РАЗДЕЛ29

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

СОДЕРЖАНИЕ

29-1. Общие сведечия ........ 659

2S-2. Принцип действия квантовых приборов ..............660

29-3. Спектры атомов н молекул . . . 664 29-4. Молекулярные и атомные квантовые генераторы СВЧ диапазона .... 667 29-5. Квантовые парамагнитные усилители 669 Энергетические уровни парамагнитных кристаллов (669). Выбор рабочего вещества для парамагнитного усилителя (671). Методы построения парамагнитных усилителей (671). Основные характеристики резонаторных квантовых усилителей (673). Амплитудная характеристика квантового усилителя (676). Собственные шумы квантового усилителя (676). Квантовые парамагнитные усилители бегущей волны (676). Шумы радиоприемного устройства с РКУ (678). 29-6. Оптические квантовые генераторы (лазеры) .............680

Общие сведения (680). Лазеры на твердом теле (683). Источники накачкн в ОКГ с твердым активным веществом (684). Газовые лазеры (685). Полупроводниковые оптические квантовые генераторы (687). Оптические квантовые генера-

29-7. 29-8,

29-9.

торы в режиме импульсной добротности (генераторы гигантских импульсов) (688). Сопоставление различных типов окг (690). Оптические резонаторы (691). Спектр излучения ОКГ (694). Селекция колебаний в оптических резонаторах (694).

Модуляция излучения ОКГ ... 696 Способы приема излучений ОКГ . 698 Способы построения приемников оптического диапазона (698). Детекторный прием оптических излучений (699). Супергетеродинный прием оптических излучений (702). Прямое усиление оптической несущей с помощью квантовых усилителей (703). О принципиальных ограничениях чувствительности приемников оптических излучений (705). Соотношение неопределенностей в задачах приема (708). Сведения из квантовой теории информации (710).

Рвспроетранение излучений оптического

диапазона в атмосфере.....712

29-10. Применение квантовой электроники .715 Оптическая локация (715). Оптическая связь (718). Голография (720). Литература .....-.....--721

29-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Идеи, лежащие в основе квантовой электроники, непосредственно связаны с новыми открытиями в области физики, которыми ознаменовалось начало XX в.

Во всех квантовых приборах используются законы взаимодействия двух форм материи - излучения и вещества. Еще в 1915 г. А. Эйнштейн, исходя из квантовых представлений, показал, что при таком взаимодействии возникают следующие процессы: поглощение веществом квантов излучения (фотонов); спонтанное (самопроизвольное) излучение квантов частицами вещества; индуцированное излучение, т. е. излучение квантов частицами вещества, вызванное внешним электромагнитным излучением.

Первые два процесса наблюдались экспериментально (поглощение света относится к давно известным явлениям; флюоресценция, свечение газосветных приборов объясняются спонтанным излучением атомов). Но явления индуцированного излуче-42*

ния еще никто в то время не наблюдал. Оно было предсказано Эйнштейном и долгое время оставалось лишь теоретическим предположением.

Важной вехой на пути развития идей, приведших к возникновению квантовой электроники, явилось предложение профессора Московского энергетического института В. А. Фабриканта (1940-1941 гг.) и сотрудников об использовании индуцированного излучения, если оно будет открыто, для усиления электромагнитных колебаний.

Становление квантовой электроники началось с 1954 г., когда почти одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А М. Прохоров) и США (Ч. Таунс с сотрудниками) были созданы первые квантовые генераторы радиоволн. При этом впервые для генерирования радиоволн были использованы не электронные потоки, как в радиолампах и транзисторах, а электрически нейтральные молекулы, поэтому эти генераторы назывались молекулярными квантовыми генераторами

(мазерами). Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн (1957 г.).

Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что в нх основе лежали новые способы генерирования и усиления радиочастотных колебаний, но и тем, что по ряду показателей эти приборы превосходили известные радиотехнические устройства. Квантовые генераторы являются самыми точными стандартами частоты и, следовательно, времени ( атомные часы ). В этом отношении они превосходят не только лучшие кварцевые генераторы, но и астрономические эталоны. Квантовые усилители сверхвысоких частот обладают предельно высокой чувствительностью, поскольку уровень шума в них близок к теоретически возможному минимуму. Применение квантовых усилителей в приемниках позволило существенно увеличить дальность действия систем радиосвязи и радиолокации.

В 1960 г. были созданы оптические квантовые генераторы (ОКГ) - лазеры. Их появление позволило распространить радиотехнические методы передачи информации на оптический диапазон волн.

Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные колебания, создаваемые известными до сих пор источниками света, и колебания, создаваемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение обычных источников света (лампы накаливания, газосветные лампы, электрическая дуга и др.) состоит из квантов различных частот н занимает очень широкий спектр (практически весь диапазон видимого света и примыкающие к нему участки оптического диапазона). Подобные колебания в радиодиапазоне называют шумом или неко.герент-нымн колебаниями. Такие несовершенные несущие колебания использовать для передачи значительных количеств информации затруднительно. Оптические же квантовые генераторы создают почти монохроматические, когерентные колебания, которыми, как и излучениями радиопередатчиков, можно управлять, используя амплитудную, частотную и другие виды модуляции.

