О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

О.С. Кривець, О.О. Шматько, О.В. Ющенко

 

 

 

 

КВАНТОВА ЕЛЕКТРОНІКА

 

 

 

 

 

 

 

Навчальний посїбник

 

 

 

 

Рекомендовано Міністерством освіти i науки, молоді та спорту України

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суми

Сумський державний університет 2013УДК [681.7.069.24+621.375.826](075.8) ББК 32.86

К82

Рецензенти:

В. А. Свiч доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри квантової радіофізики Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна; С. П. Рощупкін доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач лабораторії квантової електродинаміки сильних полів Інституту прикладної фізики НАН України, заслужений діяч науки і техніки України; Г. С. Воробйов доктор фізико-математичних наук, професор Сумського державного університету

 

Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів,

які навчаються за напрямом підготовки "Мікро- та наноелектроніка"та "Електронні пристрої та системи" (лист № 1/11 - 6817 від 09.04.2013р.)

 

Кривець О. С.

К 82     Квантова електроніка : навч. посіб./ О. С. Кривець, О. О. Шматько, О. В. Ющенко. Суми : Сумський державний університет, 2013. — 340 с.

 

ISBN 978-966-657-482-7

 

У цьому навчальному посібнику в стислій формі розглянуті основні фі­зичні засади, на яких базується дія елементної бази та приладів квантової електроніки й оптоелектроніки. Посібник містить самостійну перевірку та закріплення матеріалу шляхом розв'язання типових задач і відповідей на контрольні питання. Призначений для студентів денної та заочної форм на­вчання, а також для аспірантів фізико-технічних спеціальностей універси­тетів.

 

УДК [681.7.069.24+621.375.826](075.8) ББК 32.86

1.1.      © Кривець О. С., Шматько О. О., Ющенко О. В., 2013 ISBN 978-966-657-482-7       © Сумський державний університет, 2013Зміст
71   ОСНОВШ     ВЛАСТИВОСТ! НАЙПРОСТШЮЇКВАНТОВОЇ СИСТЕМИЕлектрон та його властивості..........................................................        12

1.2.      Гамільтоніан атома..................................................        14

1.3.      Атом водню.............................................................        16

1.4.      Магнетизм атома.....................................................        18

Питання для самостійного контролю............................        20

 

2    ВЗАЄМОДІЯ КВАНТОВИХ СИСТЕМ ІЗ ЕЛЕКТРО-
МАГНІТНИМ ПОЛЕМ
                                                     21

2.1.   Поглинання і випромінювання енергії при кван-
тових переходах. Коефіцієнти Ейнштейна
....    21

2.1.1.        Спонтанні та вимушені переходи                                  22

2.1.2.        Умови термодинамічної рівноваги ....    29

 

2.2.      Дипольне випромінювання. Дозволені та забо-
ронені переходи ..                                                           33

2.3.      Форма та ширина спектральних ліній .................        45

2.4.      Розсіювання світла та двофотонне поглинання .        55

2.5.       Підсилення у квантових системах ............................. 60

Питання для самостійного контролю............................        71

 

3    АКТИВНІ               КВАНТОВІ РЕЧОВИНИ

І СТВОРЕННЯ У НИХ СТАНУ ІНВЕРСІЙНОЇЗАСЕЛЕНОСТІ


743.1.  Енергетичні стани робочих речовин квантових

3.2.      приладів. Квантові числа              74Створення інверсних станів у газових середовищах 77

3.3.      Створення інверсійної заселеності у напівпро-
відниках
.................................................................. ...... 79

3.4.      Створення інвєрсійної заселеності у кристалах

та склі...................................................................... ...... 84

Питання для самостійного контролю............................ ...... 95

 

4    ВЛАСТИВОСТІ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАН-
НЯ
                                                                                            97

4.1.      Монохроматичність................................................ ...... 97

4.2.      Когерентність ......................................................... .... 102

4.3.      Спрямованість лазерного випромінювання ...    108

4.4.      Яскравість................................................................ .... 112

4.5.      Поляризація............................................................. .... 114

