§3-8]

Основы квантовой электроники

ется равной 5000-6000 К при давлении 105 Па и достигает 8000-10000 К при давлениях около 250-10 Па.

3-8. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Квантовая электроника основана на взаимодействии связанных электронов, атомов и молекул с электромагнитным полем, при котором происходит изменение внутренней энергии элементарных частиц. В основе работы квантовых усилителей и генераторов лежит эффект индуцированного (вынужденного) излучения. Он заключается в том, что под воздействием внешнего электромагнитного поля частица может излучать квант энергии и перейти в состояние с меньшей энергией.

Молекулы, атомы, ионы и электроны образуют микросистему, движение и ориентация микрочастиц которой определяют дискретный ряд энергий - энергетические состоянии или энергетические уровни. Внутренняя энергия микрочастиц квантована. Они могут переходить только с одного энергетического уровня на другой. Если конечная внутренняя энергия при воздействии на нее электромагнитных колебаний больше начальной энергии, то разность между ними пополняется за счет поглощения энергии электромагнитного поля. И, наоборот, если энергия отдается электромагнитному полю, происходит излучение и конечное состояние системы соответствует меньшей энергии, чем начальное.

Энергия поля излучения (фотонов) также квантована, так что обмен энергией между полем и микросистемой может происходить только дискретно. Если энергия системы в верхнем энергетическом состоянии W2, а в нижнем Wi, то частота Vgi электромагнитных колебаний, связанных с переходом системы между этими состояниями, определяется условием Бора W2- ~Wi=hv2i. Излучение состоит, таким образом, из квантов с определенной частотой.

Если микросистема находится в верхнем энергетическом состоянии, то имеется определенная вероятность того, что через некоторый промежуток времени она перейдет в нижнее состояние и произойдет излучение энергии. Эта вероятность имеет две составляющие: постоянную и переменную. Постоянная составляющая аналогична вероятности распада радиоактивного вещества: она зависит от свойств системы и данного перехода и не. зависит от внешних факторов. Переменная составляющая зависит от плотности энергии внешнего электромагнитного поля на частоте перехода. Поле на частоте перехода повышает вероятность излучения системой, находящейся в верхнем состоянии.

Если внешнее электромагнитное поле отсутствует, то процесс перехода системы в нижнее состояние, характеризуемый постоянной составляющей вероятности перехода

и сопровождаемый излучением, называется спонтанным излучением. Если на квантовую систему действует внешнее поле на частоте перехода, то спонтанные переходы происходят по-прежнему, причем фазы испускаемого излучения не зависят от внешнего электромагнитного поля. Однако переходы, вызванные внешним полем на частоте перехода, сопровождаются излучением, находящимся в определенном фазовом соотношении с внешним полем. Этот процесс называется вынужденным или индуцированным излучением.

Система, находящаяся в верхнем энергетическом состоянии, может, таким образом, стать источником излучения. Система, находящаяся в нижнем энергетическом состоянии, способна только поглощать излучение на частоте перехода. Микросистема может усиливать или генерировать излучение только в том случае, когда число частиц ( населенность ) на верхнем энергетическом уровне будет больше, чем на нижнем. Такое состояние системы называют возбужденным или инверсным, поскольку в условиях термодинамического равновесия населенность нижнего ( основного ) энергетического уровня всегда больше.

Для достижения возбужденного состояния система должна поглотить энергию ие обязательно в виде излучения. Требуемая энергия может быть получена путем электронной или ионной бомбардировки, механическим воздействием, нагреванием и другими способами.

После прохождения в поглощающей среде пути / интенсивность (мощность) электромагнитного излучения / /оехр(-Ы), где коэффициент поглощения k-a(Ni- -N2)-{-ko увеличивается с ростом разности населенностей Ni и N2 нижнего и верхнего энергетических уровней и поперечного сечения поглощения а (ко - коэффициент нерезонансных потерь). В условиях термодинамического равновесия или близких к ним Ni>N2,k>Q и двухуровневая система всегда ведет себя как поглощающая. Для возбужденной системы характерны инверсия населенностей N2>Ni и отрицательное значение коэффициента поглощения (к== =-а<0). В этом случае плотность проходящего излучения будет по мере прохождения через среду непрерывно увеличиваться по экспоненциальному закону /=/оехр(аО. В этом и заключается эффект квантового усиления.

Мощность излучения, выходящего из такого усилителя, тем больше, чем больше частиц участвует в переходах с верхнего уровня на нижний. Прн этом возрастает коэффициент уси.11енйя а=а(Л2-i)-ко. Усиление тем больше, чем больше путь /, пройденный лучом. Значительного уве.пиче-ния этого пути можно добиться, помещая среду в резонатор, обеспечивающий многократное прохоищение за счет многократных отражений. В диапазоне сверхвысоких частот для этой цели используются объемные полые металлические резонаторы. В опти-

ческом диапазоне резонатор образуют два параллельных зеркала.

