Предисловие

Курс «Квантовая и оптическая электроника» является федеральным компонентом Государственного образовательного стандарта и читается в восьмом семестре. Основополагающей дисциплиной для усвоения данного курса является «Физика»: разделы «Оптика», «Квантовая механика», «Физика твердого тела».

Оптическая электроника – это направление в науке и технике, связанное с исследованием и применением процессов взаимодействия оптического излучения с веществом в целях передачи, приема, переработки и отображения информации. Таким образом, оптическая электроника или оптоэлектроника, если судить по названию, находится на «стыке» таких направлений в физике как оптика и электроника. Впервые название «оптоэлектроника», появилось в 1955г. и было связано с электронными схемами с оптической связью, которые сейчас называют оптоэлектронными приборами или оптронами. Как следует из вышесказанного, оптическая электроника не занимается вопросами генерации излучения оптического диапазона, а рассматривает его как данность.

Квантовая электроника - это направление в науке и технике, связанное с исследованием и применением явлений квантового характера в целях усиления, генерации и преобразования когерентного оптического излучения. Когерентное излучение используется в промышленности (резка и плавка металлических объектов), в измерительной технике (различного рода датчики размеров, перемещений, уровней и др.), в устройствах хранения информации и обработки цифровых данных (голография, компакт-диски, оптические компьютеры), в военных целях (как оружие) и других областях. Особо следует отметить роль квантовой электроники в такой чрезвычайно важной области как передача информации. Благодаря когерентному излучению информация может быть передана на огромные расстояния с колоссальной скоростью по так называемым волоконно-оптическим линиям связи (кабелям). Как научно-техническое направление квантовая электроника возникла в 1960г., когда был изобретен лазер – устройство, позволяющее генерировать когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона.

Введение

Оптика, как известно, это раздел физики, в котором рассматриваются вопросы, связанные с распространением, поглощением, отражением и преломлением света.

Свет как физическое явление занимал умы ученых достаточно давно. Еще в ХVΙΙ веке Исаак Ньютон, учитывая прямолинейный характер распространения света, высказал предположение, что свет–это поток особых частиц – корпускул (от лат. сorpusculum – тельце). На основе своей теории Ньютон смог объяснить законы отражения и преломления света. В то же время современник Ньютона Христиан Гюйгенс полагал, что свет является волновым процессом, и на основе волновых представлений также смог дать объяснение законам отражения и преломления света.

Корпускулярная теория существовала до тех пор, пока Томас Юнг (1773 – 1829) а затем и Огюстен Френель (1788 - 1827) не установили, что свет способен огибать непрозрачные препятствия, а наложение световых пучков друг на друга приводит к их взаимному усилению или ослаблению. Подобные явления были хорошо изучены на примере акустических (звуковых) волн и волн, образующихся на поверхности воды, и носили названия дифракции и интерференции соответственно. Данные явления корпускулярная теория объяснить не смогла. Отсюда возникла и надолго получила широкое распространение в классической (в смысле – доквантовой) физике волновая теория света, согласно которой свет рассматривался как волновой процесс, имеющий непрерывный характер. Долгое время полагали, что свет распространяется как звук, т.е. представляет собой продольные колебания некоего «эфира». Однако эксперименты с прозрачными кристаллами (чаще всего использовался так называемый исландский шпат– углекислый кальций) привели к пониманию того, что свет представляет собой поперечные колебания – как тогда считали - «светоносного эфира», лежащие в плоскости перпендикулярной к направлению распространения света (светового луча). Причем, эти колебания могут происходить в ней под самыми разными углами. Свет, у которого эти колебания совершаются в рассматриваемой плоскости в различных направлениях, беспорядочно, называют естественным или неполяризованным. Свет, у которого колебания имеют только одно направление, называют линейно - поляризованным (термин «поляризация» ввел французский физик Этьен-Луи Малюс). Свет может иметь также круговую, либо эллиптическую поляризацию, если направление колебаний регулярно изменяется по определенному закону.

В 1845г. Майкл Фарадей установил, что различные прозрачные вещества, помещенные внутри электромагнита и освещаемые поляризованным светом, при возникновении поля начинали вдруг вращать плоскость поляризации, что приводило к изменению интенсивности света. Обдумывая результаты этих опытов, Джемс Максвелл (1868) пришел к выводу, что столь явное взаимодействие света и магнитного поля происходит по той причине, что свет – это электромагнитные волны (ЭМВ), рождаемые движением заряженных частиц, вокруг которых, как следствие этого движения, возникает электромагнитное поле. Однажды возникнув, поле перемещается в пространстве в виде электромагнитных колебаний, колебаний электрического и магнитного полей, поперечных направлению распространения волны, волны колебаний. Такие колебания могут перемещаться в пустоте, им не нужен эфир, и они могут взаимодействовать с другими электромагнитными колебаниями. Причем, по мнению Максвелла, свет – лишь один из видов электромагнитных колебаний, существующих в природе.

