什么是量子电子学?

什么是量子电子学?

[拼音]：liangzi dianzixue

[外文]：quantum electronics

研究利用物质内部量子系统的受激发射来放大或产生相干电磁波的方法，及其相应器件的性质和应用的学科。在这种放大、振荡机制中，量子跃迁过程起关键的作用，所以称量子电子学。

20世纪50年代发明了微波激射器，量子电子学科开始建立。60年代发明激光器后，学科的内容急剧扩大。伴随着激光和激光器的研究，形成了众多的分支学科，如激光物理、激光技术、非线性光学、激光光谱学、导波光学、集成光学和全息光学等。这些分支学科也往往被包括在量子电子学之内。

量子放大与振荡的基本原理

量子电子学的核心器件是微波激射器和激光器。它们的工作原理都与受激发射有关。早在1917年，A.爱因斯坦就指出，在微观量子系统与辐射电磁场的相互作用中，存在着三种量子跃迁过程（图1）。

自发发射

若某种微观量子系统（如原子、分子和离子等粒子）有两个分立的能级，其能量分别为E2和E1，且E2＞E1。在没有外加辐射场作用时，处于高能级的粒子有可能自发地跃迁到低能级，同时发射出能量为hv的光子，且hv=E2-E1。式中h为普朗克常数；v为频率。这叫自发发射。大量粒子自发发射的光子形成频率为 v的非相干电磁波。传统光源所发的光都是由自发发射产生的，因而是非相干的。

受激发射

频率满足hv＝E2-E1关系的外加辐射电磁场能与量子系统发生共振的相互作用。微观粒子在共振电磁场的作用下，处在高能级的粒子以一定的几率跃迁到低能级， 同时发射一个能量为hv的光子，这叫受激发射。由受激发射所产生的电磁波与入射电磁波同频率、同方向、同相位、同偏振，因此它是相干电磁波。入射电磁波可以通过受激发射得到相干放大。

受激吸收

微观粒子在外加共振电磁场的作用下，处在低能级的粒子以一定的几率跃迁到高能级，同时吸收一个能量为hv的光子，这叫受激吸收。

受激发射和受激吸收是一对相反的过程，它们同时发生。单位体积和单位时间内的跃迁次数分别正比于能级的N2/g2和N1/g1值，比例系数相同。N2、N1分别为上、下能级的布居数密度（即粒子按能级分布的密度）；g2、g1分别为上、下能级的统计权重。在通常情况下，N2/g2＜N1/g1，受激吸收过程占优势。因此，虽然爱因斯坦早就提出受激发射的概念，但在很长时期内人们却观察不到这一现象。

要观察到受激发射现象，必须使这一过程占优势。这就需要N2/g2＞N1/g1。这是量子系统的一种特殊的状态，叫作粒子数反转状态。在g1=g2的简单情况下，这意味着N2＞N1，即高能级的布居数密度大于低能级的布居数密度。外加共振电磁场通过处于粒子数反转状态的介质时，就能通过受激发射而得到相干放大。这就是量子放大作用。

如果进而把放大后的电磁波的一部分以正反馈方式送回输入端，则在一定的条件下，此系统将发生自激振荡而产生相干的电磁波。这就是量子振荡过程。在微波和光波波段，一般使用谐振腔以加强电磁场并实现正反馈，从而获得量子振荡。

使量子系统粒子数反转的过程叫作激励或抽运（泵浦）。激励方法根据具体情况有很大的差别。

在微波波段实现量子放大或振荡的器件称为微波激射器；在光波波段则称为激光器。

微波激射器

在第二次世界大战后，微波技术被迅速用于基础科学研究，微波波谱学因之兴起。通过对分子波谱的研究和微波技术的应用，美国的C.H.汤斯于1954年研制成第一个量子电子学器件──氨分子微波激射器。苏联的Н.Г.巴索夫和А.М.普罗霍洛夫差不多同时开展对微波激射器的研究，并作出重要贡献。氨分子微波激射器的发明，标志着量子电子学这一新学科的诞生。

图2为氨分子激射器的示意图。使氨分子形成一束，通过四极焦聚器后进入谐振腔。焦聚器由四根圆柱形电极组成，其轴线与束平行。相邻电极上的电位正负相间。氨分子的最低振动能级由一对反演能级组成，两者的电矩不同。当分子通过焦聚器时，受到四极静电场的作用。处于低反演能级的分子被电场所偏转而逸出焦聚器；处于高反演能级的分子则受到轴向的力，能通过焦聚器而进入谐振腔。因此，进入谐振腔的氨分子处于粒子数反转状态。在此腔中，分子在反演能级间产生受激发射、发出频率约为 23870兆赫（波长为1.25厘米）的电磁波。

氨分子激射器可工作在放大状态或振荡状态。氨分子振荡器发出的电磁波的频率纯而稳定，相干性很高。当时用它作为频率标准，获得了前所未有的精度。其后，陆续发明了顺磁微波激射器、氢原子激射器等器件。其中有些器件的工作频率可在一定范围内调谐。