4.6.      Потужність. ККД ................................................... .... 116

Питання для самостійного контролю............................ .... 119

 

5    РЕЗОНАТОРИ КВАНТОВИХ ПРИЛАДШ            122

5.1.      Резонатори квантових приладів НВЧ................... .... 122

5.2.      Оптичні резонатори................................................ .... 128

5.3.      Резонатор із плоскими дзеркалами ........................... 134

5.4.      Резонатори із квадратичною фазовою корекцією
поверхонь дзеркал ...................................................... 142

5.5.      Неконфокальні резонатори, або резонатори із
довільними сферичними дзеркалами                        147

5.6.      Матричний (параксіальний) метод розрахунку
резонаторів .                                                                  151

5.7.      Втрати в оптичному резонаторі. Стійкість і до-
бротність резонатора ...                                                154

5.8.      Інші типи резонаторів............................................ .... 163

5.9.      Селекція типів коливань урезонаторах ...                  168

Загальні умови вибору типу оптичного резонато-
ра
лазера ........................................................................... 173Питання для самостійного контролю            ............................................................................................ 174

 

6    РЕЖИМИ ГЕНЕРАЦІЇ ТА МОДУЛЯЩЯ ЛАЗЕРНО-
ГО ВИПРОМШЮВАННЯ
                                            178

6.1.      Класифікація режимів роботи лазерів ..................... 178

6.2.      Режим вільної генерації лазерного випроміню-
вання .                                                                           183

6.3.      Режим модульованої добротності.........................     187

6.4.      Режим синхронізації мод........................................     193

6.5.      Режим розвантаження резонатора ..                           199

6.6.      Типи пристроїв модуляції втрат у резонаторі   . .    201

 

6.6.1.        Пасивні закриви на середовищах із по-
глинанням, що насичується (фототропні)     201

6.6.2.        Активні методи модуляції втрат у резона-
торі .................................................................. 204

 

6.7.      Модуляція підсилення                                                211

6.8.       Провал Лемба..........................................................     212

Питання для самостійного контролю............................     214

 

7    ОСНОВШ ТИПИ ПРИЛАДШ КВАНТОВОЇ ЕЛЕ-
КТРОНІКИ
                                                                        217

7.1.      Квантові парамагнітні підсилювачі ...............................            217

7.2.      Волоконні підсилювачі та лазери                              229

7.3.      Оптичні квантові генератори на діелектричних
парамагнітних кристалах та склі .                              234

 

7.3.1.        Рубіновий лазер..........................................     238

7.3.2.        Неодимові лазери .......................................... 241

7.3.3.        Мікрочипові твердотільні лазери                  244

7.4.   Рідинні оптичні квантові генератори                                   246

7.4.1.        Рідинні лазери на неорганічних барвни-
ках ................................................................... 248

7.4.2.        Рідинні лазери на органічних барвниках .    249

7.5.1.        7.5................................................................. Газові оптичні квантові генератори                                                                                254Газові лазери на нейтральних атомах.
Гелій-неоновий лазер
.................................    259

7.5.2.        Іонні лазери. Аргоновий лазер.................    263

7.5.3.        Молекулярні лазери на CO2......................    268

7.5.4.    Молекулярні ексимерні та хімічні лазери    275
7.6.
Напівпровідникові оптичні квантові генератори .   279

7.6.1.        Інжекційні лазери на гомопереході . . . .     284

7.6.2.        Лазери на гетеропереходах на потенці-
альній ямі
.....................................................    286

7.6.3.        Лазери на гетеропереходах із квантово-
розмірними структурами та роздільним
електронним та оптичним обмеженням   .       289

7.6.4.        Поверхнево-випромінювальні інжекцій-
ні лазери .                                                       294

7.6.5.        Каскадні лазери..........................................    295

7.6.6.        Напівпровідникові лазери з електронним

та оптичним збудженням                              297

Питання для самостійного контролю............................    299

 

8   ПРАКТИЧНІ ЗАВДАННЯ 304

8.1.      Квантові переходи. Форма та ширина спе-
ктральних ліній
....................................................... 304

