Квантовая электроника

С точки зрения классической электроники генерация электромагнитного излучения осуществляется за счёт кинетической энергии свободных электронов, согласованно движущихся в колебательном контуре. В соответствии с представлениями квантовой электроники энергия излучения берётся из внутренней энергии квантовых систем (атомов, молекул, ионов), высвобождаемой при излучательных переходах между её уровнями энергии. Излучательные переходы бывают двух видов — спонтанное излучение и вынужденное излучение. При спонтанном излучении возбуждённая система самопроизвольно, без внешних воздействий испускает фотон, характеристики которого (частота, поляризация, направление распространения) никоим образом не связаны с характеристиками фотонов, испускаемых другими частицами. Принципиально иная ситуация наблюдается при вынужденном испускании фотона под воздействием внешнего излучения той же частоты. При этом образуется фотон с точно теми же свойствами, что и у фотонов, вызвавших его появление, то есть формируется когерентное излучение. Наконец, имеет место процесс поглощения фотонов из внешнего излучения, противоположный вынужденному испусканию.

Обычно поглощение преобладает над вынужденным излучением. Если бы можно было добиться обратной ситуации, в веществе произошло бы усиление исходной внешней (вынуждающей) волны. Рассмотрим переходы между уровнями энергии ${\displaystyle E_{i}}$ и ${\displaystyle E_{k}}$, характеризуемые частотой ${\displaystyle \nu }$, так что ${\displaystyle h\nu =E_{i}-E_{k}^{}}$ (${\displaystyle h}$ — постоянная Планка). Вероятности переходов определяются через т. наз. коэффициенты Эйнштейна ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$:

• для спонтанных переходов ${\displaystyle w_{ik}^{s}=A_{ik}}$,
• для поглощения ${\displaystyle w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}}$,
• для вынужденного излучения ${\displaystyle w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}}$ (${\displaystyle \rho _{\nu }^{}}$ — спектральная объёмная плотность энергии).

При этом ${\displaystyle A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}}$, ${\displaystyle B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}}$ (уровни считаются невырожденными). Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населённостей уровней:

${\displaystyle (n_{i}-n_{k})h\nu B_{ik}\rho _{\nu }^{}}$.

В состоянии термодинамического равновесия населённости подчиняются распределению Больцмана, так что

${\displaystyle n_{i}=n_{k}\exp {(-h\nu /kT)}<n_{k}^{}}$,

поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие ${\displaystyle n_{i}>n_{k}^{}}$, то есть система оказалась в неравновесном состоянии. Такую ситуацию, когда населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, называют инверсией населённостей, или системой с отрицательной температурой. Это состояние системы характеризуется отрицательным значением показателя поглощения, то есть происходит усиление электромагнитной волны.

Создать инверсию населённостей можно лишь затратив энергию — так называемую энергию накачки. Среда с инверсией населённостей называется активной. Таким образом, в активной среде можно получить когерентное усиление излучения. Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо поместить среду в систему положительной обратной связи, возвращающей часть излучения назад в среду. Для создания обратной связи используются объёмные и открытые резонаторы. Наконец, для создания устойчивой генерации необходимо превышение энергии вынужденного излучения над потерями энергии (рассеяние, нагрев среды, полезное излучение), что приводит к требованию превышения мощности накачки определённого порогового значения.

Феменологическая теория Эйнштейна была построена для случая, когда излучатель находится в свободном пространстве и который излучает в бесконечное число мод пространства. При размещении излучателя в пространство с ограниченным числом мод коэффициенты Эйнштейна ${\displaystyle A_{ik},B_{ik}}$ меняются, см. статью о Пёрселл-факторе

• Мазеры позволили улучшить чувствительность и стабильность работы радиоустройств, что нашло применение в радиоастрономии (открытие реликтового излучения и межзвёздного водорода) и космической связи.
• Лазеры позволили достичь напряжённостей электрического поля, сравнимых с внутриатомными, при которых свойства вещества начинают зависеть от интенсивности световой волны: проявляются эффекты нелинейной оптики. Они позволяют исследовать вещество и управлять характеристиками светового пучка (многофотонные процессы, явления насыщения и резонансного просветления, генерация гармоник, суммарной и разностной частоты, параметрическая генерация света, явления самофокусировки, вынужденное рассеяние света и т. д.)
• Лазеры используются для создания и управления высокотемпературной плазмы, в том числе для целей термоядерного синтеза.
• Квантовая электроника привела к существенному повышению разрешения спектроскопических систем (лазерная спектроскопия).
• Монохроматичность лазерного излучения даёт возможность селективного воздействия на вещество, что находит применение в фотохимии и фотобиологии, лазерной очистке и лазерном разделении изотопов.
• Использование квантовой электроники в метрологии для создания квантовых стандартов частоты и времени, лазерных дальномеров, систем дистанционного химического анализа, лазерной локации.
• Лазеры широко используются в системах оптической связи и обработки информации, в которых сочетаются принципы волоконной и интегральной оптики.
• Высокая степень когерентности лазерных источников позволила осуществить идею голографии и голографических приборов.
• Лазеры находят множество применений в медицине (хирургия, офтальмология и т. д.) и технологии (сварка, резка и т. д.).

• Журнал «Квантовая электроника».
• Термины и электронные книги по квантовой электронике.