История развитая квантовой электроники и оптоэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

История развитая квантовой электроники и оптоэлектроники

Квантовая электроника и оптоэлектроника достаточно молодые науки. Рассмотрим историю их возникновения и развития.

В 1917 г. А. Эйнштейн теоретически предсказал явление индуцированного излучения, на основе которого работают квантовые приборы. Годом возникновения квантовой электроники считают 1954 г. В этом году советские физики Н.Г. Басов и А.М.Прохоров и независимо от них американские физики Ч.Таунс, Д.Гардон, Д.Вебер и Х.Цайгер предложили конкретную модель молекулярного генератора на пучке активных молекул, а затем построили действующие молекулярные генераторы. Через 10 лет, в 1964 г. Н.Г. Басову, А.М. Прохорову, и Ч. Таунсу за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили использовать для генерации и усиления электромагнитных волн переходы между тремя энергетическими уровнями. В 1956 г. американский физик Н. Бломберген развил эту идею применительно к твердым парамагнитным веществам, и уже в 1957 г. такой прибор был построен. Однако все перечисленные приборы работали пока только в СВЧ диапазоне длин волн. Приборы такого типа, т.е. квантовые приборы СВЧ, называются мазерами. Название происходит от сокращения до первых букв следующей английской фразы: “microwave amplification by stimulated emission of radiation”, что в переводе на русский язык означает "усиление микроволн (т.е. волн СВЧ) посредством индуцированного излучения".

Квантовые приборы предназначенные для усиления или генерирования электромагнитных колебаний светового и близкого к нему диапазонов длин волн называются лазерами; слово это составлено из начальных букв той же английской фразы, первое слово в которой не microwave ,а light - свет. Кроме лазеров есть еще иразеры- усилители и генератора инфракрасного излучения, у которых =0,75 - 100 мкм (слово “иразер“ произошло также от упомянутой английской фразы, в которой первое олово Infrared - инфракрасный). электроника квантовый индуцированный колебание

Впервые теоретически доказали реальность возможности построения лазеров в 1958 г. А.Шавлов и Ч. Таунс (США), А.М.Прохоров (СССР), а в I960 г. американец Т.Майман создал первый импульсный лазер на рубине. В 1961 г. американцами А.Джаваном и Д.Сандерсом был изобретен первый газоразрядный лазер на смеси неона и гелия. Теоретические основы построения полупроводниковых лазеров были даны в, работе Н.Г. Басова, В.В.Крохина и Ю.M. Попова в I960 г., а в 1962 г, впервые был создан полупроводниковый лазер на p-n - переходе в арсениде галлия. В 1966 г. советскими физиками В.К. Конюховым и А.М. Прохоровым была предложена идея создания газодинамических лазеров, дающих большую мощность непрерывного излучения. Позднее изобретены химические лазеры, а также жидкостные лазеры на органических красителях, в разработку которых большой вклад внесли исследования советских ученых под руководством Б.И. Степанова. Такова сравнительно короткая история квантовой электроники. Под оптоэлектроникой в наши дни понимают область науки и техники, связанную с разработкой и применением электронно-оптических устройств и систем для передачи с помощью светового луча, обработки, хранения и отображения информации. Обычно оптоэлектронный прибор содержит источник света (либо когерентного - лазер, либо некогерентного - светодиод), систему движения и управления лучом (световоды, линзы, призмы и т.д) и фотоприемник. Появление первых таких приборов в 1955 году было связано с тем, что оптическая передача информации является наиболее помехозащищенной. Хотя свечение в карбид-кремниевых детекторах, лежащее в основе работы светодиодов, впервые наблюдалось в 1921 году 0. В.Лосевым, инжекционная электролюминесценция, объясняющая это явление была открыта и начала широко излучаться в 1956 году, причем в 1962 году появились инфракрасные арсенидгалливые излучатели, а в 1964 году красные и зеленые светодиоды на основе фосфида индия. Производство и применение оптронов-приборов, объединяющих источник и приемник излучения, началось в 1966году и значительно расширилось после того как в 1969 году академик Ж.И.Алферов с сотрудниками впервые создали полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой, способный с высоким КПД и при малых пусковых токах генерировать свет при комнатной температуре. (В 2000 году Ж. И. Алферов за эти работы получил Нобелевскую премию). В 1970 году началось практическое воплощение волоконно-оптической связи, и сформировались идеи так называемой интегральной оптики, которая использует движение и управлением светом в тонких пленках.

В наши дни квантовая электроника и оптоэлектроника достигли значительного уровня развития. Почти во всех странах мира ведутся работы по их использованию. Объясняется это не только тем, что с помощью квантовых приборов СВЧ можно существенно повысить чувствительность входных устройств СВЧ, добиться значительно большей стабильности частоты генераторов СВЧ, а также получить при использовании монохроматических колебаний светового диапазона длин волн большие интенсивность и направленность излучения, что находит широкое применение в локации, военной технике, медицине и в технологических процессах. Дело в том, что в наши дни устройства квантовой электроники и оптоэлектроники находят самое широкое применение в связных системах, в вычислительной технике, в устройствах приема и обработки информации, в робототехнике, в геодезии, в разделении изотопа и еще во многих направлениях развития современной науки и техники.

