量子電子學

量子電子學

量子電子學是研究利用物質內部量子系統的受激發射來放大或產生相幹電磁波的方法,及其相應器件的性質和套用的學科。

研究利用物質內部量子系統的受激發射來放大或產生相幹電磁波的方法,及其相應器件的性質和套用的學科。在這種放大、振蕩機製中,量子躍遷過程起關鍵的作用,所以稱量子電子學。

  • 中文名稱
    量子電子學
  • 研究目的
    放大或產生相幹電磁波
  • 相關學科
    物理
  • 操    作
    物質內部量子系統的受激發射

歷史沿革

20世紀50年代發明了微波激射器,量子電子學科開始建立。60年代發明雷射器後,學科的內容急劇擴大。伴隨著雷射和雷射器的研究,形成了眾多的分支學科,如雷射物理、雷射技術、非線性光學、雷射光譜學、導波光學、集成光學和全息光學等。這些分支學科也往往被包括在量子電子學之內。

基本原理

量子放大與振蕩的基本原理 量子電子學的核心器件是微波激射器和雷射器。它們的工作原理都與受激發射有關。早在1917年,A.愛因斯坦就指出,在微觀量子系統與輻射電磁場的相互作用中,存在著三種量子躍遷過程(圖1)。

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自發發射

若某種微觀量子系統(如原子、分子和離子等粒子)有兩個分立的能級,其能量分別為E2和E1,且E2>E1。在沒有外加輻射場作用時,處于高能級的粒子有可能自發地躍遷到低能級,同時發射出能量為hv的光子,且hv=E2-E1。式中h為普朗克常數;v為頻率。這叫自發發射。大量粒子自發發射的光子形成頻率為 v的非相幹電磁波。傳統光源所發的光都是由自發發射產生的,因而是非相幹的。

受激發射

頻率滿足hv=E2-E1關系的外加輻射電磁場能與量子系統發生共振的相互作用。微觀粒子在共振電磁場的作用下,處在高能級的粒子以一定的幾率躍遷到低能級, 同時發射一個能量為hv的光子,這叫受激發射。由受激發射所產生的電磁波與入射電磁波同頻率、同方向、同相位、同偏振,因此它是相幹電磁波。入射電磁波可以通過受激發射得到相幹放大。

受激吸收

微觀粒子在外加共振電磁場的作用下,處在低能級的粒子以一定的幾率躍遷到高能級,同時吸收一個能量為hv的光子,這叫受激吸收。

受激發射和受激吸收是一對相反的過程,它們同時發生。單位體積和單位時間內的躍遷次數分別正比于能級的N2/g2和N1/g1值,比例系數相同。N2、N1分別為上、下能級的布居數密度(即粒子按能級分布的密度);g2、g1分別為上、下能級的統計權重。在通常情況下,N2/g2<N1/g1,受激吸收過程佔優勢。因此,雖然愛因斯坦早就提出受激發射的概念,但在很長時期內人們卻觀察不到這一現象。

要觀察到受激發射現象,必須使這一過程佔優勢。這就需要N2/g2>N1/g1。這是量子系統的一種特殊的狀態,叫作粒子數反轉狀態。在g1=g2的簡單情況下,這意味著N2>N1,即高能級的布居數密度大于低能級的布居數密度。外加共振電磁場通過處于粒子數反轉狀態的介質時,就能通過受激發射而得到相幹放大。這就是量子放大作用。

如果進而把放大後的電磁波的一部分以正反饋方式送回輸入端,則在一定的條件下,此系統將發生自激振蕩而產生相幹的電磁波。這就是量子振蕩過程。在微波和光波波段,一般使用諧振腔以加強電磁場並實現正反饋,從而獲得量子振蕩。

使量子系統粒子數反轉的過程叫作激勵或抽運(泵浦)。激勵方法根據具體情況有很大的差別。

實現方法

在微波波段實現量子放大或振蕩的器件稱為微波激射器;在光波波段則稱為雷射器。

微波激射器

在第二次世界大戰後,微波技術被迅速用于基礎科學研究,微波波譜學因之興起。通過對分子波譜的研究和微波技術的套用,美國的C.H.湯斯于1954年研製成第一個量子電子學器件──氨分子微波激射器。蘇聯的Н.Г.巴索夫和А.М.普羅霍洛夫差不多同時開展對微波激射器的研究,並作出重要貢獻。氨分子微波激射器的發明,標志著量子電子學這一新學科的誕生。

圖2為氨分子激射器的示意圖。使氨分子形成一束,通過四極焦聚器後進入諧振腔。焦聚器由四根圓柱形電極組成,其軸線與束平行。相鄰電極上的電位正負相間。氨分子的最低振動能級由一對反演能級組成,兩者的電矩不同。當分子通過焦聚器時,受到四極靜電場的作用。處于低反演能級的分子被電場所偏轉而逸出焦聚器;處于高反演能級的分子則受到軸向的力,能通過焦聚器而進入諧振腔。因此,進入諧振腔的氨分子處于粒子數反轉狀態。在此腔中,分子在反演能級間產生受激發射、發出頻率約為 23870兆赫(波長為1.25釐米)的電磁波。

