Предисловие. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

Часть з посвящена рассмотрению квантовой и оптической электроники.

В результате изучения третьей части издания студент должен: знать.

• • базовые теоретические основы оптической электроники;
• • принципы работы лазеров;
• • физику интегральной оптики;
• • теорию оптоэлектроники и оптических методов обработки информации; уметь
• • описывать принципы работы квантовой и оптической электроники; владеть
• • способами построения схем квантовой и оптической электроники.

Краткая историческая справка

Квантовая электроника возникла в середине 50-х годов на стыке квантовой механики и теории излучения, радиофизики и радиоскопии физики твердого тела и физики низких температур, электроники СВЧ и оптики, полупроводниковой и вакуумной электроники.

Истоки квантовой электроники восходят к исследованиям А. Эйнштейна, теоретически предсказавшего в 1917 году существование явления индуцированного излучения. Явления спонтанного и индуцированного излучения он постулировал как вероятностный закон. Эйнштейн объединял эти два процесса общим термином «изменение состояний под действием облучения» и считал, что:

• ? индуцированное излучение пропорционально плотности излучения, воздействующего на молекулу;
• ? частота излучения молекулы в точности равна частоте воздействующего поля;
• ? в условиях термодинамического равновесия между энергетическим состоянием молекул и полем излучения процессы индуцированного поглощения и индуцированного излучения имеют одинаковую вероятность;
• ? индуцированные и вынуждающие излучение кванты света абсолютно тождественны (когерентны).

Все это свидетельствует о безошибочной интуиции Эйнштейна и слабости существующей тогда теории излучения.

Строгая квантово-механическая теория излучения была развита трудами Пауля Дирака лишь в 1927—1930 гг. Впервые было доказано, что в элементарном акте излучения индуцированное и вынуждающее излучения обладают одной и той же частотой, одним и тем же состоянием поляризации и распространяются в одном и том же направлении. Другими словами, имеет место абсолютная когерентность вынуждающих и индуцированных квантов света.

Дальнейшие усилия исследователей были направлены на поиск в природе явлений индуцированного излучения. Для этого необходимо было получить среду с инверсной населенностью уровней или, как ее называют, среду с отрицательной температурой. Такая активная среда позволила бы создать условия преобладания индуцированного излучения над поглощением. При этом квантовые системы (атомы, молекулы, ионы) находились бы в термодинамически неравновесном состоянии, характеризующимся тем, что число частиц, находящихся на более высоком энергетическом уровне, превосходит число частиц, находящихся на более низком уровне.

Мысль о существовании сред с нарушением термодинамического равновесия или с отрицательной температурой долгое время была спорной. Одним из серьезных экспериментальных вкладов в исследования, связанные с обнаружением индуцированного излучения, следует считать работы советского физика Валентина Александровича Фабриканта. Изучая оптические свойства газового разряда, он впервые предложил использовать молекулярные примеси для избирательного разрушения нижних энергетических уровней путем соударений второго рода. Эта работа лишь в 1965 году была признана открытием и была удостоена золотой медали им. С. И. Вавилова.

Практически одновременно, в 1950 году, парижская группа физиков во главе с Альфредом Кастлером разработала метод оптической накачки для целей исследования структуры атомов. Десятилетие спустя именно этот метод был использован для образования инверсной населенности активной среды лазеров. А в то время ни Кастлер, ни кто-либо другой не связывали его со способом обнаружения и формирования индуцированного излучения.

Индуцированное излучение впервые наблюдали американские физики Эдвард Миле Парсел и Роберт Вивиан Паунд, которые осуществили инверсию в кристалле фтористого лития путем быстрого изменения направления приложенного статистического магнитного поля.

Казалось бы, все эти работы должны были привести к созданию приборов квантовой электроники. Однако этого не произошло. Квантовая электроника не родилась в оптике, где все источники света по своей природе являются квантовыми. До появления квантовой электроники все оптические источники излучали некогерентные и немонохроматические колебания. Отсутствовали в оптике и когерентные усилители, монохроматические генераторы.

В то же время в радиофизике существовали методы и концепции, позволяющие генерировать монохроматические колебания, усиливать их. В пятидесятые годы возникла радиоспектроскопия — отрасль науки, изучающая спектры молекул, атомов, ионов, попадающих в диапазон сверхвысоких частот. Бурное развитие радиоспектроскопии было связано с интенсивным развитием техники сантиметровых волн. В радиодиапазоне возбужденных атомов гораздо больше, спонтанное излучение слабее, чем в оптике, а индуцированное излучение непосредственно определяет величину эффектов, наблюдаемых в радиоспсктроскопических экспериментах.

