Квантовые приборы (стр. 1 из 3)
Содержание
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
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
1.1. 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 = Wn - Wm. 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 валентных электронов [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.
1.2. 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 Wm и Wn 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 Wn-Wm. 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 = Wn - Wm (1)
Число спонтанно генерируемых фотонов за единицу времени в единице объема среды равно
nФС = ВC Nn , (2)
где ВC - коэффициент Эйнштейна, или вероятность спонтанного перехода квантовой системы из состояния n в состояние m; Nn -населенность уровня Wn в расчете на единицу объема.
б) Поглощение излучения. Если фотон частоты n, удовлетворяющей соотношению (1), сталкивается с квантовой системой, находящейся в состоянии Wm , то система переходит в состояние Wn , а фотон исчезает. Число поглощаемых в единице объема в единицу времени фотонов будет равно