Принцип работы квантовых приборов

Работа квантовых приборов основана, на явлении индуцированного (или, иначе, стимулированного, или вынужденного)излучения. Что же такое индуцированное излучение? Пусть имеется серия энергетических уровней электрона в атоме, в молекуле или в твердом теле. Нижние уровни, как обычно, заполнены, верхние свободны. Рассмотрим отдельно два каких-либо уровня, например самый верхний из заполненных и самый нижний из свободных (рис. 1а).

Пусть значения энергии электронов на этих уровнях будут и . Величиной обозначим частоту электромагнитных колебаний кванта, поглощаемого электроном при переходе с уровня 1 на уровень 2 . Известно, что если электрон нижнего уровня поглотит квант энергии, , где h=6,62 10-³⁴ Дж·с - постоянная Планка, то этот электрон перейдет на верхний уровень в возбужденное состояние, а квант исчезнет, отдав свою энергию на возбуждение (рис.1,а).

а) б)

Рис. 1

Однако долго электрон в возбужденном состоянии пробыть не может, так как это состояние энергетически менее выгодно, ибо в этом случае система не имеет минимума энергии. Поэтому через небольшое время, которое для разных типов уровней в атомах в молекулах колеблется от = 10с до = 1 с, электрон перейдет обратно на нижний уровень, испустив при этом точно такой же квант энергии , как и тот квант, который был вначале поглощен при возбуждении (рис. 1,б). Обычно такой переход вниз, сопровождаемый излучением, происходит самопроизвольно, поэтому такое излучение называется самопроизвольным или спонтанным излучением. Однако кроме спонтанного излучения может быть еще вынужденное иди индуцированное излучение. Физическая сущность его состоит в следующем. Если в тот момент, когда электрон находится в возбужденном состоянии, на него попадает квант той же самой энергии , которая прежде вызвала его возбуждение, то оказывается, что под влиянием этого кванта электрон перейдет на нижний уровень, излучив при этом аналогичный квант энергии , причем первый квант, вынуждающий этот переход вниз, при этом не исчезает (рис.2).

Рис. 2

Вот это излучение, вызванное внешним квантом , и называется вынужденным или стимулированным, или индуцированным излучением. Индуцированное излучение принципиально отличается от спонтанного своей когерентностью или, можно сказать, синфазностью. Спонтанное излучение многих атомов (например, в газе, в жидкости, в твердом теле) происходят так, что у каждого из разных атомов переходы электронов на нижний уровень и соответствующие излучения квантов случаются совершенно самостоятельно, не синхронно и вне зависимости от того, что делается в соседних атомах. Свет (или в общем случае электромагнитные колебания), который излучает при этом коллектив атомов, будет хаотический, несинфазный или, как говорят, некогерентный. Все обычные, естественные, источники света (лампы накаливания, люминесцентные лампы, солнце, нагретые тела, плазма газового разряда и др.) дают именно такое некогерентное излучение.

Индуцированное излучение многих атомов получается, наоборот, когерентным. Происходит это потому, что внешний квант или, иначе, внешняя электромагнитная волна, воздействует на возбужденные электроны сразу многих атомов, вызывая в них переходы электронов на нижние уровни и соответствующие индуцированные излучения, которые происходят синфазно с внешней падающей электромагнитной волной, вынуждающей или стимулирующей эти переходы вниз. При этом излучения различных атомов получаются согласованными одно с другим и с внешней волной, так что эти излучения, добавляясь синфазно к внешней волне, дают общую суммарную волну согласованного или когерентного излучения, т.е. волну, подобную обычным искусственным радиоволнам, которые в силу их когерентности используются для передачи информации.

Следует заметить, что акты возбуждения, (переходы электронов вверх по энергетической оси под влиянием квантов энергии (фотонов)) часто также называют индуцированными переходами, хотя в отличие от индуцированных переходов вниз, в этом случае сами возбуждающие фотоны исчезают, отдавая свою энергию на возбуждение.

Рис. 3

Изучая термодинамику процессов поглощения и излучения в замкнутом объеме, А.Эйнштейн установил, что вероятность индуцированного излучения равна вероятности поглощения того же кванта электроном, находящимся на нижнем уровне.

Другими словами, если есть два одинаковых атома (рис. 3), в одном из которых электрон находится в нормальном, невозбужденном, состоянии, а во втором в возбужденном состоянии, то вероятность взаимодействия с квантом энергии , соответствующим переходу 1-2 или 2-1 и падающим извне на эти атомы, будет у обоих электронов (возбужденного и невозбужденного) совершенно одинакова. Таким образом, электрон атома, независимо от того, на каком из двух уровней (верхнем или нижнем), разделенных энергетическим интервалом , он находится, взаимодействует с одинаковой вероятностью с падающими квантами, имеющими энергию, хотя результаты такого взаимодействия будут разными, а именно: электрон в нормальном состоянии поглощает квант, а электрон в возбужденном состоянии, наоборот, испускает точно такой же дополнительный квант.