8.2.      Створення інверсійної заселеності, підсилення

та поглинання у квантовій системі....................... 310

8.3.      Властивості лазерного випромінювання, розсію-
вання світла ..  320

Відкриті резонатори 324Список лгтератури


333На сьогодні актуальним є завдання створення та вдоскона­лення джерел електромагнітних коливань і елементної бази, що забезпечують генерацію та підсилення коливань від міліметро­вого до рентгенівського діапазону. Перспективними у вирішенні цього питання були й залишаються різноманітні прилади не ли­ше НВЧ- електроніки, а також і квантової електроніки, сфери застосування яких уже давно не обмежуються основними галу­зями науки та техніки, постійно і швидко розширюються сучасні галузі, особливо нанотехнології [1]— [9] та інші.

Запорукою успішного засвоєння та використання вже існу­ючих і новітніх технологій та розробок приладів квантової еле­ктроніки є знання фізичних основ, на яких базується їх дія, ви­вчення властивостей поширення, перетворення лазерного ви­промінювання, елементної бази та основних конструкцій лазе­рів і мазерів. Саме із такою метою і розроблявся цей навчаль­ний посібник, поданий матеріал у якому є результатом узагаль­нення досвіду відомих фахівців, таких як [10] — [22] та ін., і но­вітніх розробок у галузі квантової електроніки та оптоелектро­ніки.

У першому розділі розглянуті основні властивості найпро­стішої квантової системи, у другому питання взаємодії кван­тових систем з електромагнітним полем та необхідні умови для підсилення і генерації коливань у таких системах.

Розділ 3 присвячений ознайомленню із типами робочих ре­човин квантових приладів, створенню в них інверсійних станів, необхідних для отримання генерації та підсилення електрома­гнітних коливань.

Основні властивості поширення лазерного випромінювання розкриті в розділі 4. Розділ 5 присвячено резонансним систе­мам, що використовуються в лазерах та мазерах.У розділі 6 приділено увагу режимам лазерного випроміню­вання, а в розділі 7 — основним типам приладів квантової еле­ктроніки.

У кожному розділі є питання для самоконтролю, що можуть бути використані як для поточного, так і для підсумкового кон­тролю з дисципліни "Квантова електроніка".

Розділ 8 містить 85 типових задач, що сприяють засвоєнню теоретичного матеріалу, які можуть бути використані для пра­ктичних та індивідуальних занять з дисципліни "Квантова еле­ктроніка".

Квантова електроніка це галузь фізики, що вивчає ме­тоди генерації й підсилення електромагнітних коливань і хвиль, побудовані на використанні вимушеного випромінювання кван­тових систем, а також на властивості квантових підсилювачів і генераторів.

Необхідно виділити основні етапи, які передували станов­ленню квантової електроніки.

1917р. А. Ейнштейн розвинув гіпотезу П. Дірака щодо існу­вання вимушеного випромінювання. Більш чітке обгрунтування існування вимушеного випромінювання та наявності когерен­тності в елементарному акті випромінювання доведено П. Ді-раком у створеній ним квантово-механічній теорії випроміню­вання.

1940р. В. А. Фабрикант сформулював умови експеримен­тального виявлення вимушеного випромінювання в розряді га­зу.

1951р. В. А. Фабрикант, М. М. Вудинський, Ф. І. Бутаєва (авторське свідоцтво) знайшли спосіб підсилення випроміню­вання за допомогою вимушеного випромінювання. Однак ці ма­теріали були опубліковані лише у 1959 році і практичного впли­ву на створення оптичного квантового генератора не мали.

1953 - 1954 рр. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Дж. Вебер, Дж. Гордон, Х. Цайгер, Ч. Таунс (США) отримали генераціюна пучку молекул амоніаку в сантиметровому діапазоні з ви­користанням їх сортування в магнітному полі (перший мазер). За це відкриття вченим А. М. Прохорову і Н. Г. Басову та аме­риканському вченому І. Таунсову в 1964 році була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка