розмноження» фотонів в резонаторі накопичується електромагнітна енергія, частина якої виводиться назовні за допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, напівпрозорого дзеркала для світлових хвиль). Якщо в якійсь момент потужність вимушеного випромінювання перевищує потужність втрат енергії на нагрів стінок резонатора, розсіяння випромінювання і тому подібне, а також на корисне випромінювання в зовнішній простір (тобто якщо виконані умови самозбудження), то в резонаторі виникають незгасаючі коливання, тобто збуджується генерація (див. Генерування електричних коливань ).
Через властивості вимушеного випромінювання ці коливання монохроматічни. Всі частки активної речовини працюють синфазний. Їх заставляє працювати синфазний зворотний зв'язок. Значення частоти такого генератора з високою мірою точності збігається з частотою випромінювання збуджених часток, хоча воно істотно залежить також від розладу частоти резонатора відносно частоти випромінювання часток. Інтенсивність генерації визначається числом збуджуваних часток в сік в кожному см 3 активного середовища. Якщо число таких часток L, то максимально можлива потужність Р безперервного випромінювання в см 3 середовища складає:
P = L h n (2)
Історичний нарис. Не дивлячись на те що положення Ейнштейна і Дираку про вимушене випромінювання формувалися стосовно оптики, розвиток До. е. почалося в радіофізиці. В умовах термодинамічної рівноваги оптичні (верхні) рівні енергії практично не заселені, збуджені часток в речовині дуже мало і на нижні рівні енергії вони переходять спонтанно, оскільки при малій щільності світлової енергії спонтанні переходи вірогідніші, ніж вимушені. Тому, хоча поняття монохроматичності виникло в оптиці (див. Монохроматичне світло ), саме в оптиці були відсутні строго гармонійні коливання і хвилі, тобто коливання з постійними амплітудою, частотою і фазою. У радіофізиці, навпаки, незабаром після створення перших іскрових радіопередавачів розвивається техніка здобуття гармонійних коливань, що створюються генераторами з коливальними контурами і регульованим позитивним зворотним зв'язком. Немонохроматичність випромінювань оптичного діапазону і відсутність в оптиці методів і концепцій, добре розвинених в радіофізиці, зокрема поняття зворотного зв'язку, послужили причиною того, що мазери з'явилися раніше лазерів.
В 1-ій половині 20 ст радіофізика і оптика розвивалися різними дорогами. У оптиці розвивалися квантові вистави, в радіофізиці — хвилеві. Спільність радіофізики і оптики, обумовлена спільністю квантової природи електромагнітних хвилевих процесів, не виявлялася до тих пір, поки не виникла радіоспектроскопія, що вивчає спектри молекул, атомів, іонів, що потрапляють в діапазон СВЧ(надвисокі частоти) (10 10 —10 11 гц ). Важливою особливістю радіоспектроскопічних досліджень (на відміну від оптичних) було використання джерел монохроматичного випромінювання. Це привело до набагато вищої чутливості, що вирішує здібності і точність радіоспектроскопів в порівнянні з оптичними спектроскопами. Не менш важливою з'явилася і та обставина, що в радіодіапазоні, на відміну від оптичного діапазону, збуджені рівні в умовах термодинамічної рівноваги сильно населені, а спонтанне випромінювання набагато слабкіше. У результаті вимушене випромінювання безпосередньо позначається на величині спостережуваного резонансного поглинання радіохвиль досліджуваною речовиною. Причиною заселення збуджених рівнів є тепловий рух часток. При кімнатних температурах тепловому руху відповідає енергія ~ 4×10 –14 ерг . Для видимого світла з довжиною хвилі l = 0,5 мкм частота коливань n = 6×10 14 гц , а енергія кванта h n = 1×10 –12 ерг . Для радіовипромінювання з довжиною хвилі l = 0,5 см частота коливань n = 6×10 10 гц , енергія квантів h n = 4×10 –16 ерг . Отже, тепловий рух може сильно населяти збуджені радіорівні і не може населяти збуджені оптичні рівні.
Перераховані чинники привели до того, що радіоспектроскопія стала базою робіт по До. е. У СРСР роботи по радіоспектроскопії газів були початі в лабораторії коливань Фізичного інституту АН(Академія наук) СРСР (А. М. Прохоров ), де поряд з вирішенням чисто спектроскопічних завдань дослідження йшли також і у напрямі використання спектральних ліній СВЧ(надвисокі частоти) для створення стандартів частоти.