Резонатор обеспечивает также обратную связь, которая позволяет превратить квантовый усилитель в квантовый генератор. Это происходит, когда уровень усиления превысит потери, а инверсная населенность превысит пороговое значение

где у - коэффициент потерь; L - длина оптического резонатора.

Излучение квантового генератора обусловлено индуцированными переходами, которые происходят одновременно у большого числа возбужденных частиц, и поэтому имеет большую мощность. Вынужденное излучение происходит синфазно с индуцирующим излучением. Поэтому при индуцированном возбуждении обеспечивается фазовая когерентность и происходит сложение амплитуд элементарных излучателей. В результате амплитуда результирующей волны возрастает и может достигнуть уровня межмолекулярных полей. При спонтанном излучении, представляющем собой в основном неупорядоченный, статистический процесс, когерентность отсутствует и генерируются лишь шумы.

Характерными особенностями излучения лазеров (оптических квантовых генераторов) являются когерентность, монохроматичность и узконаправленность. Монохроматичность определяется квантованием энергии микрочастиц, стабильностью и дискретностью уровней, между которыми происходят энергетические переходы. Узконаправленность обеспечивается селективным характером усиления параксиальных лучей зеркалами оптического резонатора.

Источник питания предназначен для возбуждения лазерного активного элемента и обеспечивает такое распределение атомов по энергетическим уровням, при котором между двумя выбранными уровнями достигается инверсия. Двухуровневый метод использует для возбуждения те же два собственных состояния (уровня) системы, которые используются в процессе усиления. Поэтому инверсия и усиление должны быть разделены либо в пространстве, либо во времени.

Если инверсия и усиление разделены во времени, то для усиления и генерации используется та же среда, что и в процессе инверсии. Это означает, что система не может функционировать в качестве усилителя по крайней мере в течение времени, необходимого для осуществления инверсии. Такие системы могут быть использованы только в импульсном режиме и поэтому имеют ограниченную область применения.

В случае непрерывно действующего возбуждения ансамбль микросистем инвер- тируется вне области усиления. Затем возбужденная Система вводится в область усиления, взаимодействует с полем сигнала и, наконец, выводится оттуда. Примером метода сортировки молекулярного пучка

является первый работавший квантовый усилитель на пучке молекул аммиака {Х= = 1,25 см).

Трехуровневый метод использует эффект насыщения одного из переходов (между основным и верхним уровнем) под действием вспомогательного излучения в многоуровневой квантовой системе для получения инверсии населенностей между другой парой уровней этой системы (между основным и промежуточным метастабильным уровнем). Основным преимуществом этого метода является независимость систем возбуждения и усиления, поскольку для них резонансные частоты различны. Этот метод используется в рубиновых квантовых генераторах (=694,3 нм). Большей эффективностью обладает четырехуровневый метод возбуждения за счет того, что усиление происходит при переходах с метастабильного уровня не на сильно заселенный основной, а на более высокий уровень (возбуждения) с меньше.й населенностью. Поэтому инверсная населенность между этими уровнями может быть достигнута при относительно низких мощностях накачки (когда населенность самого верхнего уровня сравнительно мала). Четырехуровневый метод используется в неодимовых лазерах (= = 1,06 мкм).

По типу фазового состояния активного вещества лазеры делятся на газовые, твердотельные и жидкостные.

Газовые лазеры для накачки используют разряды трех видов.

1) Слабоионизированный постоянный или высокочастотный разряд. Для непрерывно действующих лазеров на нейтральных атомах чаще всего используется столб тлеющего разряда при плотности тока 0,1- 0,2 А/смК Электронная концентрация прямо пропорциональна плотности тока, а средняя электронная температура определяется в большинстве случаев произведением давления газа в трубке и ее диаметра.

2) Импульсный разряд с послесвечением. Значительные плотности тока (до 300 А/см) позволяют получить импульсную генерацию с большими усилением и выходной мощностью. В послесвечении разряда преобладают процессы с большими временами диссоциации и рекомбинации.

3) Импульсный разряд короткой длительности используется для накачки лазеров на самоограниченных переходах. Достижение инверсной населенности возможно только тогда, когда время нарастания импульса тока сравнимо с радиационным временем жизни верхнего энергетического уровня. При этом необходимые значения плотности тока достигают тысяч ампер на квадратный сантиметр.

