квантовая электроника
область физики, занимающаяся изучением и разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твёрдых тел. К квантовой электронике относятся все квантовые электронные приборы и устройства – молекулярные генераторы, квантовые усилители, оптические квантовые генераторы (лазеры) и другие, в которых используется вынужденное излучение. К квантовой электронике относится взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом и применение его в устройствах преобразования частоты лазерного излучения. Важнейшей частью квантовой электроники является лазерная техника – совокупность технических средств генерации, преобразования, передачи, приёма и использования лазерного излучения. Практический интерес к квантовым генераторам света (лазерам) обусловлен тем, что они, в отличие от других источников света, излучают световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью (излучением волн одной частоты). Квантовые генераторы радиоволн отличаются от других радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн – предельно низким уровнем шумов.
В соответствии с законами квантовой механики электроны в атоме и, следовательно, атомная система могут находиться только в определённых энергетических состояниях, называемых энергетическими уровнями. Изменение внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом с одного энергетического уровня на другой. При этом система излучает или поглощает порцию электромагнитной энергии – квант. Излучение квантов (соответствующее переходам электронов с верхних энергетических уровней на нижние) может происходить как самопроизвольно – в отсутствие внешнего поля (спонтанное излучение), так и вынужденно – в присутствии поля (вынужденное излучение). Поглощение же квантов (соответствующее переходам с нижних уровней на верхние) всегда является вынужденным. В результате вынужденных излучательных переходов первичная электромагнитная волна усиливается за счёт энергии квантов, тождественных этой первичной волне по частоте, фазе, направлению распространения и по характеру поляризации. Эта особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное (согласованное) усиление электромагнитной волны возможно только в случае, если число возбуждённых электронов (более высоких энергетических уровней) превышает число невозбуждённых (более низких энергетических уровней).
Первый прибор квантовой электроники – молекулярный генератор на аммиаке был создан в 1955 г. одновременно в СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в США Ч. Таунсом. В 1960 г. в США был создан первый лазер (оптического диапазона) на рубиновом кристалле и первый газовый лазер, а в 1962—63 гг. в России (Н. Г. Басов с сотрудниками) и в США – полупроводниковые лазеры. На основе лазеров возникли новые области науки и техники: нелинейная оптика, лазерная химия, лазерная технология, голография, лазерная медицина. Мощный направленный лазерный пучок, сфокусированный на поверхности любого вещества, способен расплавить и испарить его. Это явление лежит в основе многочисленных технологических применений лазеров. На основе лазеров развиваются оптоэлектроника, бесконтактные системы записи и считывания информации.
Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн . 2006 .
Что такое Квантовая электроника?
Оптоэлектроника – область науки и техники, которая исследует и применяет процессывзаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки,хранения и отображения информации. К оптическому излучению относится электромагнитное излучение в видимомдиапазоне (с длиной волны 0,4 — 0,8 мкм), инфракрасном (0,8 — 103 мкм) и ультрафиолетовом (10-3- 0,4 мкм).
К основным элементам оптоэлектронных устройств относятся источники излучения (некогерентного или когерентного), оптические среды и приемникиизлучения. Оптоэлектроника отличие от полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена (оптической связи). Поэтому достоинства оптоэлектроники определяются теми возможностями, которые открываются в результате использованияразнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием излучения с веществом.
Приборы оптоэлектроники:
- Для преобразования света в электрический ток-фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
- Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания,электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).
- Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.
- Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы
В настоящее время оптоэлектроника возглавляет список полупроводниковых приборов с наибольшим объемом продаж. Значительный объем продаж приходится на рынок светоизлучающих диодов (СИД).
Оптоэлектронные приборы являются перспективными элементами сотовых телефонов, а именно портативных дисплеев, к которым предъявляются следующие основные требования:
· снижение стоимости, веса и энергопотребления;
· повышение надежности и долговечности;
· улучшение качества воспроизведения информации;
Что такое Квантовая электроника?
Квантовая электроника – область электроники, которая исследует и применяет явления генерации, усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения и явления нелинейного взаимодействия мощного излучения с веществом.
