Физические основы работы квантовых приборов оптического диапазона

Физические основы работы квантовых приборов оптического диапазона В отличие от электронных приборов, в которых для усиления или генерации электромагнитного поля используется энергия свободных носителей зарядов, в квантовых приборах используется, как правило, внутренняя энергия микрочастиц (энергия атомов, ионов, молекул). При этом сами микрочастицы могут находиться в движении. Исключением является полупроводниковый лазер, в котором используются потоки свободных носителей заряда, однако излучение света связано с квантовыми эффектами (излучательная рекомбинация).Электроны, входящие в состав микрочастиц, называются связанными.

Квантовые переходы В твердых телах взаимодействие частиц становится настолько сильным, что образуются зоны с очень близко расположенными уровнями, между этими зонами имеются зоны запрещенных значений энергии (запрещенные зоны). Уровень, соответствующий наименьшей допустимой энергии микрочастицы, называется основным, а остальные – возбужденными.

Возможность усиления электромагнитного поля в квантовых системах То обстоятельство, что вынужденное излучение возбужденных микрочастиц при переходах с верхнего энергетического уровня на нижний когерентно (совпадает по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения) с вынуждающим, наталкивает на мысль о возможности использования вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля. Чтобы оценить возможность такого усиления, рассмотрим обмен энергии между полем и веществом.

Электромагнитное поле и параметры сред. Современная физика признает 2 формы существования материи: вещество и поле. Нам известны многие разновидности полей: электромагнитные, силовые, внутриядерных и других взаимодействий. Во многом свойства их сходны. Вещество состоит из дискретных элементов (молекул, атомов ...). Движущееся электромагнитное поле тоже можно представить в виде потока дискретных частиц — фотонов. Электромагнитное поле характеризуется энергией, массой, импульсом. Масса и импульс характерны только движущемуся электромагнитному полю (электромагнитное поле не имеет массы покоя). Энергия электромагнитного поля может преобразовываться в другие виды энергии. Электромагнитное поле подвержено действию гравитационных сил. С другой стороны поток материальных частиц способен реализовать явление дифракции, интерференции, которые присущи электромагнитным волнам

Векторы магнитного поля. Сила взаимодействия электромагнитного поля на точечный электрический заряд зависит не только от величины и положения заряда, но также от скорости и направления его движения. Как известно, сила, действующая на положительный точечный электрический заряд движущийся в магнитном поле определяется силой Лоренца:  

Классификация сред. Свойства сред характеризуются электродинамическими параметрами, к которым относятся eа, mа, s (s — объемная удельная проводимость [См/м]). В зависимости от свойств электродинамические параметры среды делятся на: линейные и нелинейные. Среды, в которых электродинамические параметры не зависят от электрических и магнитных полей называются линейными. Среды, в которых наблюдается зависимость (eа, mа, s) = f (E,H) называются нелинейными. В природе все среды следует рассматривать как нелинейные. Тем не менее, большинство сред при малых полях со слабо выраженной зависимостью от величины поля для простоты полагают линейными. В свою очередь линейные среды делятся на: однородные, неоднородные, изотропные и анизотропные.

Основные уравнения электродинамики. В электродинамике часто пользуются понятием точечного заряда. Под ним будем понимать заряженные тела, размеры которых значительно меньше расстояния между телами. В тех случаях, когда заряженные тела нельзя считать точечными для описания распределения зарядов вводят понятие объемной плотности электрического заряда в точке

Закон сохранения заряда. Полученное уравнение непрерывности тесно связано с законом сохранения заряда и по существу является его дифференциальной. Закон сохранения заряда: Всякому изменению электрического заряда (q) внутри объема V, ограниченному поверхностью S, соответствует электрический ток, втекающий или вытекающий из этого объема

Первое уравнение Максвелла. В среде с постоянным током, который характеризуется вектором объемной плотности , выделим некоторый замкнутый контур V и поверхность S, которая опирается на этот контур. Введем положительную единичную нормаль к поверхности S.

Второе уравнение Максвелла. В результате обобщения многочисленных экспериментальных исследований Фарадей получил закон электромагнитной индукции: Переменное магнитное поле, пересекающее замкнутый  проводящий контур, наводит в этом контуре э.д.с., величина которой пропорциональна скорости изменения потока.