Точність стандарту частоти, заснованого на вимірі положення резонансної лінії поглинання, залежить від ширини спектральної лінії. Чим вже лінія, тим вище точність. Найбільш вузькими лініями володіють гази, оскільки в газах частки слабо взаємодіють один з одним. В той же час тепловий хаотичний рух часток газу викликає в силу Доплера ефекту так зване доплеровськоє розширення спектральних ліній. Ефективним методом усунення впливу цього розширення є перехід від хаотичного руху до впорядкованого руху, наприклад перехід від газів до молекулярним пучкам . Але в цьому випадку можливості радіоспектроскопа сильно обмежені малою інтенсивністю резонансних ліній. У пучку мало часток і, отже, різниця в числі збуджених і незбуджених часток незначна. На цьому етапі роботи виникла думка про те, що, штучно змінивши співвідношення між числом збуджених і незбуджених часток, можна істотно підвищити чутливість радіоспектроскопа. Більш того, створивши інверсію населенностей в пучку, замість поглинання радіохвиль можна отримати їх посилення. Якщо ж деяка система підсилює радіовипромінювання, то при відповідному зворотному зв'язку вона може генерувати це випромінювання. У радіофізиці теорія генерування була добре розроблена. Істотними елементами радіотехнічних генераторів є коливальні контури. У області СВЧ(надвисокі частоти) роль контурів грають об'ємні резонатори, особливо зручні для роботи і з пучками часток. Т. о., саме в радіофізиці існували всі необхідні елементи і передумови для створення першого квантового генератора. У першому приладі До. е. — молекулярному генераторі, створеному в 1955 одночасно в СРСР (Н. Р. Басів, А. М. Прохоров) і в США (Дж. Гордон, Р. Зейгер, Ч. Таунс ), активним середовищем був пучок молекул аміаку Nh 3 . Для створення інверсії населенностей застосовувався метод електростатичного просторового сортування. З пучка молекул Mh 3 вибиралися більш збуджені молекули і відкидалися у бік молекули, що володіли меншою енергією. Відсортований пучок пропускався через об'ємний резонатор, в якому при виконанні умов самозбудження виникала генерація (див. Молекулярний генератор ). Частота генератора з високою мірою точності збігалася з частотою випромінювання збуджених молекул Nh 3 і тому була надзвичайно стабільна. Відносна стабільність частоти складає 10 –11 —10 –12 . Поява молекулярних генераторів відкрила нові можливості в створенні надточного годинника і точних навігаційних систем. Їх погрішність ~1 сік за 300 000 років. Аналогічні за принципом дії, створені пізніше водневі генератори мають ще більшу стабільність частоти ~10 –13 (див. Квантові стандарти частоти,Квантовий годинник ).
Та обставина, що До. е. народилася в радіодіапазоні, пояснює виникнення терміну «квантова радіофізика», інколи використовуваного замість терміну «До. е.», який має загальніший сенс, охоплюючи і оптичний діапазон.
Здобуття інверсії населенностей шляхом відбору збуджених часток не завжди можливо, зокрема це неможливо в твердих тілах. Крім того, на високих оптичних рівнях при не дуже високих температурах збуджених часток практично немає. Тому вже в 1955 був запропонований новий метод створення інверсії населенностей (Н. Р. Басів, А. М. Прохоров), в якому збуджені частки не відбираються з наявної кількості, а створюються. Цей метод, відомий під назвою методу трьох рівнів, полягає в тому, що на частки, в енергетичному спектрі яких є три рівні E 1 , E 2 , E 3 ( мал. 3 , а), впливають потужним допоміжним випромінюванням (накачування), яке, поглинаючись частками, «перекачує» їх з рівня E 1 на рівень E 3 Накачування має бути досить інтенсивним, тоді на верхній рівень E 3 з нижнього E 1 перекидається стільки часток, що їх кількість може стати практично однаковою ( мал. 3 би). При цьому на рівні E 2 може виявитися більше часток, ніж на рівні E 1 (або на рівні E 3 більше, ніж на рівні E 2 ), тобто для рівнів E 2 , E 1 (або E 3 і E 2 ) матиме місце інверсія населенностей. Частота n H випромінювання накачування відповідає резонансним умовам поглинання, тобто
n н = ( E 3 - E 1 ) /h.
Метод трьох рівнів був застосований за пропозицією Н. Бломбергена (1956, США) для створення квантових підсилювачів радіодіапазону на парамагнітних кристалах. Квантові підсилювачі зазвичай працюють при температурі рідкого гелію (4,2 До), коли практично всі частки знаходяться на самому нижньому рівні енергії. При накачуванню половина всіх наявних в кристалі часток перекладається на верхній рівень E 2 і бере участь в когерентному посиленні. Якщо молекулярний генератор задовольнив потребу електроніки у високостабільному джерелі монохроматичних коливань, то квантовий підсилювач вирішив ін. найважливішу проблему радіофізики — проблему різкого зменшення шумів, тобто збільшення чутливості радіоприймачів СВЧ(надвисокі частоти). Тому квантові підсилювачі знайшли вживання в радіоастрономії,радіолокації, лініях глобального і космічного зв'язку.