Эта закономерность, открытая Эйнштейном и соответствующая равенству коэффициентов поглощения и индуцированного излучения, широко используется в теории квантовых приборов.

Используя явление индуцированного излучения, можно получить усиление электромагнитных колебаний. Действительно, пусть на среду, состоящую из некоторого достаточно большого количества (N) рассмотренных выше атомов, падают кванты энергии, соответствующей переходам 12 или 21 между уровнями и . Пусть число атомов, у которых в данный момент электроны находятся в возбужденном состоянии, будет , а число атомов с электронами, находящимися в нормальном состоянии, будет , причем . Тогда, очевидно, что если ,то число поглощаемых квантов будет больше, чем число таких же квантов, испущенных в результате индуцированного излучения, т.е. после прохождения такой среди произойдет уменьшение первоначального количества квантов. Наоборот, если , то число квантов, полученных в результате индуцированного излучения, превысить число поглощенных и суммарное количество квантов после прохождения такой среды возрастет, т.е. произойдет усиление электромагнитного излучения при прохождении его через вещество. Это и есть эффект квантового усиления. Для реализации этого эффекта необходимо выполнение условия , которое называется условием инверсной, или обращенной, населенности квантовых уровней, когда суммарная населенность верхних уровней перехода больше, чем населенность нижних уровней. Очевидно, что в обычном равновесном состоянии, когда на среду не действуют никакие внешние силы, , так как положение на уровнях для электронов является энергетически более выгодным, чем положение на уровнях при наличии свободных уровней . Поэтому при обычном, не обращенном состоянии всегда и даже . В связи с этим состояние среды с повышенной населенностью верхних уровней, при котором , и называется инверсным, или обращенным, по отношению к обычному состоянию, при котором .

Квантовые усилители обычно делают путем помещения в резонатор среды с инверсной населенностью, что в схемном отношении эквивалентно внесению отрицательной проводимости в контур эквивалентного представления резонатора. Очевидно, что чем больше инверсия населенности среды, тем большую по абсолютной величине отрицательную проводимость вносит среда, и при некотором значении этой отрицательной проводимости, когда она превышает проводимость суммарных потерь в системе, эта система может самовозбудиться, т.е. превратиться в автогенератор.

Из сделанного выше общего описания работы квантовых приборов ясно, что основные сведения, которые нужны для детального изучения этих приборов, можно разделить на четырнадцать групп :

1) сведения об энергетических уровнях квантовых систем

2) сведения о взаимодействии квантовых систем с электромагнитным полем;

3) методы получения инверсной населенности и активные среды применяемые в приборах квантовой электроники;

4) оптические резонатора;

5) методы управления лазерным лучом;

6) квантовые приборы СВЧ (мазеры), и квантовые стандарты частоты;

7) характеристики различных режимов работы лазеров, анализ и оптимизация;

8) устройство, параметры и принципы работы твердотельных лазеров;

9) газовые лазеры;

10) основы нелинейной оптики;

11) световоды и элементы интегральной оптики;

12) полупроводниковые лазеры и светодиоды;

13) приемники оптического излучения;

14) применение квантовых и оптоэлектронных приборов и устройств.

Рассмотрению этих вопросов посвящены разделы книги.

В заключение необходимо сделать одно дополнение.

Когда мы рассматривали в атоме электрон, который под влиявшем кванта энергии перешел на более высокий энергетический уровень, мы говорили, что это возбужденный электрон. Этот термин можно использовать не всегда. Чаще говорят, что имеется не возбужденный электрон, а возбужденный атом или молекула или иначе возбужденная квантовая система, подразумевая при этом, что в такой системе под действием кванта энергии сразу несколько электронов перешли или могут перейти на более высокие уровни энергии. При этом учитывается, что результирующая энергия, заключенная в атоме или в молекуле, складывается из энергий, отдельных электронов, а также из энергии их различных: взаимодействий. В соответствии с этим энергетические уровни электронов в атоме или в молекуле часто называют просто уровнями энергии атома или молекулы. Мы будем в дальнейшем использовать термины "возбужденный электрон" и "уровни энергии электрона", так как они более наглядны , кроме того, мы будем использовать также и вторую пару терминов ("возбужденный атом", "уровни энергии атома"), которая чаще встречается в литературе.

Список литературы

1. Аполлонский, С.М. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебное пособие / С.М. Аполлонский. - СПб.: Лань, 2012. - 592 c.

2. Башарин, С.А. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / С.А. Башарин, В.В. Федоров. - М.: ИЦ Академия, 2010. - 368 c.

3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для бакалавров / Л.А. Бессонов. - М.: Юрайт, 2013. - 701 c.

4. Буртаев, Ю.В. Теоретические основы электротехники: Учебник / Ю.В. Буртаев, П.Н. Овсянников; Под ред. М.Ю. Зайчик. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 552 c.

5. Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

6. Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

7. Прянишников, В.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНА-принт, 2012. - 368 c.

8. Ярочкина, Г.В. Основы электротехники: Учебное пособие для учреждений нач. проф. образования / Г.В. Ярочкина. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240

Размещено на Allbest.ru