Излучениеи поглощение происходит отдельными порциям, квантами – фотонами. При испусканиифотона энергия атома уменьшается, а при поглощении фотона – увеличивается.Электрон при испускании фотона переходит вниз на более низкий уровень, а припоглощении фотона электрон переходит вверх на более высокий уровень.
Квантовые переходы валентных (связанных) электронов с одного уровня на другойсопровождаются излучением или поглощением электромагнитной энергии, частотакоторой удовлетворяет соотношение
где h – постоянная Планка, νmn — частота излучения (поглощения) при квантовом переходеэлектрона с уровня Em на уровень En, (Em>En).
Переходы при взаимодействии с фотонами могут быть спонтанными (самопроизвольными) и вынужденными (индуцированными).
Испускание фотона при спонтанном переходе не зависит от внешних факторов. Здесь направление излучения и поляризация фотонов могут быть любыми.
Вынужденные квантовые переходы происходят под воздействием внешнего излучения частоты ν. Они генерируют фотоны. Фотон – копия имеет направление излучения и поляризацию такие же, как и у фотона, стимулирующего усиление электромагнитногоизлучения. При этом частота испущенного электрона совпадает с частотой вынужденногоизлучения.
Квантовый генератор – источник когерентного излучения, основанный на использовании явления вынужденного излучения.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Электроника, ее основные области исследования; вакуумная, твердотельная, квантовая электроника, особенности физических процессов
ФОЭ — научное направление в электронике, в котором изучаются взаимодействия электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, различных средах (газы, жидкости, твердые тела, плазмы) и у границы их раздела.
Электроника включает три направления: вакуумная, твердотельная, квантовая.
I.Вакуумная электроника:
Изучаются взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме; основные предметы исследования: электронная эмиссия; формирование и управлении потоками электронов; катодолюминесценция.
На их базе создаются приборы:
диоды, триоды, тетроды, СВЧ, фотоэлектронные приборы.
— при взаимодействии электронов с электромагнитными полями в вакууме нет столкновений со связанными атомами, а вероятность столкновения с остаточными газами мала, следовательно, потери энергии малы, КПД процессов достигает 90%;
— остаточная энергия электронных потоков рассеивается на электродах с большой поверхности, которые могут интенсивно отражаться, что позволяет получать мощности в несколько МВт.
II.Твердотельная электроника:
Изучаются процессы в твердых телах (полупроводниках, диэлектриках, магнитных материалах, пьезоэлектриках) для преобразования электромагнитной энергии в широком диапазоне частот от постоянного тока до СВЧ.
1) полупроводниковая электроника – исследуются эффекты взаимодействия электронов с электромагнитными полями в п/п;
2) акустоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия высокочастотных акустических волн с электронами проводимости;
3) оптоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия волн оптического диапазона с электронами в твердых телах;
4) магнитоэлектроника – магнитные явления в твердых телах.
диоды, транзисторы, приборы с заряд.связью, интегральные микросхемы.
1.Одновременное существование двух типов подвижных носителей заряда.
2. Сильная зависимость типа и величины электропроводности от концентрации и типа атомов примесей.
3. Возникновение на границе двух п/п с различными типами электропроводности потенциальных барьеров.
4. Сильная чувствительность свойств п/п к воздействию света, электр. и магнитных полей и т.д.
5. Туннельные переходы электронов через потенциальный барьер.
6. Лавинные размножения НЗ в сильных электрических полях.
III.Квантовая электроника:
Изучаются методы генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов.
Приборы: квантовые генераторы (лазеры), усилители.
1. Высокая стабильность частоты колебаний.
2. Низкий уровень шумов.
3. Большая мощность в импульсе излучения.
Развитие элементной базы, этапы:
1) Дискретная электроника на ЭВП;
2) Дискретная электроника на п/п приборах;
3) Интегральная электроника на микросхемах (в том числе и функциональная электроника);
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2023
Работы в области квантовой электроники – перспективное направление дальнейшего развития микро- и радиоэлектроники. Большое число исследовательских программ осуществляется в области квантовых технологий на уровне как отдельных стран («Национальная инициатива в области квантовых технологий» – National Quantum Initiative, США), так и межгосударственных объединений («Программа обеспечения лидерства в квантовой сфере» – Quantum Flagship program, ЕС). Так что же такое квантовая электроника? Где она принимает активное участие в жизни человека? Что она из себя представляет? Начнём по-порядку.