Успіхи До. е. поставили питання про її просування убік коротших хвиль. При цьому істотну трудність представляла розробка резонаторів. У діапазоні СВЧ(надвисокі частоти) застосовують закриті порожнини з провідними стінками, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі. Для оптичного випромінювання резонатори такого типа виготовити неможливо. У 1958 був запропонований відкритий резонатор (А. М. Прохоров). У субміліметровому діапазоні резонатор був два паралельних, добре металевих, що відображають, диска, між якими виникає система стоячих хвиль. Для світла цей резонатор зводився до двох паралельних дзеркал і подібний інтерферометру Фабрі — Перо.
Першим досягненням До. е. у оптичному діапазоні з'явилося створення в 1960 лазера (Т. Мейман, США). Як робоча речовина в нім використовувався монокристал рубіна, а для здобуття інверсії населеності був застосований метод трьох рівнів. Дзеркалами резонатора, що відображають, служили добре відполіровані і посріблені торці кристала рубіна. Джерелом накачування була лампа — спалах. Рубінові лазери поряд з лазерами на склі з домішкою неодима дають рекордні енергії і потужності. У режимі вільної генерації великі кристали рубіна при потужному накачуванні дають в імпульсі енергію до 1000 дж (потужність до 10 6 Вт ). Інший режим рубінових лазерів досягається включенням дзеркал резонатора лише в певні моменти часу, коли інверсія населенностей досягає максимальної величини Тоді всі накопичені на метастабільному рівні частки випромінюють практично відразу, і генератор видає гігантський імпульс випромінювання дуже короткої тривалості (10 –8 —10 –9 сік ) з порівняно невеликою енергією (близько 3 дж .). Але оскільки ця енергія випромінюється в дуже короткий час, то пікова потужність імпульсу досягає значень 3×10 6 —3×10 6 Вт .
Незабаром після рубінового лазера був розроблений перший газовий лазер (А. Джаван, В. Беннетт, Д. Гарріот: 1960. США) на суміші атомів неону і гелію. Потім з'явився напівпровідниковий інжекційний лазер (Р. Хол, а також У. Думке із співробітниками; 1962, США). У газових лазерах здобуття інверсії населеності досягається не світловим накачуванням, а при зіткненнях атомів або молекул робочого газу з електронами або іонами, наявними в електричному розряді. Серед газових лазерів виділяються неоновий для гелію лазер і лазер на суміші вуглекислого газу, азоту і гелію (СО 2 — лазер), які можуть працювати, як в імпульсному, так і в безперервному режимах. За допомогою неонового для гелію лазера отримані світлові коливання дуже високої стабільності (~ 10 –13 ) і високої монохроматичності (Dn = 1 гц при частоті 10 14 гц ). Хоча ккд(коефіцієнт корисної дії) цього лазера украй невеликий (0,01%), саме висока монохроматичність і спрямованість його випромінювання (обумовлені, зокрема, однорідністю його активного середовища) зробили цей лазер незамінним при всякого роду юстіровочних і нівелювальних роботах. Потужний СО 2 — лазер (До. Пател, 1964, США) генерує інфрачервоне випромінювання (l = 10,6 мкм ). Його ккд(коефіцієнт корисної дії), що досягає 30%, перевершує ккд(коефіцієнт корисної дії) всіх існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі. Особливо перспективний газодинамічний лазер на СО 2 . З його допомогою можна отримати в безперервному режимі потужність в десятки квт . Монохроматичність, спрямованість і висока потужність роблять його вельми перспективним для цілого ряду технологічних вживань.
В напівпровідникових лазерах інверсія досягається головним чином при інжекції носіїв струму через електронно-дірковий перехід відповідним чином легованого напівпровідника . Є досить багато напівпровідникових матеріалів, з яких виготовляються лазери в широкому діапазоні довжин хвиль. Найбільш поширеним з них є арсенід галію (Gaas), який при температурі рідкого азоту може випромінювати в безперервному режимі в ближньої інфрачервоної області потужність до 10 Вт при ккд(коефіцієнт корисної дії)= 30%. Змінюючи струм інжекції, можна досить безінерційний управляти потужністю, що генерується інжекційними лазерами. Це робить перспективним їх вживання в швидкодіючих обчислювальних машинах в е р б системах зв'язку.
