Виды взаимодействия квантового ансамбля с полем

Квантовые приборы

Содержание

 

Введение. 3

Глава 1. Основы квантовой электроники. 4

1.1. Основные понятия квантовой электроники. 4

1.2. Виды взаимодействия квантового ансамбля с полем. 7

Глава 2. Квантовый парамагнитный усилитель. 11

2.1. Квантовые парамагнитные усилители. 11

2.2. Конструкция КПУ и их параметры.. 13

Глава 3. Твердотельные и жидкостные лазеры.. 15

3.1. Лазеры на рубине. 15

3.2. Лазеры на жидкостях. 17

Заключение. 20

Список использованной литературы.. 21

 

 

Введение

 

Оптоэлектронные приборы широко применяются в передовых отраслях промышленности, электроаппаратуре и используются, в основном, для генерации, передачи, хранения и отображения информации. Важнейшими из них являются лазеры, их техническую основу определяют конструктивно‑технологические концепции современной электроники: миниатюризация элементов, предпочти­тельное развитие твердотельных плоскостных конструкций, интеграция элементов и функций и др.

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров. Кроме того, полупроводниковые лазеры технологичнее, особенно с точки зрения их получения в комплексе со смежной микроэлектроникой, учитывая ориентацию на специальные сверхчистые материалы и применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.

Цель работы проанализировать основные аспекты квантовой электроники и дать характеристику квантовых приборов.

Задачи

1) Рассмотреть основы квантовой электроники;

2) Дать характеристику квантового парамагнитного усилителя;

3) Охарактеризовать твердотельные и жидкостные лазеры.

 

Глава 1. Основы квантовой электроники

 

Основные понятия квантовой электроники

 

Квантовыми приборами (КП) называются устройства, служащие для генерации или преобразования электромагнитных колебаний оптического и СВЧ - диапазона, действие которых основано на преобразовании внутренней энергии возбужденных квантовых систем в энергию электромагнитного поля.

Рис. 1.1 - Концептуальная диаграмма КП

 

Квантовой системой называется такая элементарная частица или совокупность элементарных частиц (атом, молекула, газ, кристалл твердого тела, жидкость), состояния которой дискретно (квантованы), т.е. составляют строго определенный для данной системы набор состояний с дискретными значениями внутренней энергии в каждом из этих состояний [4]. Разрешенные значения энергии элементарных частиц и всей квантовой системы называются энергетическими уровнями. Однако некоторые состояния квантовой системы имеющие одинаковую энергию могут качественно отличаться друг от друга. Такие состояния называются вырожденными. Число различных состояний с одинаковой энергией определяет степень вырождения состояния. Рассмотрим главные особенности основных типов квантовых систем, используемых в квантовых приборах.

а) Атомные (ионные) квантовые системы

Согласно основам квантовой механики дискретные значения в атоме (ионе) имеют: энергия электрона W, абсолютные значения орбитального момента количества движения электрона _, значение его проекции  и значение проекции собственного момента количества движения  на произвольные направления внешнего магнитного поля с индукцией В. Спектры возможных значений этих величин даются выражениями [4]:

 n =1, 2, 3, ......

   l = 1,2,3, .....

           m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, .... ± l

Набор разрешенных энергетических уровней (энергетический спектр) графически представляется в виде энергетических диаграмм.

Энергетическая диаграмма атома представлена на рис. 1.2.

 

 

Рис. 1.2 - Энергетическая диаграмма атома

 

Электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, что соответствует состоянию устойчивого равновесия атома [2]. Однако если электрону сообщить дополнительную порцию энергии извне, он может перейти на более высокий энергетический уровень. Для этого необходимо, чтобы дополнительная энергия ∆W была равна ширине энергетического зазора между уровнями перехода: ∆W = W_n - W_m. Такое состояние квантовой системы (в данном случае атома) называется возбужденным. В возбужденном состоянии квантовая система находится недолго (обычно 10^-6 - 10^-10 с) и самопроизвольно возвращается в исходное состояние, т.е. электрон возвращается на нижний уровень. Внешнее электромагнитное поле может изменить энергию только самых внешних электронов атома (иона), т.к. среднее расстояние между внешними электронным уровнями составляет ∆W = 1 10 эВ (1эВ = 1,6 · 10^-19 Дж), что соответствует видимой области оптического диапазона. Действительно [4]

б) Молекулярные квантовые системы

Состояние многоатомной молекулы слагается из электронных состояний составляющих молекулу атомов, из состояний колебательного движения атомов относительно центра масс этих атомов и состояний вращательного движения молекулы. Все три перечисленные компоненты квантованы. Переходы из одного колебательного состояния в другое происходят с изменением энергии ∆W = 0,01  0,1эВ, что соответствует длинам волн  мкм (дальняя инфракрасная область оптического диапазона). Наконец, при переходе между состояниями вращательного движения атомов излучается или поглощается энергия ∆W=0,001  0,01эВ, что соответствует длине волн с =100 мкм 1мм. Таким образом, используя энергетические переходы между различными состояниями можно получить излучение (поглощение) электромагнитных колебаний с различной частотой.

в) Электронные квантовые системы

Твердые тела, в том числе полупроводники, представляют собой системы, состоящие из двух взаимодействующих подсистем - подсистемы атомных остовов (кристаллическая решетка) и подсистемы валентныхэлектронов [6]. Это вторая подсистема обладает зонной структурой энергетического спектра и может изменять свое состояние при изменении температуры или под действием электрического поля, освещения и т.п. Как мы увидим далее, такие электронные квантовые системы также могут служить в качестве «рабочего вещества» квантовых приборов.