氨分子激射器可工作在放大狀態或振蕩狀態。氨分子振蕩器發出的電磁波的頻率純而穩定,相幹性很高。當時用它作為頻率標準,獲得了前所未有的精度。其後,陸續發明了順磁微波激射器、氫原子激射器等器件。其中有些器件的工作頻率可在一定範圍內調諧。

微波激射器在技術上的主要用途是:①作為極低噪聲的微波前置放大器;②作為頻率標準(見量子頻率標準)。

雷射和雷射器

微波激射器的成功給人們以啓示。科學家們研究能否套用同樣的基本原理,把頻率推向光頻,製成雷射器。由于光的頻率比微波頻率高好幾個量級,就有許多新的問題需要探索。難題之一是當時還沒有適用于光頻的諧振腔。

美國C.H.湯斯和A.L.肖洛,以及蘇聯А.М.普羅霍洛夫分別提出半開放式光頻腔的建議,對雷射器的開創工作作出了重要貢獻。1960年,美國的T.H.梅曼製成第一台雷射器。他所使用的工作物質是紅寶石,它的化學成分為Al2O3:Cr,在氧化鋁的晶格中有少量鋁離子被鉻離子Cr3+所置換。Cr3+的能級如圖3a所示,G為基態能級,E1和E2為兩個強吸收帶,M為亞穩能級。在受強光照射時,粒子能從基態吸收光子躍遷到E1或E2能級,然後迅速通過無輻射躍遷轉移到亞穩能級M上去。當光足夠強時,能得到M能級與G 能級之間的粒子數反轉,從而實現受激發射。梅曼的設計是:把紅寶石做成圓柱形,兩端磨得很平,並且互相平行。在這兩端面上鍍以高反射膜,一端膜是半透明的,或者在中央開一個透光的小孔。這一對反射鏡面構成一個光頻的半開放式諧振腔(法白利-珀羅腔)。紅寶石被固定在一個螺旋形閃光燈管的中央。在閃光燈每一次閃光之後,從半透膜或小孔中射出深紅色的雷射束。這種雷射的波長為6943埃。圖3b為這種裝置的示意圖。

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雷射具有一些極其顯著的特點。它的相幹性極好,單色性很高。一束連續的雷射可用一列理想的、無限長的單頻正弦波來表示,與傳統電子學中對電磁波的表述相同。在這一點上,光學與電子學的聯系就更加緊密。雷射的方向性很強,亮度極高,能量在空間高度集中。與傳統光源相比,雷射的亮度很容易做到高出若幹量級。這一特點也使雷射具有突出的用途。

雷射器的種類迅速增多。工作物質有各種晶體、玻璃半導體、氣體和液體等。從波段來說,除繼續在可見光、紫外線、紅外線區域開展研究外,長波段正向遠紅外和亞毫米波段伸展,填補著紅外與微波之間的空隙;在短波段,已經在遠紫外區域獲得若幹成功,並有可能獲得 X射線雷射。雷射器的激勵方式和運轉方式也在不斷發展中(見雷射)。

學科套用

量子電子學的套用 量子電子學由于原理新穎、潛力大和發展迅速,在電子學領域受到極大的重視。傳統電子學中的一系列技術,如放大、 振蕩、 調製、解調、和頻與差頻、外差接收、信號處理等,都能推廣到光頻,這就極大地豐富了電子學和電子技術的內容。原有的無線電通信頻段已經非常擁擠,不能滿足現代的需要。雷射用作載波以傳遞信息,有極大的信息容量,為通信開闢了極其廣闊的天地。光纖通信已進入推廣階段。雷射用于信息存儲,具有密度高、容量大、速度快的特點。光碟已經投入實用。還有可能製成運轉速度極高的雷射電腦。雷射用于半導體、積體電路、電子元件的微細加工處理已對電子工業起了重要作用,它在超大規模積體電路的研製中也已取得顯著的進展。其他套用還有雷射測距、雷射跟蹤、雷射製導、雷射顯示等。與微波波段的原子頻標原理類似,利用原子(分子)譜線為基準來穩定雷射器頻率,已製成穩定度很高的光頻原子頻標。

雷射在物理、化學和生物等學科的基礎研究和套用研究中有著重大的作用。例如,雷射引發核聚變是一些國家正在致力研究的一項重大課題,並已取得許多進展。雷射分離鈾同位素已進入中間試驗階段。雷射在光學、光譜學、化學和生物學等研究中所起的作用,是傳統光源所無法達到的。雷射套用于工業、農業、軍事、醫學等方面,也已取得許多成績。

中國從1958年開始微波激射器的研究,器件已具有一定水準。雷射的研究始于60年代初,以後開展了從基礎到套用範圍廣泛的研究工作,已能生產多種類型的雷射器件。在電子學的套用方面,已有十多條光纖通信現場試驗和試用線,雷射測距儀和雷射經緯儀的使用已取得成果,光碟的研製已達到一定的水準。雷射在其他學科方面的基礎研究和套用研究已較普遍地展開,在國民經濟各部門已經開始廣泛套用。

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