КВАНТТЫҚ ЭЛЕКТРОНИКА – физиканың еріксіз сәуле шығару құбылысын пайдалану негізінде электрмагниттік тербелістерді күшейту және тудыру әдістерін зерттейтін, сонымен бірге кванттық күшейткіштер мен генераторлардың қасиеттерін және олардың қолданылуын қарастыратын саласы. Оптикалық кванттық генераторлар (лазерлер) өзге жарық көздеріне қарағанда монохроматтылығы жоғары және дәл бағытталған жарық толқындарын таратады (шығарады). Радиотолқындардың кванттық генераторлары (мазерлер) жиілігі тұрақты тербелістер тудырады.
Электрмагниттік толқындарды белгілі бір артық ішкі энергиясы (қоздырылған) болатын атомдар, молекулалар және басқа кванттық жүйелер таратады. Атомның едәуір жоғары энергиялы ࣟ2 деңгейінен едәуір төменгі энергиялы ࣟ1 деңгейге ауысуы, жиілігі ω сәуле квантын шығарумен қабаттас өтеді, осы жиілік: ω = (ࣟ 2 – ࣟ1)/ℏ, мұндағы ℏ – Планк тұрақтысы.
|
1-сызба. а – фотонның өз еркімен шығуы; б – еріксіз шығарылу; в – резонанстық жұтылу; ࣟ1 және ࣟ2 – атомның энергия деңгейлері |
физик Альберт Эйнштейн (1879– 1955) алдын ала болжаған. Еріксіз |
Атомның төменгі энергиялы ࣟ1 деңгейден жоғарғы энергиялы ࣟ2 деңгейге ауысуы әлгіндей жиілікті квантты жұту кезінде жүзеге асады. Қоздырылған бөлшектер өздерінің энергиясын екі түрлі тәсілмен – өз еркімен (өздік сәуле шығару) және сыртқы сәуленің ықпалымен (еріксіз) электрмагниттік кванттар түрінде шығара (тарата) алады (1-сызбаға қараңыз). Еріксіз сәуле шығару ықтималдығын 1917 жылы атақты
сәуле шығару ықтималдығы еріксіз
сәуле шығарудың қарқындылығына пропорционал және өздік сәуле шығару үрдісінің (процесінің) ықтималдығынан артық бола алады. Еріксіз сәуле шығару квантының бірінші реттік кванттан ешқандай айырмашылығы болмайды. Олардың жиіліктері, фазалары, полярлануы және таралу бағыттары бірдей [1927 жылы
А.Эйнштейн және ағылшын физигі Поль Дирак (1902–1984) болжаған] болады. Кванттық электрониканың негізіне алынатын осы жайттың маңызы зор. Оның себебі бастапқы электрмагниттік толқынның дәл, тек күшейтілген көшірмесі қалыптасатын болды. Еріксіз сәуле шығару актісінің саны артқан сайын толқынның сәуле шығару қарқындылығы да арта түседі, ал жиілігі, фазасы, полярлануы және таралу бағыты өзгеріссіз қалады. Электрмагниттік сәулелер когерентті түрде күшейеді. Кванттық электрониканың дәстүрлі электроникадан өзгешелігі электрмагниттік өрістер зарядталған бөлшектер ағынындағы күшейтілу үрдісінде түрлендірілместен тікелей күшейтіледі.
Бір бөлшектер үшін ࣟ2 деңгейден ࣟ1 деңгейге ауысу (сызбада, б – фотон шығады) және төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге еріксіз ауысқанда (сызбада, а – фотон жұтылады) бірдей ықтимал болады. Сондықтан толқынның когерентті күшеюі тек қоздырылған бөлшектердің саны қоздырылмаған бөлшектердің санынан артық болғанда ғана мүмкін болмақ. Термодинамикалық тепе-теңдік шарттар жағдайында Больцман үлестірілуі бойынша энергияның жоғарғы деңгейі төменгі деңгейден аз толымдылықты болады. Заттардың ең болмағанда бөлшектер энергиясының екі деңгейі үшін жоғарғы деңгей
2-сызба. Үш деңгейлер әдісі төменгі деңгейден артық (күшті) толымдылық күйі – инверсиялық толымдылық күйі, ал заттың өзі активті орта деп аталған. Кванттық электроникада электрмагниттік толқындарды күшейту үшін әртүрлі активті орта пайдаланылады.