 

Виды взаимодействия квантового ансамбля с полем

 

При всех взаимодействиях с веществом поле поглощается и испускается отдельными порциями, которые получили название квантов света или фотонов. Каждый фотон обладает энергией W= hn и импульсом [4]

Взаимодействие квантового ансамбля с электромагнитным полем может проявляться в одном из следующих видов:

а) Спонтанное (самопроизвольное) излучение.

Рассмотрим два энергетических уровня W_m и W_n квантовых систем данного ансамбля (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3 - Энергетические уровни квантовых систем ансамбля

 

Эти уровни обязательно должны удовлетворять правилу отбора, согласно которому, например, в простейших атомных системах значение орбитального квантового числа в рассматриваемых состояниях отличались на ±1. Допустим, что квантовая систем переходит из состояния n в состояние m. При этом ее энергия уменьшится на величину W_n-W_m. Эта энергия превратится либо в тепло, либо в энергию фотона. Если при переходе не нарушится закон сохранения момента количества движения, то излучится фотон, частота которого определится равенством [5]

hn = W_n - W_m                                                                          (1)

Число спонтанно генерируемых фотонов за единицу времени в единице объема среды равно

n_ФС = В_C N_n ,                                                                           (2)

где В_C - коэффициент Эйнштейна, или вероятность спонтанного перехода квантовой системы из состояния n в состояние m; N_n -населенность уровня W_n в расчете на единицу объема.

б) Поглощение излучения. Если фотон частоты n, удовлетворяющей соотношению (1), сталкивается с квантовой системой, находящейся в состоянии W_m , то система переходит в состояние W_n , а фотон исчезает. Число поглощаемых в единице объема в единицу времени фотонов будет равно

n_ФГ = В_ПN_mN_Ф ,                                                                       (3)

где В_П - коэффициент Эйнштейна для поглощения, равный произведению вероятности встречи фотона и квантовой системы за единицу времени в расчете на один фотон и одну квантовую систему и вероятности поглощения фотона при этом. N_m - населенность уровня W_m в единице объема, N_Ф - число фотонов в том же объеме [5].

в) Вынужденное (индуцированное) излучение. Если фотон частоты n при своем распространении в среде сталкивается с квантовой системой в состоянии W_n, то в результате вызванного этим столкновением возмущения квантовой системы она переходит в состояние W_m с излучением нового фотона. Число актов такого вынужденного излучения в единицу времени в единице объема будет равно

n_ФН = В_ИN_mN_Ф ,                                                                                                                        (4)

где В_И - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения. Теория и опыт показывают, что для невырожденных уровней W_n и W_m коэффициенты В_И и В_П одинаковы.

Фотоны, возникающие в результате вынужденного излучения, являются точной копией фотонов вызвавших излучение - имеют ту же частоту, то же направление движения, одинаковую начальную фазу и одинаковую поляризацию.

Как следует из (1) населенность уровней в квантовом ансамбле при термодинамическом равновесии убывает с ростом энергии уровней, что можно записать в виде следующей формулы [4]

,                                                           (5)

Но тогда из (2.5)следует, что всякое вещество в термодинамическом равновесии не может усиливать электромагнитные колебания, т.к. в каждом элементе объема среды будет поглощаться больше фотонов, чем их генерируется в этом объеме. Усиление будет иметь место, если N_n >N_m, т. е. населенность верхнего активного уровня больше населенности нижнего уровня.

Состояние квантового ансамбля с N_n >N_m называется инверсией (обращением) населенностей уровней. Используя формулу (2.5), можно показать, что инверсия населенностей соответствует отрицательной температуре. Действительно, прологарифмировав обе части равенства, находим, что поскольку ln (N_n /N_m) > 0 и (W_n-W_m) > 0, то Т < 0. Однако абсолютная отрицательная температура физического смысла не имеет. Это понятие применимо лишь для описания населенностей двух энергетических уровней. Физическая среда, в которой достигается инверсия населенностей уровней, называется активной средой.

Таким образом, квантовое усиление электромагнитных колебаний может быть получено при прохождении их через активную среду с отрицательной температурой [2].

В определенных условиях активная среда способна генерировать электромагнитное излучение, частота которого равна частоте перехода между уровнями, удовлетворяющих условию N_n >N_m. Для этого активное вещество необходимо поместить в полый резонатор, например, в виде «зеркальной» сферы с достаточно высоким коэффициентом отражения. В такой сфере почти каждый фотон будет отражен поверхностью сферы и вновь возвратится в объем активного вещества.

В веществе происходят акты спонтанного перехода квантовых систем из верхнего состояния в нижнее с излучением фотона. Этот фотон при своем движении либо поглотится веществом, либо «произведет» на свет другой, подобный себе, фотон. Если N_n >N_m, то вероятность поглощения меньше вероятности вынужденного излучения.

Значит, через некоторое время в объеме вещества будет уже 2 фотона, затем 4 и т.д. Плотность когерентного излучения внутри сферы будет нарастать до тех пор, пока число фотонов, уходящих за пределы сферы, не станет равным числу фотонов, рождающихся внутри сферы в единицу времени за счет вынужденных переходов квантовых систем из верхнего энергетического состояния в нижнее. Установится устойчивый режим генерации [3].

То, что на языке фотонов звучит как зеркало, на языке волновых представлений означает просто проводящую поверхность, а «зеркальная сфера» - это «полый резонатор», добротность которого Q эквивалентна коэффициенту отражения a.

Значит, для получения квантового генератора необходимо активное вещество поместить в полый резонатор с достаточно большой добротностью.