 Уточнение понятия о проводниках и диэлектриках. Среды могут существенно отличаться величиной объемной проводимости, поэтому при одной и той же напряженности электрического поля в них могут возбуждаться различные токи. Для удобства классификации сред на проводники и диэлектрики вводят понятия идеального проводника и идеального диэлектрика. Идеальные проводники – это среды, удельная проводимость которых бесконечна. Идеальные диэлектрики – среды, удельная проводимость которых равна нулю

  Граничные условия. Неприменимость уравнений Максвелла в дифференциальной форме на границе раздела диэлектрических сред. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме справедливы для описания сред электродинамические параметры, которых либо являются непрерывными функциями координат поля в линейных средах, электродинамические параметры (eа,mа,s) которых не зависят от координат, либо являются непрерывными функциями координат. На практике, чаще всего возникают задачи, в которых присутствуют электродинамические среды, отличающиеся электродинамическими параметрами. На границе раздела сред, где соответствующие параметры меняются скачком, операция дифференцирования, а стало быть, и уравнения Максвелла в дифференциальной форме, незаконна. В этом случае для описания электромагнитного поля при переходе границы раздела сред, используют уравнения Максвелла в интегральной форме.

Условия для касательных составляющих вектора E и D На границе раздела сред, отличающихся eа, выделим точку. Проведем через нее нормаль к поверхности S. Через эту нормаль проведем плоскость р.

На линии пересечения плоскостей выделим элементарный отрезок Dl, так, чтобы его можно было считать прямолинейным, и касательная, составляющая Е в I и II средах у границы раздела, была распределена равномерно. Отрезок Dl включает точку, в которой построили единичную нормаль. В этой точке проведем единичный вектор касательный к Dl и единичный вектор перпендикулярный к Dl. В плоскости р построим контур высотой Dh так, чтобы участки контура CD и АВ находились в разных средах. Положительное направление обхода контура ABCD связано с направлением единичной нормали правилом правого винта.

Условия для касательных составляющих В и Н. Поверхностный ток. Условия для касательных составляющих магнитных векторов выводятся также как и для электрических. Через нормаль проводим плоскость р. На линии пересечения выделяем элемент длины Dl, малый настолько, чтобы в пределах этого участка касательные составляющие  в 1 и 2 средах были распределены равномерно.

Введение. Важнейшие оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства, их роль в инфокоммуникационных технологиях и системах связи. Задачи курса.

2. Физические основы квантовой электроники. Постулаты квантовой механики. Способы описания квантово-механических систем. Матрица плотности.

3. Зонная теория твердого тела. Энергетические уровни атомов и молекул. Расщепление уровней. Эффекты Зеемана и Штарка. Энергетические зоны в кристаллах. Диэлектрические и магнитные свойства вещества. Явления в плазме.

4. Физические основы взаимодействия квантовых систем с электромагнитным полем. Поглощение и усиление электромагнитного излучения веществом. Энергетический спектр состояний. Однофотонные и многофотонные квантовые переходы. Коэффициенты Эйнштейна и их физический смысл. Населенность энергетических уровней. Схемы создания инверсии населенностей.

5. Элементы и узлы лазерных устройств. Оптические резонаторы, их основные характеристики и параметры, задачи анализа и синтеза. Устройства связи мод. Модуляторы и дефлекторы. Оптические интегральные схемы.

6. Квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона. Мазеры. Парамагнитные усилители бегущей волны. Пучковые генераторы на аммиаке и водороде.

7. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) на газовой среде. Газоразрядные лазеры. Гелий-неоновый и аргоновый лазеры. Газо- и плазмодинамические лазеры. Лазер на оксиде углерода. Химические и электроионизационные лазеры.

8. Оптические квантовые генераторы на твердом теле. Устройство и конструкция, основные характеристики и параметры. Промышленные твердотельные лазеры : на рубине, на стеклах и гранатах, активированные неодимом.

9. Полупроводниковые оптические квантовые генераторы. Инжекционные лазеры. Устройство и конструкция, основные характеристики и параметры. Лазерные диоды и гетероструктуры. Лазерные электронно- лучевые трубки с продольной накачкой. Лазеры с оптической накачкой.

10. Жидкостные оптические квантовые генераторы. Лазеры на растворах органических и неорганических соединений. Устройство и конструкция, основные характеристики и параметры. Лазеры на красителях.

11. Лазерные усилители бегущей волны. Резонаторные усилители. Условия самовозбуждения и спектр излучения. Переходные процессы в лазерном генераторе. Генераторы с нестационарными параметрами. Лазерные умножители частоты. Параметрическое преобразование частоты. Лазеры на вынужденном комбинационном рассеянии и вынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна.

12. Основы применения оптоэлектронных и квантовых приборов в инфокоммуникационных технологиях и системах связи. Информационное применение лазеров. Голография.

13. Лазеры в измерительных системах

14. Лазеры в медицинской технике

Математика, физика примеры решений задач, контрольных, курсовых.