До 1960 г. удавалось создать когерентные колебания частотой примерно в 10п гц (Х-3 мм), а с помощью лазера диапазон частот когерентных колебаний расширяется до 1015 гц, т. е. в 10 000 раз! Еще большее значение при этом имеет резкое повышение направлеииости излучаемых колебаний. Плоский угол расхождения луча оптического квантового генератора 0, как и в радиочастотных устройствах, определяется отношением длины волны Я к диаметру линзы D ( антенны ):

& - - , рад

Таким образом, при повышении частоты в 104 раз угол расхождения пучка уменьшается в такое же количество раз, а пространственная концентрация энергии (плотность потока мощности), возрастающая обратно пропорционально величине телесного угла (последний при симметричной диаграмме численно пропорционально квадрату плоского угла), увеличивается в 108 раз

Заметим, что почти все важные направления использования ОКГ связаны с этим законом излучения электромагнитной энергии. Им же в значительной степени объясняется непрерывно проявляющаяся на протяжении всей истории развития радиотехники тенденция к освоению все более коротковолновых диапазонов.

Итак, квантовая электроника изучает и использует квантовые процессы: разрабатывает теорию > и методы генерирования и усиления электромагнитных колебаний путем использования индуцированного излучения вещества.

29-2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ

Из квантовой механики известно, что внутренняя энергия элементарных частиц вещества - электронов, атомов, молекул - .может принимать лишь вполне определен-

2 -т2

Рис. 29-1. Скачкообразное излучение или поглощение энергии прн переходе частицы с одного энергетического уровня на другой

1 - поглощение; 2 - излучение.

ные дискретные значения. Изменение энергии частиц может происходить только скачками между допустимыми значениями. Допустимые значения энергии, или энергетические уровни, определяются как внутренним строением самой системы, так и влиянием на нее внешних электрических или магнитных полей.

При переходе с низшего энергетического уровня (т. е. уровня с меньшей энергией) Ei на высший Ei частица поглощает энергию, а с высшего Е2 на низший Е} - отдает (излучает) энергию в виде электромагнитных колебаний (рис. 29-1).

Изменение энергии частицы связано с частотой поглощаемых или излучаемых колебаний частотным условием Бора

£,-£1 = V,.a, (29-1)

где ft=6,62-10 S4 дж-сек- постоянная Планка;

fU2 - частота перехода между уровнями 1 и 2.

Таким образом, при переходе частицы с одного уровня на другой поглощается или испускается квант электромагнитных колебаний частоты f\.%.

Существуют энергетические переходы различного рода. Так, например, переходу электронов с орбиты на орбиту соответствуют частоты оптических или рентгеновских лучей (в частности, возбуждение орбитальных переходов служит причиной свечения газосветных ламп). Переходы между

личества частиц на различных энергетических уровнях.

уровнями, отвечающими дозволенным значениям энергии вращательного движения молекул некоторых веществ, соответствуют частотам сантиметрового диапазона волн, а переходы между уровнями энергии парамагнитных ионов, находящихся в полях магнитов, соответствуют (в зависимости от силы магнитного поля) колебаниям от метрового до миллиметрового диапазона волн.

Не вдаваясь в физические причины, приводящие к образованию резко выраженных энергетических уровней с интересующими нас энергетическими интервалами, рассмотрим некоторые важные закономерности. В условиях теплового равновесия (т. е. при отсутствии поступления энергии извне) распределение количества частиц на различных энергетических уровнях подчиняется экспоненциальному закону Больцмана (рис 29-2), так что отношение числа частиц на двух уровнях выражается простой формулой

где Ni - число частиц, обладающих внутренней энергией Et; N2 - то же для £2; k = 1,38 - Ю-23 дж/град - постоянная

Больцмана; Т - абсолютная температура. Отсюда видно, что при низких температурах большинство частиц находится в состоянии с меньшей энергией, а по мере повышения температуры числа частиц в обоих состояниях постепенно выравниваются. Однако равенство может быть достигнуто лишь при бесконечно высокой температуре (рис. 29-3),

Из сказанного следует, что между частицами вещества и электромагнитной волной частоты f \л возможен обмен энергией, если у частиц имеются уровни энергии, разность между которыми Е2-£i=ftfi-2. Характер взаимодействия частицы с электромагнитным полем зависит от того, на каком из уровней она находится. Если в начальный момент частица находится на нижнем уровне, то результатом взаимодействия может быть только поглощение кванта волны с переходом частицы на верхний энергетический уровень. Если же частица первоначально находилась на верхнем уровне, то единственным результатом взаимодействия с полем является излучение фотона. При этом энергия частицы уменьшается, она переходит на низший уровень, а энергия поля возрастает. Этот процесс называется н н -дупированным излучением, т. е. излучением, вызванным полем.

Важная особенность рассматриваемых процессов состоит в том, что вероятности поглощения и индуцированного излучения равны между собой. Если в электромагнитном поле независимо существуют две частицы и одна из них находится в верхнем энергетическом состоянии, а вторая в ниж-

Ч N

Рис. 29-3. Распределение количества частиц на различных энергетических уровнях при разных абсолютных температурах.

нем, то каждая из них, взаимодействуя с полем, может с равной вероятностью либо излучить, либо поглотить квант энергии. Значит, при равном количестве частиц на обоих уровнях общий баланс энергии поля остается неизменным.

Так как в равновесном состоянии согласно закону Больцмана на нижнем уровне всегда находится больше частиц, чем на верхнем, а вероятности поглощения и индуцированного излучения для каждой частицы одинаковы, то в этих условиях число актов поглощения энергии из поля всегда больше числа актов индуцированного излучения. Это объясняет, почему в условиях термодинамического равновесия вещество поглощает электромагнитную волну.

В результате теплового взаимодействия с окружающей средой энергия, приобретенная частицей в процессе резонансного поглощения, будет рассеиваться в окружаю-