В 1888г. Генрих Герц опытным путём обнаружил существование ЭМВ и показал, что их свойства подобны свойствам световых волн, поскольку скорость их распространения такая же, как у света, а на границе раздела они (ЭМВ) претерпевают отражение и преломление и для них, как и для света, характерно явление поляризации.

Однако, результаты последующих исследований позволили усомниться в исключительности волновых представлений. Так, в 1887г. Генрих Герц (1857-1894) в процессе эксперимента установил, что при облучении светом газоразрядного прибора меняется величина напряжения возникновения разряда. Таким образом было открыто явление внешнего фотоэффекта, который по расчетам, если использовать волновую теорию, не должен был иметь место. Основываясь на полученных результатах, в 1900г. Макс Планк (1858 – 1947) для того, чтобы ликвидировать так называемую ультрафиолетовую катастрофу [2,§6] высказал предположение совершенно чуждое классическим представлениям, а именно, что электромагнитное излучение (ЭМИ) испускается в виде отдельных порций энергии – квантов (от лат. квантум – количество), величина которых пропорциональна частоте излучения. Расчёты, выполненные на основе данных предположений находились в полном согласии с результатами выполненными ранее экспериментов во всём диапазоне изменения их параметров, то время как волновая теория соответствовала им лишь частично. Наконец, в 1923г. американским физиком Арнольдом Комптоном (1892–1962), было установлено (и получило название Комтон-эффекта), что в процессе рассеяния монохромного рентгеновского излучения наряду с излучением волны первоначальной длины наблюдается и более длинноволновое излучение. Комтон-эффект также не мог быть объяснён волновой теорией, поскольку в соответствии с ней длина волны в процессе рассеяния меняться не должна.

В итоге стало понятно, что такое явление как свет не может трактоваться однозначно, что он представляет собой сложное физическое явление, имеет двойственный характер, обладая так называемым корпускулярно-волновымм дуализмом (от англ. dual – двойственный, двойной), но в зависимости от частоты колебаний (или длины волны) наблюдается преобладание одних свойств света над другими. Например, одним из основных параметров движущейся частицы является её импульс, который даже для электрона может быть измерен, но длина волны электрона, найденная расчётом, не поддаётся непосредственному измерению из-за несовершенства измерительных приборов.

Ещё пример: передачи коротковолновых радиостанций можно принимать на значительном удалении от передатчика, даже на другом конце земного шара, телевизионные же передачи можно принимать лишь в пределах прямой видимости телепередатчика. И в том, и в другом случае мы имеем дело с ЭМИ, но в первом примере излучение может огибать препятствия и тем самым в большей степени проявляет волновые свойства, во втором же – корпускулярные, поскольку огибать препятствия не может. Причина – в различных частотах колебаний или длинах волн: порядка метра в первом случае, порядка дециметра - во втором.

1. Свет как волновой процесс.

1.1. Основные понятия и определения

Понятие волна неразрывно связано с понятием колебание. Колебания – это самый распространённый вид движения материи в природе. Они возникают у физических систем, имеющих положение или состояние равновесия, в которых они обладают минимумом энергии. При сообщении таким системам энергии извне, они вовлекаются в колебательный процесс. Подобные системы носят название осцилляторов.

Колебания могут быть свободными и вынужденными. Первые возникают при однократном возбуждении осциллятора, т.е. однократном сообщении ему энергии. Свободные электромагнитные колебания возникали в опыте Г.Герца в момент проскакивания искры в воздушном промежутке разрядника. Такие же колебания возникают при подключении предварительно заряженного конденсатора к катушке индуктивности. Свободные колебания являются затухающими, поскольку имеет место уменьшение энергии колебаний вследствие излучения в окружающую среду и потерь омического характера. Частоту таких колебаний называют собственной.

Вынужденные колебания возникают при периодическом энергетическом воздействии на колеблющуюся систему. Они являются незатухающими, поскольку имеет место периодическое пополнение естественной убыли энергии осциллятора. Если частота внешнего энергетического воздействия совпадает с собственной частотой системы, то наступает явление резонанса, при котором потери энергии становятся минимальными, а амплитуда колебаний – максимальной.

