Основы квантовой электроники (стр. 1 )

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

2010

	Основы квантовой электроники. Учебное пособие.- Ростов-на-Дону, 2010.

Рецензенты:

Доктор физ.-мат. наук, профессор , РКСИ,

Доктор физ.-мат. наук, профессор , ЮФУ,

Кандидат физ.-мат. наук , Южный научный центр РАН

Аннотация

В пособии на современном уровне, последовательно и в сжатой форме излагаются общие принципы усиления и генерации электромагнитных колебаний в квантовых системах с использованием явления индуцированного излучения, а также сущность известных методов получения инверсии населенностей квантовых состояний в различных средах. Кратко описаны принципиальные конструктивные особенности лазеров и мазеров, методы управления характеристиками лазерного излучения, при этом основное внимание уделяется тем типам приборов и устройств квантовой электроники, которые составляют основу современной лазерной техники, описаны важнейшие их применения. Каждый раздел содержит контрольные задания и тестовые вопросы самоконтроля.

Предназначено студентам и аспирантам физических и технических специальностей ВУЗов, научно-техническим работникам и всем интересующимся вопросами лазерной физики и техники.

СОДЕРЖАНИЕ

стр

Предисловие Модуль 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЙНШТЕЙНАДЛЯ КВАНТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ. УШИРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ. ПОГЛОЩЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ СВЕТА. ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЕННОСТЕЙ. 1.1. О гипотезе квантов света 1.2. Виды переходов между энергетическими уровнями в квантовых системах 1.3. Переходы с излучением и поглощением, их вероятность. 1.4. Связь между коэффициентами Эйнштейна. 1.5. Релаксационные переходы. 1.6. “Форма” и ширина спектральных линий 1.7. Виды уширения спектральных линий 1.8. Интегральная вероятность перехода с учётом формы линии. 1.9. Поглощение излучения средой. Эффект насыщения поглощаемой мощности 1.10. Коэффициент поглощения, влияние насыщения на форму контура линии поглощения 1.11. Инверсия населённостей уровней. Коэффициент усиления. 1.12. Насыщение коэффициента усиления. 1.13. Принцип усиления света квантовой системой Задания и упражнения к разделу (модулю) 1 Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) 1 Модуль 2. ОТКРЫТЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ ЛАЗЕРОВ И ИХ СВОЙСТВА 2.1. Принципы создания резонатора оптического диапазона. 2.2. Пассивный ООР в приближении плоской волны. 2.3. Устойчивость ООР. 2.4. Типы колебаний (моды) пассивного ООР. 2.5. Моды активного ООР (лазера). Влияние вида уширения линии на модовый состав излучения лазера. 2.6. Мощность на выходе лазера, оптимальное пропускание выходного зеркала. 2.7. Методы селекции мод 2.8. Одночастотный режим работы лазера Задания и упражнения к разделу (модулю) 2 Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) 2 Модуль 3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ 3.1. Импульсный “режим свободной генерации”, генерация “пичков” 3.2. Импульсный режим за счёт модуляции добротности оптического резонатора 3.3. Режим синхронизации мод для генерации сверхкоротких импульсов Задания и упражнения к разделу (модулю) 3. Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) 3 Модуль 4. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. 4.1. Условие создания инверсии населённостей. 4.2. Лазеры, накачиваемые в газоразрядной плазме столкновениями с электронами 1-го рода 4.3. Лазеры с накачкой неупругими столкновениями 2 рода между частицами в газоразрядной плазме 4.4. Накачка ударным возбуждением и ион-ионной рекомбинацией, эксимерные лазеры 4.5. Тепловая накачка, газодинамический лазер 4.6. Накачка в химической реакции 4.7. Оптическая накачка газовых активных сред Задания и упражнения к разделу (модулю) 4 Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) Модуль 5. ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД 5.1. Специфика оптической накачки активной среды лазера 5.2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по “трёхуровневой схеме”. 5.3. Лазеры с оптической накачкой, работающие по “четырёхуровневой схеме”. 5.4. Параметрическая генерация света 5.5. Полупроводниковые лазеры Задания и упражнения к разделу (модулю) 5 Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) 5 Модуль 6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ И ДРУГИХ ПРИБОРОВ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 6.1. Области применения лазеров 6.2. Оптическая голография 6.3. Квантовые эталоны и стандарты частоты в СВЧ и оптическом диапазонах 6.4. Резонансное возбуждение частиц. Селективное возбуждение изотопов. 6.5. Генерация импульсов света ультракороткой длительности Задания и упражнения к разделу (модулю) 6 Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу(модулю) 6 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Приложение. Правильные ответы к тестам

5 7 7 8 9 11 11 12 13 16 17 19 20 21 22 22 24 26 26 27 28 29 30 33 35 36 38 39 41 41 42 44 47 47 49 49 50 55 66 67 69 69 70 71 75 75 76 80 89 89 92 94 97 97 98 99 103 105 107 107 109 110

ПРЕДИСЛОВИЕ

Квантовая электроника является разделом физики, изучающим процессы и методы усиления и генерации электромагнитных колебаний различных спектральных диапазонов (СВЧ, оптического и др.) на основе использования явления вынужденного (или “индуцированного”) излучения в неравновесных квантовых системах.