Существующие методы генерирования и усиления монохроматических колебаний в радиодиапазоне не позволили существенно продвинуться в миллиметровый и инфракрасный диапазоны частот. Причиной тому были слишком малые размеры резонаторов генерирующих систем, конструирование которых было весьма затруднительно. Качественный скачок от старой оптической и инфракрасной спектроскопии к радиоспектроскопии привел к постановке задачи по созданию генераторов когерентного излучения в оптическом диапазоне, связанной с новым физическим явлением — вынужденным излучением.

В начале 50-х годов прошлого века в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР проводились работы по усовершенствованию радиоспектрометра. Занимаясь исследованиями в области микроволновой радиоспектроскопии, советские ученые Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов стремились расширить возможности использования индуцированного излучения молекул для генерации и усиления в микроволновом диапазоне, сделать этот метод пригодным для наблюдения тонкой и сверхтонкой структуры спектров молекул. Для этого нужно было повысить разрешающую способность и чувствительность спектрометров. Однако для повышения разрешающей способности необходимо было уменьшить ширину линии поглощения молекулы, которой свойственно уширснис за счет эффекта Доплера. А. М. Прохоров предложил вместо однородного газа применять молекулярные пучки, движущиеся перпендикулярно к направлению распространения электромагнитных волн. Но оказалось, что возможности пучковых радиоспектрометров сильно ограниченны из-за малых интенсивностей наблюдае. мых линий. Причиной тому служила незначительная разница населенностей уровней, обусловливающих квантовый переход в микроволновом диапазоне. Тогда и возникли революционные идеи: во-первых, искусственно изменить населенности уровней и, вовторых, использовать эффект индуцированного излучения молекул (высокого, энергетического уровня) вместо эффекта поглощения. Эти идеи были впервые высказаны А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым (рис. I).

Рис. 1. Академики, лауреаты Нобелевской премии Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров в лаборатории ФИАН НА СССР (1966 г.).

В течение 1952—1955 годов в ФИАН СССР был успешно осуществлен запуск первого квантового прибора — молекулярного генератора на пучке молекул аммиака. В дальнейшем на основе молекулярного генератора промышленностью были разработаны и выпускались стандарты частоты широкого применения. Созданные генераторы на пучке атомарного водорода, парах изотопа рубидия-87 с оптической накачкой нашли применение в космической технике, авиации, навигации, доплеровской локации, метрологии, службе времени и т. п.

В дальнейшем был проведен цикл исследований по разработке атомно-лучевых трубок для стандартов частоты, обеспечивающих стабильность частоты генерируемых колебаний не хуже 10 «.

Практически одновременно предложение об использовании индивидуального излучения для генерирования миллиметровых волн было высказано американским физиком Чарльзом Хардом Таунсом с сотрудниками, работающими в области газовой радиоспектроскопии.

В 1955 году был предложен новый термин для обозначения молекулярного генератора — мазер (сокращенное от Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, усилитель микроволнового излучения за счет индуцированного излучения). В дальнейшем мазерами стали называть и другие устройства, работающие на принципах индуцированного излучения (рис. 2).

Н. Г. Басов и А. М. Прохоров для получения активного состояния вещества предложили метод накачки, сущность которого состоит в использовании эффекта насыщения одного из переходов под действием вспомогательного излучения в многоуровневой квантовой системе. Метод накачки в системе с тремя уровнями оказался очень плодотворным и получил дальнейшее развитие при создании квантовых приборов других типов — парамагнитных усилителей.

Рис. 2. Академик А. М. Прохоров демонстрирует первый мазер (ФИАН. 1999 г.).

Этот метод был применен американским физиком Николасом Бломбергеном в предложенном им трехуровневом парамагнитном усилителе непрерывного действия. Разработка квантовых парамагнитных усилителей стала реальной после предложения А. М. Прохорова в 1957 году использовать в них монокристалл рубина. В парамагнитных усилителях на рубине впервые был получен неведомый для классической электроники уровень собственных шумов. Областями применения квантовых парамагнитных усилителей явились радиоастрономия, радиолокация космических объектов, связь и телевидение через искусственные спутники Земли.

Таким образом, к шестидесятым годам в радиодиапазоне физики обладали всеми элементами квантовых генераторов: активной и трехуровневой средой, объемным резонатором, методами получения инверсной населенности.