Для здобуття інверсії населеності в парамагнітному квантовому підсилювачі, в рубіновому лазері, в газових і напівпровідникових лазерах і ін. використовуються абсолютно різні фізичні явища. Але єдиним і головним чинником для всіх методів створення інверсії населеності є необхідність подолання процесів, направлених до відновлення рівноважної населеності. Перешкоджати процесам відновлення рівноважної населеності можна, лише витрачаючи енергію, що поступає від зовнішнього джерела живлення. При цьому в лазерне випромінювання перетвориться, як правило, мала доля енергії накачування. У режимі вільної генерації ккд(коефіцієнт корисної дії) рубінового лазера менше 1%, в режимі гігантських імпульсів ще менше. Проте «програш» в кількості енергії випромінювання компенсується в До. е. виграшем в його «якості», монохроматичності і спрямованості випромінювання, обумовлених властивостями вимушеного випромінювання.
Монохроматичність і висока спрямованість дозволяють сфокусувати всю енергію лазерного випромінювання в пляму з розмірами, близькими до довжини хвилі випромінювання. В цьому випадку електричне поле світлової хвилі досягає значень, близьких до внутріатомних полів. При взаємодії таких полів з речовиною виникають абсолютно нові явища.
Вживання До. е. революціонізували радіофізику СВЧ(надвисокі частоти) і оптику. Найбільш глибокі перетворення До. е. внесла до оптики. У радіофізиці створення мазеров означала поява радіопристроїв хоча принципово і нових, але таких, що в той же час володіють звичними для радіоінженера властивостями. І до появи До. е. у радіофізиці існували когерентні підсилювачі і монохроматичні генератори. До. е. лише різко поліпшила чутливість підсилювачів (у 10 3 раз) і стабільність частоти генераторів (у десятки тисяч разів). У оптиці ж всі джерела світла до появи лазерів не володіли ні скільки-небудь помітною спрямованістю, ні монохроматичністю. Створення лазерів означала поява джерел світла, що володіють абсолютно новими властивостями. Це дало небачену раніше в оптиці можливість концентрувати енергію випромінювання як в просторі, так і у вузькому частотному інтервалі.
Промисловість випускає різні типи лазерів, які використовуються не лише як ефективний інструмент наукових досліджень, але і для вирішення різного роду практичних завдань. Основні переваги лазерної дії — мала область поширення тепла, відсутність перенесення електричних зарядів і механічного контакту, можливість працювати усередині вакуумних балонів і в агресивних газах. Одним з перших вживань лазерів був вимір відстані до Луни з більшою точністю, чим це було зроблено радіофізичним методом. Після того, як на Луне був встановлений кутковий відбивач, відстань до неї була виміряна з точністю до 1,5 м-коду . Існує лазерна локаційна служба відстані Земля — Луна.
Нові можливості відкрило вживання лазерів в оптичних лініях зв'язку. Розвиток оптичних ліній зв'язку з їх завданнями модуляції коливань,детектування, гетеродинування, перетворення частоти світлових коливань зажадало перенесення в оптику методів радіофізики і теорії коливань.
Виникла нелінійна оптика, що вивчає нелінійні оптичні ефекти, характер яких залежить від інтенсивності світла (самофокусировка світла, генерація оптичних гармонік, вимушене розсіяння світла, параметрична генерація світла, самопросветленіє або самозатемненія світла). Методами нелінійної оптики створений новий клас перебудовуваних по частоті джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Нелінійні явища в оптиці існують лише у вузькому діапазоні інтенсивностей лазерного випромінювання. При малих інтенсивностях нелінійні оптичні ефекти відсутні, потім у міру зростання інтенсивності вони виникають, зростають, але вже при потоках інтенсивності 10 14 Вт / см 2 всі відомі речовини руйнуються лазерним променем і перетворюються на плазму . Здобуття і дослідження лазерної плазми є одним з найцікавіших вживань лазерів. Здійснений термоядерний синтез, що ініціюється лазерним випромінюванням .
Завдяки високій концентрації електромагнітної енергії в просторі і по спектру лазери знаходять широке вживання в мікробіології, фотохімії, хімічному синтезі, дисоціації, каталізі. До. е. привела до розвитку голографії — методу здобуття об'ємних зображень предметів відновленням структури світлової хвилі, відбитої предметом.
Роботи по До. е. були відмічені Нобелівською премією 1964 по фізиці (Н. Р. Басів, А. М. Прохоров, СРСР, і Ч. Таунс, США).
Літ.: Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Фабрикант Ст, Класика кванти і квантова електроніка, «Наука і життя», 1965 № 10; Прохоров А. М., Квантова електроніка, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 85, ст 4; Басів Н. Р., Напівпровідникові квантові генератори, там же, 1965, т. 85, ст 4; Шавлов А., Сучасні оптичні квантові генератори, там же, 1963, т. 81, ст 4; Таунс Ч., Здобуття когерентного випромінювання за допомогою атомів і молекул, там же, 1966, т. 88, ст 3.
