Квантова електроніка

КВА́НТОВА ЕЛЕКТРО́НІКА — галузь фізики і техніки, що ви­вчає методи генерації, під­силе­н­ня та пере­творе­н­ня електромагнітних коливань, що базуються на викори­стан­ні стимульованого ви­промінюва­н­ня, а також властивості від­повід­них під­силювачів і генераторів та їхнє за­стосува­н­ня. Сформувалася у 1950-х рр. 1964 рос. фізики М. Басов і О. Прохоров та амер. фізик Ч.-Г. Таунс за фундам. дослідж. у галузі К. е., які при­звели до створе­н­ня генераторів та під­силювачів нового типу — мазерів і лазерів, отримали Нобелів. премію. Термін «К. е.» най­активніше вживали у зга­даному значен­ні до 1980-х рр., нині у зх. літературі як окрему галузь науки практично не виділяють, від­повід­ні дослідж. зараховують до фізики і техніки лазерів, неліній. оптики і квантової оптики. Водночас від 1996 Європ. фіз. товариство кожні 2 р. присуджує премії за досягне­н­ня у галузі К. е., виходять наук. журнали «IEEE Journal of quantum electronics» (Нью-Йорк), «Квантовая электроника» (Москва), «Semiconductor physics quantum electronics & optoelectronics» (1966–95 — «Квантовая электроника», Київ). У приладах класич. електроніки та радіотехніки електромагнітні хвилі збуджуються за рахунок енергії узгодженого руху електронів, динаміка яких задовільно описується законами класич. механіки. У приладах К. е. на енергію електромагніт. поля пере­творюється внутр. енергія квант. системи шляхом здійсне­н­ня стимульов. пере­ходів із збудженого в осн. стан. У результаті генерується когерентне монохромат. електромагнітне ви­промінюва­н­ня у широкому діапазоні частот від сантиметр. радіохвиль до далекого ультрафіолету, залежно від характеристик квант. системи. Основу К. е. складає концепція стимульов. ви­промінюва­н­ня, постульов. 1916 А. Айнштайном як ефект, імовірність здійсне­н­ня якого пропорційна густині ви­промінюва­н­ня від­повід. частоти, що діє на квант. систему (атом, молекулу, іон, атомне ядро). Залежно від початк. енергет. стану системи дія зовн. поля призводить до по­глина­н­ня кванта електромагніт. поля (якщо система початково пере­бувала в осн. енергет. стані) або до його ви­промінюва­н­ня (якщо вона була у збудженому стані). Процеси по­глина­н­ня та стимульов. ви­промінюва­н­ня абсолютно рівно імовірні (з точністю до кратності виродже­н­ня енергет. рівнів системи); а частота, хвильовий вектор, поляризація електромагніт. хвилі, що ви­промінюється системою в процесі стимульов. пере­ходу, є тотож. до параметрів стимулюючого поля. Результат взаємодії поля з квант. частинками (атомами, молекулами, іонами) ви­значається станом системи: якщо пере­важає кількість частинок, які знаходяться у збудженому стані, система буде під­силювати електромагнітне поле, а при наявності позитив. зворот. звʼязку може генерувати електромагнітні колива­н­ня. Першими приладами К. е. були мазери — генератори електромагніт. коливань радіодіапазону. 1954 незалежно у СРСР (М. Басов, О. Прохоров) та США (Дж.-П. Ґордон, Г. Цайгер, Ч.-Г. Таунс) створ. мазер на молекулі аміаку з довж. хвилі генерації 1,25 см. 1960 амер. фізик Т.-Г. Ме­йман вина­йшов перший генератор когерент. оптич. ви­промінюва­н­ня — рубін. лазер, який базується на викори­стан­ні принципів К. е. (довж. хвилі 0,6934 мкм). Завдяки високій простор. і часовій когерентності ви­промінюва­н­ня, яке генерується лазерами та мазерами, від­криті та реалізовані нові напрями оптики (нелінійна, квант., сингулярна), спектроскопії (нелінійна субдоплерівська та ін.), техніка генерації надкоротких (коротше ніж 10^-15 сек.) та надпотуж. (більше 10¹⁵ Вт) світл. імпульсів. Ці досягне­н­ня К. е. лягли в основу низки важливих практич. за­стосувань. Так, у метрології одиниця довжини метр нині від­творюється за допомогою еталон. довжин хвиль ви­промінювань, що генеруються високо­стабіл. за частотою лазерами. Генератори електромагніт. коливань з рекорд. параметрами стабільності частоти та монохроматичності — основа атом. годин­ників, стандартів часу та частоти. Сучас. цезієвий стандарт від­творює секунду з похибкою 3×10^-16, а атом. годин­ник оптич. діапазону на основі іона Al+ має похибку лише 8,6×10^-18. Високу пікову потужність лазерів використовують у дослідж. з лазер. термоядер. синтезу, технологіях лазер. обробле­н­ня матеріалів. Висока простор. і часова когерентність забезпечує за­стосува­н­ня лазерів у оптоволокон. мережах пере­дава­н­ня, запису й обробле­н­ня інформації, голографії. В Україні дослідж. з К. е. особливо активно роз­горнулися на поч. 1960-х рр. в Ін­ституті фізики НАНУ (наук. школа М. Бродина та М. Соскіна), Ін­ституті фізики напів­провід­ників НАНУ (обидва — Київ), Київ., Харків. й Ужгород. університетах, Нац. тех. університеті України «Київ. політех. ін­ститут». Пізніше дослідж. з К. е., неліній. оптики, голо­графії почали за­йматися науковці Ін­ституту радіофізики та електроніки НАНУ (Харків), Львів. й Одес. університетів та ін. наук. центрів України. Знач. внесок у роз­робле­н­ня актуал. про­блем К. е. зробили укр. вчені Ю. Байбородін, І. Блонський, А. Борщ, В. Вінецький, М. Гамалія, М. Данилейко, С. Дюбко, І. Запісочний, В. Коваленко, І. Конділенко, М. Кухтарев, М. Лисиця, Л. Лін­ник, В. Машкевич, С. Одулов, В. Свіч, В. Стрижевський, Є. Тихонов, М. Шпак, В. Шульга, Л. Яценко, а також рос. вчені укр. походже­н­ня А. Мак і М. Стельмах. На поч. 1960-х рр. в Ін­ституті фізики НАНУ створ. перший в Україні рубін. лазер і вина­йдено дис­персій. резонатор, який широко використовують для пере­будови довжини хвилі лазерів різних типів; в Ін­ституті очних хвороб і тканин. терапії НАМНУ (Одеса) вперше у світі здійснено успішну лазерну коагуляцію сітківки ока людини. Ві­домими досягне­н­нями укр. вчених у галузі К. е. також є роз­виток динаміч. голо­графії (Державна премія СРСР 1982), роз­робле­н­ня лазер. мед. апаратури для діагностики та лікува­н­ня (Державна премія УРСР у галузі науки і техніки 1972), лазерів, що здатні змінювати частоту (Державна премія УРСР у галузі науки і техніки 1974), лазерів субміліметр. довжин хвиль (Державна премія України у галузі н. і т. 1995), високо­стабіл. за частотою лазер. систем для метрології (Державна премія України у галузі н. і т. 1998). В Україні ви­дано значну кількість моно­графій і під­ручників з К. е. та повʼязаних напрямів, деякі з них були першими у світі.

Завантажити статтю