Простейшими колебаниями, которые имеют место у осцилляторов, являются гармонические, т.е. колебания, совершаемые по закону синуса или косинуса: ξ , где ξ (кси)– отклонение некой физической величины от равновесного положения или состояния, A – максимальное значение этого отклонения по модулю (амплитуда), – фаза колебания, – круговая частота, рад с^-1, – начальная фаза (значение фазы колебания в момент времени =0). Фаза колебания, будучи аргументом тригонометрической функции, определяет значение отклонения в данный момент времени. Начальная фаза при соответствующем выборе начала отсчёта может быть равна нулю (на рисунке).

Гармонические колебания являются периодическими функциями времени в том смысле, что в неограниченном интервале времени величина ξ принимает одно и то же значение при приращении фазы на . Промежуток времени, за который совершается это приращение, называют, периодом колебаний Т. Величину, показывающую сколько периодов колебаний совершается за одну секунду, называют просто частотой колебаний (ню), измеряемой в герцах: ,Гц, 1Гц=1с^-1 (в электротехнике частоту обычно обозначают как f). Между частотой и круговой частотой существует простая связь: . Колебания, совершаемые с одной частотой, называют монохроматическими.

Таким образом, амплитуда, фаза, начальная фаза, период и частота являются параметрами колебательного процесса.

Процесс распространения колебаний называют волной. Опыты Г.Герца показали, что электромагнитные волны могут неограниченно распространяться в пространстве, по этой причине их называют бегущими волнами. Бегущие волны являются носителями энергии, о чём свидетельствовало появление искры в разряднике удалённого вторичного контура в опыте Г.Герца. То расстояние, которая бегущая волна проходит за время, равное периоду, называют длиной волны, обозначаемой как и измеряемой в метрах (рис.2а). Длина волны колебаний, в свою очередь, также является параметром, но параметром только волны.

Поскольку частота электромагнитных колебаний очень велика, то в качестве параметра колебательного процесса используют не частоту колебаний, а длину волны. Если волна распространяется в пространстве со скоростью υ, то длина волны составит: . Так как скорость является векторной величиной, то и ЭМВ имеют определённую направленность, в связи с чем зачастую используют выражение электромагнитное излучение (ЭМИ). Луч – в данном случае – это линия, вдоль которой распространяется энергия излучения (волны), однако, строго говоря, использовать понятие луча можно лишь в случае с .

Следует отметить, что то действие, которое свет оказывает на окружающий мир, а именно, биологическое, фотохимическое, фотогальваническое и др. – имеет место благодаря действию, в основном, электрического поля, а не магнитного. Поэтому вектор напряжённости электрического поля называют световым вектором, и именно его отклонение от состояния равновесия в дальнейшем будут обозначаться как .

Геометрическое место точек, до которых доходят колебания в данный момент времени, называют фронтом волны. Геометрическое место точек, в которых колебания совершаются в одной фазе, носит название волновой поверхности. Фронт волны всегда перемещается со скоростью υ, волновые же поверхности неподвижны.

Волновая поверхность может быть плоской (плоская волна) или сферической (сферическая волна). Тип волны, в данном случае, во многом зависит от пространственных характеристик возбудителя колебаний (источника колебаний) и расстояния до него. Если это расстояние много больше размеров источника, то источник колебаний называют точечным источником, и он будет генерировать сферическую волну. Если же размеры источника соизмеримы с расстоянием до приёмника излучения, то такой источник будет генерировать плоскую волну. Например, осветительная лампа накаливания имеет длину нити порядка сантиметра, следовательно, при расстоянии порядка метра от лампы (разница два порядка, что соответствует категории «много больше») она будет являться точечным источником, который генерирует сферическую волну. В то же время излучение дисплея сотового телефона будет представлять собой плоскую волну, поскольку размеры дисплея и расстояние от него до глаз пользователя сопоставимы.

Волновые поверхности плоской волны представляют собой бесконечное множество параллельных плоскостей, сферической – бесконечное множество концентрических сфер.

Зачастую колебательные процессы имеют сложный, негармонический характер, но если они представляют собой периодические функции времени, то их можно представить суперпозицией (совокупностью) гармонических колебаний. Каждое такое простейшее колебание гармонического характера и порождаемая им волна со своей пространственной конфигурацией носит название нормальной моды или просто моды. В известной степени понятие моды можно отождествлять с понятием гармоника.

Рис.1.Суперпозиция двух мод

На рис.1 представлен результат наложения двух монохроматических колебаний – мод 1 и 2 с частотами ₁ и ₂, причём ₁=3 ₂. Результирующие колебания и порождаемая ими волна уже не является монохроматическими.

Распространяясь в пространстве, электрические и магнитные поля колеблются относительно состояния равновесия, каковыми являются нулевые значения векторов их напряжённостей. Таким образом, величины их отклонений от этих состояний являются, в данном случае, функциями не только времени, но и координат, т.е. . Данное выражение носит название уравнения волны.