Оң кері байланысты тудыруды қоздыру активті орта орналастырылған көлемдік резонатор жүзеге асырады. Кванттық электрониканың алғашқы ас- пабы – молекулалық генератор 1955 жылы бір мезгілде Кеңес Одағында (Ни- колай Басов, Александр Прохоров) және АҚШ-та (Джон Гордон, Х.Цайгер, Чарльз Таунс) жасалған, оның активті ортасы аммиак молекуласының (NH3) шоғы болған. Кванттық генератор аса дәл сағат және дәл навигациялық жүйе жасауға жол ашты.
Толымдылық инверсиясын тудыруда барлық жағдайда қоздырылған бөлшек- терді іріктеп алу (мысалы, қатты денелерде) әрқашан мүмкін болмайды. Сон- дықтан 1955 ж. Н.Г.Басов пен А.М.Прохоров толымдылық инверсиясының жаңа әдісі – үш деңгей әдісін ұсынды. Бұл әдісте қоздырылған бөлшектер ірік- теліп алынбай, бөлшектер еріксіз түрде қоздырылады. Энергетикалық спек- трінде үш деңгейлі энергия (ࣟ1, ࣟ2, ࣟ2) болатын бөлшектерге қуатты сәулемен ықпал (толтырумен) етіледі. Осы сәуле жұтыла отырып бөлшектерді төменгі энергиялы ࣟ1 деңгейден жоғарғы энергиялы ࣟ3 деңгейге қаныққанға дейін
«айдайтын» болады, сонда олардың толымдылығы теңгеріледі. Сол себепті энергиялық деңгейлер жұптарында ࣟ1, ࣟ2 немесе ࣟ2, ࣟ3 толымдылық инверсия жүзеге асады. Үш деңгей әдісі АҚШ-та асажоғары жиілікті кванттық кү- шейткіштер жасау үшін қолданылды.
1960 жылы американ физигі Теодор Мейман (1927 – 2007) алғашқы лазерді жасады. Оның активті ортасы ретінде рубиннің монокристалы, ал толым- дылық инверсиясын тудыру үшін үш деңгей әдісі қолданылды. Резонатордың шағылыстырушы айналары ретінде мұқият өңделген әрі күміс жалатылған кристалл қабырғалар пайдаланылған. Толтыру көзі ретінде жарқырауық шам пайдаланылған. Рубин мен неодимнің қоспасынан жасалған әйнекті лазерлер өте жоғары энергиямен қуат таратады. 1961 жылы газды лазер жасалған (амери- кан физиктері Али Джаван (1926 – 1992), Уиллард Беннетт (1903 – 1987), Д.Гарриот; 1961 жылы Н.Басов). 1962 жылы Жартылайөткізгішті инжекция- лық лазер (американ физиктері: Р.Хол, У.Думке) жүзеге асырылған.
Кванттық электрониканың аспаптары радиофизика мен оптикада өте жоғары мүмкіндіктер ашты. Кванттық электроника радиофизикада генераторлардың күшейту сезгіштігін және жиілігінің тұрақтылығын кенеттен арттырған болса, оптикада жарық энергиясын уақыт бойынша кеңістікте жіңішке спектрлік ара- лықта шоғырландыра алатын жарық көздерін жасауға мүмкіндік берді. Осылар- дың нәтижесінде ғылым мен техниканың жаңа салалары – лазерлік химияны, сызықтық емес оптиканы, голографияны және лазерлік технологияларды, т.б.
туғызды.