Физические основы квантовой электроники
Квантовая электроника – это область физики, которая изучает методы генерации и усиления электромагнитного излучения, основанные на использовании такого явления как вынужденное излучение в неравновесных квантовых системах.
Процесс генерации электромагнитного излучения осуществляется за счет кинетической энергии свободных электронов, которые двигаются согласованно в колебательной системе. На основе представлений квантовой электроники энергия излучения берется из внутренней энергии атомов, молекул, ионов (квантовой системы), которая высвобождается во время излучательных переходов между уровнями энергии. Такие переходы могут быть двух видов:
При спонтанном излучении возбужденная система самопроизвольно (без внешнего воздействия) испускает фотон, характеристики которого никак не связаны с характеристиками фотонов, испускаемыми другими частицами. При вынужденном излучении, под воздействием внешнего излучения, образуется фотон, свойства которого абсолютно идентичны свойствам фотонов, которые стали причиной его образования - то есть образуется когерентное излучение. Также имеет место процесс поглощения фотонов из внешнего излучения, являющейся противоположным вынужденному испусканию фотонов, который, как правило, преобладает над вынужденным. Если бы можно было добиться обратной ситуации, то произошло бы усиление вынужденной волны. Рассмотрим переход между уровнями энергии Е1 и Е2, характеризующимися частотой следующим образом:
$h*v = E1-E2$
где: h - постоянная Планка; v - частота.
Вероятности переходов определяются через коэффициенты Эйнштейна (А и В). Для спонтанного переход выражение имеет следующий вид:
$w12 = A12$
Для процесса поглощения выражение выглядит следующим образом:
w$21 = B21*pv$
где pv - спектральная объемная плотность энергии.
Для вынужденного излучения:
$w12 = B12*pv$
При этом:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных переходах энергии и пропорционально разности населенности уровней:
$ (n1-n2)*h*v*B12*pv$
где, n - населенность уровней
В случае термодинамического равновесия населенности уровней подчиняются распределению Больцмана следующим образом:
$n1 = n2exp*((-h*v)/(k*T)) ∠ n2$
Из данного выражения следует, что энергия поглощается самой квантовой системой, что приводит к ослаблению волны. Для того чтобы волна усиливалась, должно выполняться следующее условие $- n1>n2$. Данное состояние системы характеризуется отрицательным значением поглощения, то есть волна усиливается.
Оптическая электроника
«Оптическая электроника» – это раздел электроники, который охватывает исследование эффектов взаимодействия электромагнитного поля оптического диапазона частот.
В оптической электронике уже освоен диапазон длин волн от 0,2 до 20 мкм. Подавляющее большинство оптоэлектронных устройств функционирует в узком спектральном диапазоне (0,5-1,5 мкм), центральная часть которого составляет видимый диапазон - от 0,38 - 0,78 мкм. Их работа основана на использовании различных видов люминесценции и фотоэлектрических явлений, применяемых для генерации и приема оптических сигналов; использовании магнито-, электро-, акустооптических эффектов для управления лучом света; использовании нелинейных оптических явлений для умножения частоты лазеров.
Достоинства оптоэлектронных устройств связаны с более высокой частотой, малой длиной волны электромагнитных колебаний оптического диапазона, электрической нейтральностью фотонов, а также их невосприимчивостью к электромагнитным полям. Эти особенности стали причинами следующих преимуществ оптоэлектронных устройств относительно других:
- Отсутствие перекрестных помех.
- Малая угловая расходимость луча света.
- Высокая пропускная способность.
- Бесконтактность оптической связи.
- Высокий уровень защиты от внешнего воздействия.
- Наличие возможности острой фокусировки.
- Однонаправленность передачи данных.
- Возможность обработки больших массивов информации.
- Возможность использования пространственной модуляции.
- Идеальная электрическая развязка входа и выхода.
Наиболее явно преимущества оптоэлектронных устройств проявляются при использовании когерентного лазерного излучения. Основными материалам, используемыми при производстве фотоприемников и излучателей оптоэлектронных устройств, являются полупроводники, которые характеризуются высокой излучательной способностью и фоточувствительностью. Также широкое распространение получили акусто-, магнито- и электрооптические материалы, кварц, прозрачные полимеры, специальные многокомпонентные стекла, компаунды.
