Оптическая и квантовая электроника l Лектор – Светцов

Оптическая и квантовая электроника l Лектор – Светцов Владимир Иванович e-mail svetsov@isuct. ru l Трудоемкость дисциплины 120 часов, аудиторные занятия 60 часов, в том числе лекции 30 часов, лабораторно-практические занятия 30 часов, зачет, экзамен. l Преподаватели: Холодков Игорь Владимирович Иванов Александр Николаевич

Литература l Дудкин, В. И. Квантовая электроника. Приборы и их применение : учеб. пособие для вузов. - М. : Техносфера, 2006. - 432 с. l Светцов, В. И. Оптическая и квантовая электроника. Иваново, изд. ИГХТУ, 2010. 196 с. l Терехов, В. А. Задачник по электронным приборам . — СПб. : Лань, 2003 . — 278 с. (40) l Пихтин, А. Н. Оптическая и квантовая электроника . — М. : Высш. шк. , 2001 . — 573 с. l 5. Светцов, В. И. , Холодков, , И. В. Физическая электроника и электронные приборы . — Иваново, 2008 . — 494 с. (150) l 6. Светцов, В. И. , Рыбкин, В. В. , Титов, В. А. и др. Физическая электроника и электронные приборы. Лабораторный практикум. Иваново, 2001. — 234 с.

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Квантовая электроника - это область науки и техники, посвященная исследованию и применению квантовых явлений для усиления, генерации и преобразования когерентных электромагнитных волн. Термин "Лазер" образован из полного английского названия: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает "усиление света с помощью вынужденного испускания излучения".

ЭТАПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ l 1917 г. А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о существовании стимулированного излучения. l l l 1940 г. В. А. Фабрикант сформулировал условия экспериментального обнаружения стимулированного 1950 г. Е. Парсел, Р. Паундлазер на стимулированное с 1962 г. Р. Холл создал получили арсениде галлия излучения газовом разряде. излучение в результате инверсии ядерных спинов. использованием n-p-перехода. l 1953 г. -1954 г. Н. Г. Басов, Дж. Гордон А. М. Прохоров, (на рис. ) Дж. Вебер, , Х. Цайгер, Ч. Таунс (США) получили генерацию на пучке молекул аммиака (первый мазер). l 1960 г. Т. Мейман создал рубиновый ОКГ. А. Джаван (на рисунке)создал газовый лазер на смеси гелия и неона.

Лауреаты Нобелевской премии 1964 года

Излучение лазеров обладает: l высокой монохроматичностью, l когерентностью, l направленностью, l высокой спектральной плотностью мощности.

Лазеры широко применяются в: l голографии l метрологии и измерительной технике, l космической технике, l химической технологии и химическом анализе, мониторинге окружающей среды, l l технологии обработки материалов, медицине, сельском хозяйстве, l l военной технике, строительстве, На фото: Лазер QUANTEL BRILLIANT в составе интегральной и волоконной оптике, комплекса лидарного зондирования атмосферы, установленного на паруснике l информационных системах. "Надежда" во время кругосветного похода 2002 -2003 года.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ Квантовые переходы при взаимодействии с фотоном а -спонтанный б - вынужденный в - вынужденный переход с испусканием поглощением испусканием фотона;

Спонтанный переход Скорость спонтанного перехода с уровня n на уровень m: где Nn -концентрация частиц на уровне n. Коэффициент Anm есть вероятность перехода или коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, [c-1]. Величина, обратная Anm, называется спонтанным временем жизни.

Поглощение излучения частицей Скорость поглощения: где Bmn - коэффициент Эйнштейна для вынужденного поглощения, P( ) - спектральная плотность излучения, Nm - концентрация частиц на уровне m.

Вынужденное или стимулированное излучение Скорость вынужденного излучения: где Bnm - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения, P( ) - спектральная плотность излучения, Nn - концентрация частиц на уровне n.

Связь между коэффициентами спонтанного и вынужденного испускания

Стимулированное излучение составляет физическую основу работы ОКГ Мощность излучения: Если Nn>Nm, то получаем в системе инверсную заселенность уровней.

Закон Больцмана:

Закон Бугера: где xv - коэффициент поглощения. Для лазерных сред отрицательный коэффициент поглощения получил название коэффициента усиления.

Усиление будет иметь место при xv >> xп, то есть необходимо иметь некоторую критическую или пороговую инверсную заселенность.

Интегральный коэффициент усиления: Коэффициент усиления в децибелах: , д. Б

Форма и ширина спектральной линии Частотный интервал, в пределах которого интенсивность убывает вдвое по сравнению с максимальным значением, называется шириной спектральной линии N. Ширина спектральной линии, определяемая спонтанными переходами, называется естественной шириной.

Естественная ширина спектральной линии: где gm - кратность вырождения уровня, Dnm - матричный элемент дипольного момента перехода. Форма спектральной линии описывается функцией Лоренца

Время жизни( ) в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, определяет ширину энергетического уровня:

Соотношение ширины линии и ширины перехода:

Уширение спектральных линий: 1. Доплеровское уширение. Эффект Доплера есть изменение частоты (длины волны), наблюдаемое при движении источника излучения относительно приемника. Частота излучения увеличивается, если источник приближается к наблюдателю. Частота: Ширина: при v c

2. Уширение при столкновениях. Но время жизни атома в возбужденном состоянии будет определяться временем столкновения: где a - эффективный боровский радиус атома, Р - давление газа. 3. Уширение в твердых телах. Важной причиной уширения спектральных линий являются неоднородности кристалла и тепловые колебания решетки.

4. Уширение линий в магнитных и электрических полях. l эффект Зеемана : расщепление энергетического уровня Ем на несколько подуровней gm, сопровождающееся уширением спектральной линии под воздействием внешнего магнитного поля l эффект Штарка : расщепление и смещение энергетических уровней под воздействием внешнего электрического поля

Уширение называется однородным, если линии каждого отдельного атома и системы в целом уширяются одинаково (естественное уширение, столкновительное уширение). При неоднородном уширении резонансные частоты отдельных атомов не совпадают и распределяются в некоторой полосе частот, приводя к уширению линии системы в целом при существенно меньшем уширении линии отдельных атомов (доплеровское уширение, уширение за счет неоднородностей среды).