Результатом появления и бурного развития на базе радиофизики и радиоспектроскопии во второй половине ХХ века нового раздела физики–квантовой радиофизики, явилось создание генераторов микроволнового диапазона–мазеров (“MASER”–аббревиатура английской фразы: “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, дословно переводимой как “усиление в микроволновом диапазоне посредством вынужденного излучения”). Впоследствии на базе квантовой радиофизики не менее бурно произошло становление и квантовой электроники, в результате были созданы генераторы оптического диапазона–лазеры (“LASER”–аббревиатура от: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”: “усиление света посредством вынужденного излучения”). Как квантовая радиофизика, так и квантовая электроника возникли благодаря применению методов радиофизики при продвижении из диапазона радиоволн в более коротковолновые диапазоны–СВЧ и оптический, с использованием новых эффектов в квантовых системах.

Излучение лазеров обладает уникальными свойствами, принципиально отличающими их от существовавших ранее источников электромагнитного излучения, что и определило их широкое применение в науке и технике и что существенно улучшило качество жизни на Земле. К таким свойствам относятся высокие монохроматичность, направленность, когерентность, большая энергия излучения. Найдены способы снижения длительности импульсов излучения вплоть до долей фемтосекунды, что позволяет получать величину мощности, недостижимую другими способами. Можно утверждать, что развитие квантовой электроники привело к созданию источников света-лазеров, позволивших сконцентрировать энергию во всех возможных её измерениях: в пространстве, во времени и “по шкале” частоты.

Читатель может найти достаточно много книг по квантовой электронике, в том числе учебников, например, таких как [1–7], однако значительный объём, глубина изложения и сложность каждой из них существенно не соответствуют сравнительно небольшому количеству часов, отведённых для изучения данной дисциплины в ВУЗе, что и предопределило необходимость написания данного пособия. В нём читатель найдёт как анализ фундаментальных вопросов взаимодействия излучения с веществом, которые рассматриваются в основном для ансамбля изолированных атомов, молекул, атомарных ионов, так и описание соответствующих типов квантовых усилителей и генераторов (газовых, твёрдотельных на кристаллах, жидкостных). Учитывая многоплановость классификации лазеров, рассмотрение наиболее известных и эффективных лазеров ведётся главным образом исходя из методов создания инверсии населённостей в их активной среде (методов накачки среды). Квантовые приборы СВЧ-диапазона (мазеры и др.) описаны в объёме, который поможет читателю понять лишь то главное, на чём основаны важнейшие их применения в физике и технике. О квантовых эффектах в полупроводниках и о принципах работы соответствующих лазеров в пособии даются лишь самые общие представления (более подробно свойства переходов различных типов в полупроводниках изучаются студентами в соответствующих курсах).

При написании пособия использован опыт чтения курса лекций по квантовой радиофизике профессором , основоположником научного направления по исследованиям лазеров в РГУ, а также, начиная с 1997 года–опыт автора по чтению курсов лекций по квантовой электронике, квантовой радиофизике, квантовой и оптической электронике и смежным дисциплинам на физическом факультете РГУ (ныне–ЮФУ).

Модуль 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ КВАНТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ. УШИРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ. ПОГЛОЩЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ СВЕТА. ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЁННОСТЕЙ.

Во всем дальнейшем изложении мы будем пользоваться известными читателю из курсов общей физики, атомной физики и смежных дисциплин основными понятиями современной картины мира, к которым, в частности, относятся: дискретность энергетических состояний изолированных атомов и молекул, представление оптического излучения (в т. ч.–света) как поперечной электромагнитной волны, состоящей из потока микрочастиц–фотонов (или квантов света), энергия, поляризация и направление распространения которых совпадают с параметрами волны.

1.1. О гипотезе квантов света

Гипотеза об излучении света квантами была выдвинута в 1900 г. М. Планком и в дальнейшем развита А. Эйнштейном при построении теории излучения. Напомним читателю, что законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина, а также закон Релея-Джинса (в области малых частот излучения) для поведения объёмной спектральной плотности излучения “абсолютно черного” тела ρν ([ρν] = Дж·см-3·с) удавалось объяснить, используя аппарат и законы термодинамики. В то же время экспериментально наблюдаемое снижение величины ρν при росте частоты излучения ν объяснить не удавалось. Из термодинамических представлений и модели излучения как совокупности гармонических осцилляторов со средней энергией ε=kT (T–температура тела, k–постоянная Больцмана) можно было получить только увеличение при росте ν, что было названо «ультрафиолетовой катастрофой». М. Планку первому удалось устранить это противоречие, предположив, что свет излучается порциями (квантами) с различными энергиями, кратными ε0=hν (h=6,62·10-34 Дж·с–постоянная Планка), а непрерывный спектр излучения нагретых тел является суперпозицией этих квантов. Используя законы статистики, он нашел, что ρν как функция ν и Т имеет вид