Квантовая электроника – это область науки и техники, исследующая и применяющая методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании вынужденного излучения. 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. Вынужденное (индуцированное) излучение возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Вынужденное излучение может происходить в диапазонах радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и УФ-излучения.
Рассмотрим переходы между уровнями энергии Ei и Ek характеризуемые частотой v, так что hv=Ei-Ek (h — постоянная Планка). Вероятности переходов определяются через, так называемые, Коэффициенты Эйнштейна A и B.
• Для спонтанных переходов wik s = Aik
• Для вынужденного излучения wik=Bikpv (pv – спектральная объёмная плотность энергии).
Bki = Bik = 32π 3 d 2 ik/3h 2 (уровни считаются невырожденными). Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населённостей уровней
В состоянии термодинамического равновесия населённости подчиняются распределению Больцмана, так что
Поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие ni>nk, 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.
Исторически первыми генераторами индуцированного излучения являлись генераторы в СВЧ-диапазоне (1954—55 гг.). Такиеприборыполучилиназвание « мазер » (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Следующий, естественный для развития квантовой электроники шаг был сделан в направлении освоения коротковолнового, оптического диапазона. В августе 1960 г. Теодор Мейман (США) впервые наблюдал импульсную генерацию когерентного излучения с лямбда=0,69 мкм в кристалле рубина. Созданный им прибор, названный лазером (LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), открыл новую эру в развитии квантовой электроники. 60-е годы ХХ века ознаменовались бурным поиском новых лазерных активных сред. Примерно за десять лет была получена генерация в большинстве известных активных средах и перекрыт диапазон длин волн генерации от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ). С появлением лазера наука и техника получили в свое распоряжение качественно новый источник оптического излучения, характеризующийся огромной яркостью, высокой степенью направленности, монохроматичности и когерентности. Квантовая электроника неразрывно связана с таким направление электроники, как оптоэлектроника. Согласно определения, данного в большой советской энциклопедии, оптоэлектроника – это направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектроника возникла как этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, тенденцией которых является непрерывное усложнение систем при возрастании их информационных и технико-кономических показателей, таких как надежность, быстродействие, уменьшение массогабаритов. Оптоэлектроника получила интенсивное развитие в 60-е годы после открытия лазеров, полупроводниковых излучающих диодов, волоконной оптики. Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи. Основными элементами в оптоэлектронике являются:
Источники света (излучатели), преобразующие электрические сигналы в потоки фотонов – в первую очередь это лазеры и светодиоды;
Оптические среды (в частном случае линии связи); они могут быть как пассивными, так и активными;
Фотоприемники (датчики) для преобразования световых сигналов в электрические (фотоэлементы, ФЭУ, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т. Д.);
Благодаря таким особенностям оптических колебаний, как электрическая нейтральность, однонаправленность потока фотонов, высокая частота колебаний, когерентность и др., оптическая связь имеет очевидные преимущества по сравнению с электрической. Световой луч можно сфокусировать на площадку, размеры которой сравнимы с длиной волны, что позволяет резко повысить плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до величины примерно 10^8 бит/см²). Большие коэффициенты усиления ряда активных сред позволяют использовать их в качестве усилителей яркости в лазерных проекционных микроскопах и средствах визуализации быстропротекающих процессов. Физические процессы при взаимодействии световых полей с веществами служат источником информации при диагностике различных сред. Причем в ряде случаев возможно дистанционное получение информации об объекте исследования.
Квантовую электронику можно использовать во многих отраслях жизнедеятельности:
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.).
Список литературы
Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1969.
А. Пекара. Новый облик оптики. — М.: Советское радио, 1973.
Н. В. Карлов. Квантовая электроника. // Физика микромира: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1980. — С. 200—217.
М. Е. Жаботинский. Квантовая электроника. Архивная копия от 4 октября 2009 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия. — Т. 2 — М.: СЭ, 1990. — С. 319—320.
Н.В. Карлов, А. А. Маненков. Квантовые усилители. – М.:1966