微波激射器在技术上的主要用途是：

（1）作为极低噪声的微波前置放大器；

（2）作为频率标准（见量子频率标准）。

激光和激光器

微波激射器的成功给人们以启示。科学家们研究能否应用同样的基本原理，把频率推向光频，制成激光器。由于光的频率比微波频率高好几个量级，就有许多新的问题需要探索。难题之一是当时还没有适用于光频的谐振腔。

美国C.H.汤斯和A.L.肖洛，以及苏联А.М.普罗霍洛夫分别提出半开放式光频腔的建议，对激光器的开创工作作出了重要贡献。1960年，美国的T.H.梅曼制成第一台激光器。他所使用的工作物质是红宝石，它的化学成分为Al2O3:Cr，在氧化铝的晶格中有少量铝离子被铬离子Cr3+所置换。Cr3+的能级如图3a所示，G为基态能级，E1和E2为两个强吸收带，M为亚稳能级。在受强光照射时，粒子能从基态吸收光子跃迁到E1或E2能级，然后迅速通过无辐射跃迁转移到亚稳能级M上去。当光足够强时，能得到M能级与G 能级之间的粒子数反转，从而实现受激发射。梅曼的设计是：把红宝石做成圆柱形，两端磨得很平，并且互相平行。在这两端面上镀以高反射膜，一端膜是半透明的，或者在中央开一个透光的小孔。这一对反射镜面构成一个光频的半开放式谐振腔（法白利－珀罗腔）。红宝石被固定在一个螺旋形闪光灯管的中央。在闪光灯每一次闪光之后，从半透膜或小孔中射出深红色的激光束。这种激光的波长为6943埃。图3b为这种装置的示意图。

激光具有一些极其显著的特点。它的相干性极好，单色性很高。一束连续的激光可用一列理想的、无限长的单频正弦波来表示，与传统电子学中对电磁波的表述相同。在这一点上，光学与电子学的联系就更加紧密。激光的方向性很强，亮度极高，能量在空间高度集中。与传统光源相比，激光的亮度很容易做到高出若干量级。这一特点也使激光具有突出的用途。

激光器的种类迅速增多。工作物质有各种晶体、玻璃半导体、气体和液体等。从波段来说，除继续在可见光、紫外线、红外线区域开展研究外，长波段正向远红外和亚毫米波段伸展，填补着红外与微波之间的空隙;在短波段，已经在远紫外区域获得若干成功，并有可能获得 X射线激光。激光器的激励方式和运转方式也在不断发展中（见激光）。

量子电子学的应用

量子电子学由于原理新颖、潜力大和发展迅速，在电子学领域受到极大的重视。传统电子学中的一系列技术，如放大、 振荡、 调制、解调、和频与差频、外差接收、信号处理等，都能推广到光频，这就极大地丰富了电子学和电子技术的内容。原有的无线电通信频段已经非常拥挤，不能满足现代的需要。激光用作载波以传递信息，有极大的信息容量，为通信开辟了极其广阔的天地。光纤通信已进入推广阶段。激光用于信息存储，具有密度高、容量大、速度快的特点。光盘已经投入实用。还有可能制成运转速度极高的激光计算机。激光用于半导体、集成电路、电子元件的微细加工处理已对电子工业起了重要作用，它在超大规模集成电路的研制中也已取得显著的进展。其他应用还有激光测距、激光跟踪、激光制导、激光显示等。与微波波段的原子频标原理类似，利用原子（分子）谱线为基准来稳定激光器频率，已制成稳定度很高的光频原子频标。

激光在物理、化学和生物等学科的基础研究和应用研究中有着重大的作用。例如，激光引发核聚变是一些国家正在致力研究的一项重大课题，并已取得许多进展。激光分离铀同位素已进入中间试验阶段。激光在光学、光谱学、化学和生物学等研究中所起的作用，是传统光源所无法达到的。激光应用于工业、农业、军事、医学等方面，也已取得许多成绩。

中国从1958年开始微波激射器的研究，器件已具有一定水平。激光的研究始于60年代初，以后开展了从基础到应用范围广泛的研究工作，已能生产多种类型的激光器件。在电子学的应用方面，已有十多条光纤通信现场试验和试用线，激光测距仪和激光经纬仪的使用已取得成果，光盘的研制已达到一定的水平。激光在其他学科方面的基础研究和应用研究已较普遍地展开，在国民经济各部门已经开始广泛应用。

参考书目

A.雅里夫著，刘颂豪等译：《量子电子学》，上海科学技术出版社，上海，1983。(A.Yariv，Quantum Electronics，2nd ed.，John Wiley & Sons， New York，1975.)A.E.Siegman，An Introduction to Lasers and Masers， McGraw-Hill， New York，1971.