Квантовая электроника

Квантовая электроника — это раздел физики и техники, изучающий методы генерации, усиления и преобразования электромагнитного излучения (в диапазоне от радиоволн до рентгеновского) на основе вынужденного излучения, а также взаимодействие квантовых систем (атомов, молекул, ионов, твёрдых тел) с электромагнитным полем. Квантовая электроника является теоретической и технологической основой для создания лазеров, мазеров, квантовых усилителей и других устройств, использующих квантовые эффекты.

История

Предпосылки и теоретические основы

Основы квантовой электроники были заложены в первой половине XX века. В 1917 году Альберт Эйнштейн ввёл понятие вынужденного (индуцированного) излучения, показав, что атом может испустить фотон не только спонтанно, но и под действием внешнего электромагнитного поля. В 1928 году Рудольф Ладенбург экспериментально подтвердил существование вынужденного излучения в газах. Однако для практической реализации генерации требовалось создать среду с инверсией населённостей — состоянием, при котором число возбуждённых частиц превышает число невозбуждённых.

Создание мазера

Первым работающим устройством квантовой электроники стал мазер (аббревиатура от Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). В 1954 году американские физики Чарльз Таунс, Джеймс Гордон и Герберт Цайгер продемонстрировали мазер на аммиаке, генерировавший излучение на частоте около 24 ГГц. Независимо от них, в 1955 году в СССР Николай Басов и Александр Прохоров предложили и реализовали аналогичный принцип, за что в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии по физике.

Создание лазера

В 1960 году американский физик Теодор Майман создал первый лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) на рубине, излучавший импульсы красного света с длиной волны 694,3 нм. В том же году Али Джаван, Уильям Беннет и Дональд Херриот продемонстрировали первый газовый лазер на смеси гелия и неона. В 1962 году появились первые полупроводниковые лазеры на арсениде галлия. В СССР первые лазеры были созданы в 1961 году в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) под руководством Басова и Прохорова.

Развитие в СССР и России

Советская школа квантовой электроники внесла значительный вклад в теорию и практику. В 1960-х годах были разработаны лазеры на красителях, лазеры с перестраиваемой частотой, а также мощные газовые лазеры (CO₂-лазеры). В 1970-х годах в СССР началось промышленное производство лазеров для сварки, резки и медицинских операций. В 2000-х годах российские учёные активно работали над созданием волоконных лазеров, лазеров на квантовых точках и фемтосекундных лазеров.

Физические принципы

Вынужденное излучение

Основой квантовой электроники является вынужденное излучение. При прохождении фотона через среду, содержащую возбуждённые атомы, он может вызвать переход атома на более низкий энергетический уровень с испусканием второго фотона, идентичного первому по частоте, фазе, поляризации и направлению. Это приводит к когерентному усилению излучения.

Инверсия населённостей

Для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, необходимо создать инверсию населённостей — состояние, при котором число частиц на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем. Это достигается с помощью накачки — подвода энергии извне (оптической, электрической, химической или иной).

Резонатор

Для генерации когерентного излучения активная среда помещается в оптический резонатор — систему зеркал, обеспечивающую многократное прохождение излучения через среду. Резонатор выделяет определённые моды колебаний, формируя узкий спектр и направленный пучок.

Классификация устройств

По типу активной среды

• Твёрдотельные лазеры — активная среда в кристаллической или стеклянной матрице (рубин, неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат с неодимом — Nd:YAG). Широко применяются в промышленности и медицине.
• Газовые лазеры — активная среда — газ или смесь газов (гелий-неоновый, CO₂, аргоновый, эксимерный). Используются для резки, сварки, научных исследований.
• Полупроводниковые лазеры — активная среда — полупроводниковый кристалл с p-n-переходом или квантовой ямой. Компактны, дешёвы, широко применяются в оптической связи, считывателях, лазерных указках.
• Лазеры на красителях — активная среда — раствор органических красителей. Позволяют перестраивать длину волны в широком диапазоне.
• Волоконные лазеры — активная среда — оптическое волокно, легированное ионами редкоземельных элементов (эрбий, иттербий). Отличаются высокой эффективностью и надёжностью.
• Химические лазеры — энергия накачки получается за счёт химической реакции (например, HF-лазер, DF-лазер). Используются в военных и исследовательских целях.