Первые успехи в создании мазеров поставили на повестку дня вопрос о движении в сторону более коротких длин волн. И проблема перехода от радиоволн к инфракрасному, а затем и видимому диапазону решалась уже не радиометодами, а методами только что родившейся квантовой электроники.

Важно отметить, что при продвижении по шкале электромагнитных волн в сторону коротких волн существенную трудность представляет вопрос о резонаторах. В радиодиапазоне резонаторами служили колебательные контуры, размеры которых были намного меньше длины волны, а в СВЧ-диапазоне размеры резонатора были уже сравнимы с длиной волны. В оптическом диапазоне такие резонаторы вообще невозможно было изготовить. Поэтому был выбран путь создания резонаторов, размеры которых были намного больше длины волны — так называемых открытых резонаторов. Это, прежде всего, известный в оптике интерферометр Фабри-Перо. Именно радиофизический подход позволил использовать эту конструкцию в качестве резонатора для лазеров. Впервые резонатор открытого типа был предложен А. М. Прохоровым в 1958 году.

Квантовая электроника как наука родилась именно в тот момент, когда возбужденная квантовая система была помешена в резонатор. И это сделал американский физик Теодор Гарольд Мейман (рис. 3, я). В августе I960 года ему удалось получить на рубине генерацию в оптическом диапазоне волн. Им был создан первый лазер, работающий на рубине (рис. 3, б). Он также обнаружил и проанализировал два характерных явления, свидетельствующих о возникновении генерации путем индуцированного излучения: сокращение времени жизни возбужденного уровня в трехуровневой системе и резкое сужение линии излучения. Именно Т. Г. Мейман предложил термин лазер (Light Amplification Stimulated Emission of Radiation, усилитель светового излучения за счет индуцированного излучения).

Рис. 3. Изобретатель рубинового лазера Т. Г. Мейман (а) и первый рубиновый лазер (б).

Дальнейшие исследования выявили все основные особенности излучения лазера, а именно: возрастание интенсивности линии, пичковую структуру импульса, временную и пространственную когерентности, поляризацию, высокую спектральную яркость и направленность излучения.

Основным достоинством твердотельных лазеров явилась возможность получения с помощью больших значений и мощности в импульсе. Этот факт послужил толчком к созданию установок для обработки различных материалов. Уже в 1963 году были начаты работы по созданию лазерной технологической установки и с ее помощью проводились поиски и исследования в области технологии размерной обработки, закалки, сварки различных материалов. Одновременно проводились поисковые работы по использованию твердотельных лазеров в масс-спектрометрии, системах оптической локации, сверхбыстрой передачи информации, медицине.

На основе успехов в области твердотельных лазеров быстро развилась новая отрасль оптики — нелинейная оптика.

Исследования возможности получения инверсной населенности в газах параллельно проводились в ФИАНе и в лабораториях ряда американских фирм. Николай Геннадьевич Ьасов и Олег Николаевич Крохин провели теоретический анализ возможности создания состояния отрицательной температуры в газовом разряде путем столкновений второго рода в смеси газов. В конце 60-х годов американские физики Али Джаван и Уилард Харрисон Беннет сообщили о получении непрерывной генерации на сконструированном ими гслий-нсоновом лазере на пяти длинах волн в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.

Отличие работы газового лазера от рубинового заключается, прежде всего, в методе создания инверсной населенности и накачке активного вещества. Отмечались высокая стабильность излучения первого газового лазера, временная и пространственная когерентности. Уже год спустя была получена генерация на десяти различных газовых смесях примерно на сорока различных оптических переходах, перекрывающих видимую оптическую и инфракрасную части спектра. Широко были поставлены исследования по изысканию оптимальных конструкций газоразрядных трубок, оптических резонаторов, простых и надежных источников накачки.

Первые отечественные промышленные газовые лазеры были созданы в 1963 году и сразу нашли широкое применение в научных исследованиях и отдельных областях народного хозяйства. На базе первого газового лазера ОКГ-11 был создан лазерный визир ЛВ-1 для управления горнопроходческим щитом под землей. В строительстве Останкинской телебашни применили лазерную осевую вертикаль, газовые лазеры использовались в первой экспериментальной оптической системе передачи телевизионных сигналов, а также в линии телефонной связи.

Помимо лазеров непрерывного действия был создан ряд импульсных лазеров, мощных газовых одночастотных и высокостабильных лазеров. Возник новый класс квантовых приборов — квантовые оптические гироскопы, обладающие высокой чувствительностью, быстродействием и устойчивостью к механическим нагрузкам.

