Введение

Квантовая электроника — это область науки и техники, исследующая и применяющая квантовые явления для генерации, усиления и преобразования когерентных электромагнитных волн.

Особенностью и содержанием квантовой электроники является использование энергии и свойств квантовых систем для генерации и усиления излучений СВЧ и оптического диапазона.

К настоящему Бремени созданы теоретические основы работы квантовых приборов. Дальнейшее развитие квантовой электроники, связанное с созданием новых приборов, повышением мощности излучения, получением генерации на новых квантовых системах и т. д., в значительной степени зависит от возможности появления новых материалов. Таким образом, поиск новых материалов, применяемых в приборах «вантовой электроники, и улучшение качества имеющихся за счет совершенствования технологии их изготовления и обработки будут в основном определять прогресс в этой области науки и техники.

Есть несколько вариантов классификации квантовых приборов. Они различаются по припципу действия и назначению прибора, по частоте излучения, по физическому состоянию активного вещества, по типу активного вещества, по основному механизму возбуждения, по энергетической структуре квантовой системы и т. д.

По принципу действия и назначению приборы квантовой электроники разделяются: на квантовые генераторы, квантовые усилители и модуляторы излучения.

Квантовый генератор — это источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного испускания и обратной связи. Возникновение когерентного направленного излучения в квантовом генераторе происходит только в результате подводимой энергии возбуждения накачки.

Квантовый усилитель — это усилитель, использующий вынужденное испускание для усиления электромагнитных

волн. В этом приборе энергия возбуждения используется только для создания инверсной населенности энергетических уровней квантовой системы, с тем чтобы при воздействии на систему слабого внешнего сигнала, обладающего определенной частотой, фазой и направленностью, в усилителе возникло вынужденное испускание излучения с теми же параметрами, но значительно большей мощности.

Модулятор — это устройство, позволяющее управлять амплитудой, фазой, частотой и поляризацией электромагнитного излучения.

Для различения квантовых приборов по частоте (дли-неволпы), т. е. по диапазону спектра электромагнитных колебаний, в Советском Союзе широко используются наиболее точные и естественные термины типа «квантовый генератор СВЧ» или «оптический квантовый генератор» (ОКГ). В научной литературе иногда применяют термины «мазер», «лазер», «иразер» и их производные, а также Х-разер, гразер и др.

Термин «мазер» предложен Ч. Таунсом в его первой работе о молекулярном генераторе на пучке молекул аммиака. Он является сокращением, составленным из первых букв английской фразы: Microwave amplification by stimulated emission of radiation, т. e. усиление микроволн (колебаний СВЧ диапазона) с помощью вынужденного испускания излучения. Однако уже в этой статье термин «мазер» оказался неточным, так как речь идет о генерации, а термин определяет прибор как усилитель. Когда впоследствии появились квантовые парамагнитные усилители СВЧ, их тоже стали называть мазерами. С разработкой квантовых генераторов оптического диапазона по аналогии с мазерами был введен термин «лазер», т. е. усиление света с помощью вынужденного испускания излучения.

По физическому состоянию активного вещества приборы разделяются на твердотельные, жидкостные и газовые.

Наиболее широко попользуется классификация квантовых генераторов по агрегатному состоянию активного вещества с учетом способа возбуждения. В этом случае различают следующие группы квантовых приборов: твердотельные (с оптическим возбуждением), жидкостные (с оптическим возбуждением), полупроводниковые (инжекционные и с накачкой электронным пучком) и

газовые (газоразрядные, химические, газодинамические, с оптической накачкой и др.).

В твердотельных и жидкостных квантовых генераторах (в неорганических материалах) вынужденное излучение возникает вследствие переходов возбужденных ионов-активаторов в устойчивое состояние.

В полупроводниковых квантовых генераторах (ПКГ) излучающим процессом является рекомбинация свободных электронов и дырок. Последнее достигается либо в однородном кристалле полупроводника путем облучения пучком электронов, либо в кристалле полупроводника с электронно-дырочным переходом путем инжекции электронов электрическим током.

В газовых квантовых генераторах вынужденное излучение происходит за счет переходов возбужденных ионов, атомов или молекул. Поэтому газовые ОКГ подразделяют на ионные, атомные и молекулярные. Возбуждение газовых ОКГ осуществляют с помощью электрического разряда в газе, оптического или радиоактивного излучения и в результате химических реакций, характеризующихся большим выходом энергии и цепным механизмом (реакции фотодиссоциации, пламенного сгорания, взрывов и т. д.). Известен также газодинамический ОКГ, в котором усилительные свойства среды возникают за счет различия во времени релаксации колебательных и вращательных состояний при адиабатическом расширении нагретого молекулярного газа.

Приведенные выше классификации ОКГ являются условными. В действительности не всегда возможно провести четкую границу между различными типами ОКГ. Например, полупроводниковые квантовые генераторы с оптической или электроннолучевой накачкой имеют много общего с твердотельными ОКГ.

Поскольку качественные и количественные характеристики излучения квантовых генераторов прежде всего зависят от качества материалов, совершенно ясно, что к последним предъявляются весьма жесткие требования по химической чистоте и однородности. Подробнее требования к различным материалам будут рассмотрены в соответствующих главах.