По режиму работы

• Непрерывные лазеры — излучают постоянный поток фотонов (например, He-Ne-лазер).
• Импульсные лазеры — излучают короткие импульсы (от наносекунд до фемтосекунд). Примеры: рубиновый лазер, фемтосекундные титан-сапфировые лазеры.
• Лазеры с модуляцией добротности — генерируют мощные короткие импульсы за счёт быстрого изменения потерь в резонаторе.

По длине волны

• Мазеры — микроволновое и радиочастотное излучение (от 1 мм до 1 м).
• Инфракрасные лазеры — длина волны от 0,7 до 1000 мкм (CO₂-лазер, Nd:YAG).
• Видимые лазеры — от 400 до 700 нм (He-Ne, аргоновый, полупроводниковые синие).
• Ультрафиолетовые лазеры — от 10 до 400 нм (эксимерные, азотные).
• Рентгеновские лазеры — длина волны менее 10 нм (экспериментальные установки, в том числе на свободных электронах).

Применение

Промышленность

• Лазерная резка, сварка, маркировка и гравировка металлов, пластиков, керамики.
• Лазерное упрочнение и наплавка поверхностей.
• Контроль качества и измерения (лазерные дальномеры, сканеры, интерферометры).

Медицина

• Хирургия (лазерный скальпель, коагуляция, удаление опухолей).
• Офтальмология (коррекция зрения методом LASIK, лечение катаракты, глаукомы).
• Дерматология (удаление татуировок, родинок, сосудистых дефектов).
• Стоматология (лечение кариеса, отбеливание зубов).

Связь и информационные технологии

• Оптоволоконная связь — передача данных на большие расстояния с помощью полупроводниковых лазеров.
• Считывание и запись информации (CD/DVD/Blu-ray, лазерные принтеры, штрих-код сканеры).
• Лазерные дисплеи и проекторы.

Научные исследования

• Спектроскопия (лазерная флуоресцентная, рамановская, абсорбционная).
• Лазерное охлаждение и удержание атомов (магнито-оптические ловушки, конденсаты Бозе — Эйнштейна).
• Лазерный термоядерный синтез (инерциальное удержание плазмы).
• Фемтосекундная спектроскопия — изучение сверхбыстрых процессов в молекулах и твёрдых телах.

Военное дело

• Лазерные дальномеры и целеуказатели.
• Лазерное наведение боеприпасов.
• Системы лазерной защиты (ослепление датчиков, противодействие оптическим приборам).
• Разработка лазерного оружия (например, системы ПРО, лазеры для поражения беспилотников).

Бытовая техника

• Лазерные указки, принтеры, сканеры, считыватели штрих-кодов.
• Лазерные уровни и нивелиры в строительстве.

Интересные факты

• Первый мазер на аммиаке был настолько слаб, что его излучение можно было зарегистрировать только с помощью чувствительного радиоприёмника.
• Самый мощный непрерывный лазер (на 2024 год) — волоконный лазер мощностью более 100 кВт, используемый для промышленной резки.
• Фемтосекундные лазеры способны генерировать импульсы длительностью порядка 10⁻¹⁵ секунды, что позволяет «заморозить» движение молекул.
• В 2023 году российские учёные из Института ядерной физики СО РАН создали лазер на свободных электронах, работающий в терагерцовом диапазоне, для исследований в области физики твёрдого тела и биологии.
• Квантовая электроника лежит в основе квантовых компьютеров и квантовой криптографии, где используются одиночные фотоны и кубиты.

Источники

• Физическая энциклопедия, том 2, статья «Квантовая электроника».
• А. Ярив, «Квантовая электроника», 1989.
• У. Демтрёдер, «Лазерная спектроскопия», 1985.
• Материалы Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.
• Отчёты Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США).