Квантові прилади
Оптоелектронні прилади широко застосовуються в передових галузях промисловості, електроапаратурі та використовуються в основному для генерації, передачі, зберігання та відображення інформації. Найважливішими є лазери, їх технічну основу визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної електроніки: мініатюризація елементів, кращий розвиток твердотільних площинних конструкцій, інтеграція елементів і функцій та ін.
Напівпровідникові лазери відрізняються від газових і твердотільних тим, що випромінюючі переходи відбуваються в матеріалі напівпровідникового не між дискретними енергетичними станами електрона, а між парою широких енергетичних зон. Тому перехід електрона із зони провідності у валентну зону з наступною рекомбінацією призводить до випромінювання, що лежить у відносно широкому спектральному інтервалі і становить кілька десятків нанометрів, що набагато ширше смуги випромінювання газових або твердотільних лазерів. Крім того, напівпровідникові лазери технологічніші, особливо з точки зору їх отримання в комплексі з суміжною мікроелектронікою, враховуючи орієнтацію на спеціальні надчисті матеріали та застосування методів групової обробки виробів, таких як епітаксия, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімія .
Мета роботи проаналізувати основні аспекти квантової електроніки та дати характеристику квантових приладів.
1) Розглянути основи квантової електроніки;
2) Дати характеристику квантового парамагнітного підсилювача;
3) Охарактеризувати твердотільні та рідинні лазери.
Розділ 1. Основи квантової електроніки
1.1. Основні поняття квантової електроніки
Квантовими приладами(КП) називаються пристрої, що служать для генерації або перетворення електромагнітних коливань оптичного та НВЧ - діапазону, дія яких заснована на перетворенні внутрішньої енергії збуджених квантових систем на енергію електромагнітного поля.
Мал. 1.1 – Концептуальна діаграма КП
Квантовою системою називається така елементарна частка чи сукупність елементарних частинок (атом, молекула, газ, кристал твердого тіла, рідина), стан якої дискретно (квантованы), тобто. складають строго визначений для цієї системи набір станів з дискретними значеннями внутрішньої енергії у кожному з цих станів [4]. Дозволені значення енергії елементарних частинок та всієї квантової системи називаються енергетичними рівнями. Однак деякі стани квантової системи, що мають однакову енергію, можуть якісно відрізнятися один від одного. Такі стани називаються виродженими. Число різних станів з однаковою енергією визначає міру виродження стану. Розглянемо основні особливості основних типів квантових систем, які у квантових приладах.
а)Атомні (іонні) квантові системи
Відповідно до основ квантової механіки дискретні значення в атомі (іоні) мають: енергія електрона W, абсолютні значення орбітального моменту кількості руху електрона
Набір дозволених енергетичних рівнів (енергетичний спектр) графічно представляється як енергетичних діаграм.
Мал. 1.2 – Енергетична діаграма атома
Електрони прагнуть зайняти рівні з найменшою енергією, що відповідає стану стійкої рівноваги атома [2]. Однак, якщо електрону повідомити додаткову порцію енергії ззовні, він може перейти на більш високий енергетичний рівень. Для цьогонеобхідно, щоб додаткова енергія ∆W дорівнювала ширині енергетичного зазору між рівнями переходу: ∆W = Wn - Wm . Такий стан квантової системи (у разі атома) називається збудженим. У збудженому стані квантова система перебуває недовго (зазвичай 10 -6 - 10 -10 з) і мимоволі повертається вихідний стан, тобто. електрон повертається нижній рівень. Зовнішнє електромагнітне поле може змінити енергію лише зовнішніх електронів атома (іона), т.к. середня відстань між зовнішніми електронними рівнями становить ∆W = 1
б)Молекулярні квантові системи
Стан багатоатомної молекули складається з електронних станів складових молекулу атомів, станів коливального руху атомів щодо центру мас цих атомів і станів обертального руху молекули. Усі три перелічені компоненти квантовані. Переходи з одного коливального стану до іншого відбуваються зі зміною енергії ∆W = 0,01
в)Електронні квантові системи
Тверді тіла, у тому числі напівпровідники, являють собою системи, що складаються з двох взаємодіючих підсистем - підсистеми атомних кістяків (кристалічна решітка) і підсистеми валентних електронів [6]. Ця друга підсистема має зонну структуру енергетичного спектру і може змінювати свій стан при зміні температури або під дією електричного поля, освітлення тощо. Як ми побачимо далі, такі електронні квантові системи також можуть бути «робочою речовиною» квантових приладів.
1.2. Види взаємодії квантового комплексу з полем
При всіх взаємодіях з речовиною поле поглинається та випускається окремими порціями, які отримали назву квантів світла або фотонів. Кожен фотонволодіє енергією W = hn та імпульсом [4]
Взаємодія квантового ансамблю з електромагнітним полем може виявлятися в одному з таких видів:
а) Спонтанне (самовільне) випромінювання.
Розглянемо два енергетичні рівні Wm та Wn квантових систем даного ансамблю (рис. 1.3).
Мал. 1.3 – Енергетичні рівні квантових систем ансамблю
Ці рівні обов'язково повинні задовольняти правилу відбору, згідно з яким, наприклад, у найпростіших атомних системах значення орбітального квантового числа аналізованих станах відрізнялися на ±1. Припустимо, що квантова систем переходить із стану n до стану m. При цьому її енергія зменшиться на величину Wn-Wm. Ця енергія перетвориться або на тепло, або на енергію фотона. Якщо переході не порушиться закон збереження моменту кількості руху, то випромінюється фотон, частота якого визначиться рівністю [5]
Число спонтанно генерованих фотонів за одиницю часу в одиниці об'єму середовища дорівнює
де ВC - коефіцієнт Ейнштейна, або ймовірність спонтанного переходу квантової системи зі стану n стан m; Nn -населеність рівня Wn у розрахунку одиницю обсягу.
б) поглинання випромінювання. Якщо фотон частоти n, що задовольняє співвідношенню (1), стикається з квантовою системою, що знаходиться в стані Wm, система переходить у стан Wn, а фотон зникає. Число поглинаються в одиниці обсягу в одиницю часу фотонів дорівнюватиме