При всех своих достоинствах твердотельные и газовые лазеры имеют один существенный недостаток — коэффициент их полезного действия (КПД) не превышает нескольких процентов. И в этом плане весьма перспективным представлялись полупроводниковые лазеры, КПД которых теоретически мог быть близок к ста процентам.

Первое теоретическое обоснование возможности создания полупроводникового лазера было сделано в 1958 году советскими физиками Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Однако новый класс лазеров был создан лишь в 1962 году. В первых работах в качестве рабочего вещества был применен арсенид галлия, а инверсная населенность была достигнута путем инжекции электронов и дырок через р—п-переход.

С 1963 года началось создание лазеров на р—n-переходе на ряде полупроводниковых материалов, что значительно расширило спектральный диапазон излучения такого типа лазеров. Возможность прямой модуляции излучения путем изменения величины тока накачки, большое число методов накачки, высокий КПД— все это позволило широко использовать полупроводниковые лазеры. Потенциальные области применения полупроводниковых лазеров лежат, прежде всего, в создании устройств дальнометрии и высотометрии, для автоматической посадки транспортных средств, устройств стыковки космических объектов, в оптических линиях связи, в том числе и волоконных линиях связи, вычислительной техники. Полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в оптоэлектронных устройствах.

Исследования в области создания лазеров на новых принципах накачки, новых активных веществах развертывались широким фронтом. Появились сообщения о создании химического лазера, энергия излучения которого была получена за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции непосредственно в газовом реакторе.

В Советском Союзе в 1962 году Постановлением Совета Министров был создан Государственный союзный НИИ № 333, основной задачей которого было лазерное приборостроение для нужд народного хозяйства и обороны. Институт возглавил Митрофан Федорович Стельмах— видный специалист в области СВЧ-электроники. Учеными и инженерами НИИ «Полюс» (НИИ № 333) были выпущены десятки тысяч лазеров различных типов, разработаны лазерные технологии, опубликовано тысячи научных работ по квантовой электронике (рис. 4).

Рис. 4. Президент Академии наук СССР академик А. П. Александров, директор НИИ «Полюс» М. Ф. Стельмах, академик А. М. Прохоров у стенда (1977 г.).

В течение последующих десятилетий появилась широкая гамма лазеров на нейтральных атомах и ионизированных газах, молекулярные лазеры, импульсные С0₂-лазеры высокого давления, газодинамические лазеры на парах металлов и др.

Внимание исследователей было обращено на жидкие активные среды, которые в определенной мере сочетают преимущества твердотельных и газоразрядных, в которых может быть достигнута высокая концентрация активных центров. Это позволило надеяться на получение большой выходной энергии и мощности излучения с единицы объема рабочего вещества. Было предложено два класса жидких материалов — мсталлоорганические, или хелатные, и неорганические жидкости, определившие конструкции и характеристики жидкостных лазеров. В 1963 году было опубликовано первое сообщение о работе жидкостного лазера. Жидкостные лазеры породили появление лазеров на красителях.

Появились мощные газодинамические лазеры, лазеры на парах металлов и, наконец, лазеры на свободных электронах. Существующие лазеры работают в диапазоне длин волн от вакуумного ультрафиолета до субмиллиметрового диапазона. Трудно назвать отрасль науки и техники, где бы не применялись лазеры и мазеры.

К числу наиболее важных достижений квантовой электроники является рождение в ее недрах оптоэлектроники.

Оптическая электроника или оптоэлектроника является направлением в электронике, в котором исследуются вопросы генерации, обработки и хранения информации на основе преобразований электрических сигналов в оптические (и наоборот), а также разработка приборов и устройств на основе этих исследований.

В основе оптоэлектроники лежат достижения квантовой электроники, такие как создание различных типов полупроводниковых лазеров и некогерентных светодиодов, генерирующих излучение в разных диапазонах оптического спектра. Одновременно в оптоэлектронике получило развитие направление, связанное с созданием фотоприемников излучения. Благодаря достижениям квантовой и оптической электроники появились волоконнооптические системы связи, сотовая телефония, приборы и устройства интегральной оптики. На повестке дня современной оптоэлектроники стоит задача создания экономичных полупроводниковых источников света, способных заменить лампочки накаливания. Данный перечень можно продолжить и указать заметные результаты, полученные благодаря использованию лазеров и оптоэлектронных приборов в научных исследованиях, технологиях, системах связи и телекоммуникации, производстве, учебном процессе…