В перечисленных условиях инверсная населенность достигается в результате действия одного или нескольких перечисленных ниже механизмов возбуждения: передача возбуждения (потенциальной энергии) от одного атома к другому в результате неупругого столкновения (II рода), передача

§ 3-9]

Явления в проводящей движущейся среде

возбуждения при диссоциации (атом - молекула), оптическая накачка в результате селективного возбуждения (на резонансной частоте перехода), возбуждение атома неупругим электронным ударом, накачка из-лучательными каскадными переходами, возбуждение при нейтрализации зарядов двух ионов, фотодиссоциация молекул (если энергия фотона достаточна для диссоциации молекулы, возбуждения атома и передачи кинетической энергии образовавшимся атомам).

Твердотельные лаэеры используют в качестве активной среды примесные кристаллы, стекла и полупроводники. Генерация и усиление в примесных кристаллах осуществляются в результате переходов возбуждеп-ных ионов-активаторов, внедренных в решетку основного кристалла, в устойчивое состояние. Накачка производится оптически, чаще всего с помощью газоразрядных ламп. Кроме ионов-активаторов в кристаллы вводят иногда другие ионы, называемые сенсибилизирующими добавками. Они позволяют получить дополнительное поглощение энергии накачки и передать ее лазерному иону, повышая таким образом эффективность преобразования.

В лазерах на основе стекол, легированных ионами редкоземельных элементов, генерация и усиление излучения осуществляются при переходах этих ионов с возбужденных на устойчивые уровни. В качестве активаторов используются трехвалентные ионы Nd, ТЬ, Yb, Но и Ег. Лазеры на активированных стеклах работают в подавляющем большинстве в импульсном режиме, используя для оптической накачки ксеноно-вые газоразрядные лампы.

В полупроводниковых лазерах генерация и излучение происходят иа переходах между зоной проводимости и валентной зоной или между зонами и уровнями, образуемыми примесями в запрещенной зоне самого полупроводника. Наибольшую эффективность и распространение имеет накачка путем инжекции носителей заряда и облучением пучком быстрых электронов. Используются иногда оптическая накачка и ударная ионизация при лавинном пробое. У большинства полупроводниковых лазеров условия генерации выполняются при температурах от 1,7 до 77 К. При комнатных температурах генерация получена в кристаллах ZnO, CdS, Ali-3cgaxas, GaAsi-jcpx и GaAs. Наиболее широкое применение получили генераторы на арсениде галлия (Л= =830-910 нм).

Жидкостные лазеры используют в качестве активных сред растворы, содержащие либо ионы редкоземельных элементов, либо органические красители. Эти лазеры используют оптическую накачку импульсных ксеновых газоразрядных ламп или интенсивное излучение других лазеров. В лазерах на хелатах активными элементами являются трехвалентные ионы редких земель, связанные с органическими группами или лигандами. В качестве лиганд наиболее

часто употребляются бензолацетон, дибен-зоилметан, пентафторпропионат, тенонитри-фторацетон и трифторацетилацетон, в качестве катионов - пиперидин, пиридин, натрий, аммиак и имидазол; в качестве растворителей - спирты (этанол, метанол), диметилформамид, ацетонитрил и диметил-сульфоксид. Из апротонных жидких материалов лазерный эффект достигнут пока только в растворе соли редкоземельного элемента неодима (Nd+) в неорганическом растворителе (селен- и фосфороксихлори-дах). Лазерный эффект напучен для шести loiaccoB органических красителей: оксазоль-ных, антраценовых, кумариновых, акридиновых, ксантеновых и полиметиновых.

3-9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДЕ

При движении проводящей среды в магнитном поле возникает сила Лоренца, обуслов.11Ивающая соответствующие ЭДС и ток. Их возникновение и взаимодействие с электромагнитным полем относятся к той области явлений, которая получила название магнитогидродинамики. При этом предполагается, что число заряженных частиц в системе столь велико, что ее поведение допускает макроскопическое описание с помощью таких понятий, как плотность тока, проводимость, плотность массы и т. д. Движение системы носите-пей заряда при этом можно рассматривать как движение жидкости с определенными электрическими и магнитными свойствами.

Уравнения магнитогидродинамики

Сложная картина взаимодействия электромагнитных и гидродинамических яв-пе-ний описывается на основе совместного решения уравнений электромагнитного поля и уравнений движения жидкости.

Гидродинамические уравнения включают уравнение непрерывности или сохранения массы

- + div (pv) = 0;

уравнение движения (Навье - Стокса) = р-+pvvv = -gradp-f

grad div v;

уравнение сохранения энергии 5 / (X 2 ED ВН

dt j?

- JE

стер

- div + vpffi) +