量子電子學

20世紀50年代發明了微波激射器，量子電子學科開始建立。60年代發明激光器後，學科的內容急劇擴大。伴隨着激光和激光器的研究,形成了眾多的分支學科,如激光物理、激光技術、非線性光學、激光光譜學、導波光學、集成光學和全息光學等。這些分支學科也往往被包括在量子電子學之內。

量子放大與振盪的基本原理 　量子電子學的核心器件是微波激射器和激光器。它們的工作原理都與受激發射有關。早在1917年，A.愛因斯坦就指出，在微觀量子系統與輻射電磁場的相互作用中，存在着三種量子躍遷過程（圖1）。

若某種微觀量子系統（如原子、分子和離子等粒子）有兩個分立的能級，其能量分別為E2和E1，且E2＞E1。在沒有外加輻射場作用時，處於高能級的粒子有可能自發地躍遷到低能級，同時發射出能量為hv的光子,且hv=E2-E1。式中h為普朗克常數；v為頻率。這叫自發發射。大量粒子自發發射的光子形成頻率為 v的非相干電磁波。傳統光源所發的光都是由自發發射產生的，因而是非相干的。

頻率滿足hv=E2-E1關係的外加輻射電磁場能與量子系統發生共振的相互作用。微觀粒子在共振電磁場的作用下，處在高能級的粒子以一定的幾率躍遷到低能級, 同時發射一個能量為hv的光子，這叫受激發射。由受激發射所產生的電磁波與入射電磁波同頻率、同方向、同相位、同偏振，因此它是相干電磁波。入射電磁波可以通過受激發射得到相干放大。

微觀粒子在外加共振電磁場的作用下，處在低能級的粒子以一定的幾率躍遷到高能級，同時吸收一個能量為hv的光子，這叫受激吸收。

受激發射和受激吸收是一對相反的過程，它們同時發生。單位體積和單位時間內的躍遷次數分別正比於能級的N2/g2和N1/g1值，比例係數相同。N2、N1分別為上、下能級的布居數密度（即粒子按能級分佈的密度）；g2、g1分別為上、下能級的統計權重。在通常情況下，N2/g2＜N1/g1,受激吸收過程佔優勢。因此，雖然愛因斯坦早就提出受激發射的概念，但在很長時期內人們卻觀察不到這一現象。

要觀察到受激發射現象，必須使這一過程佔優勢。這就需要N2/g2＞N1/g1。這是量子系統的一種特殊的狀態,叫作粒子數反轉狀態。在g1=g2的簡單情況下，這意味着N2＞N1，即高能級的布居數密度大於低能級的布居數密度。外加共振電磁場通過處於粒子數反轉狀態的介質時，就能通過受激發射而得到相干放大。這就是量子放大作用。

如果進而把放大後的電磁波的一部分以正反饋方式送回輸入端，則在一定的條件下，此係統將發生自激振盪而產生相干的電磁波。這就是量子振盪過程。在微波和光波波段，一般使用諧振腔以加強電磁場並實現正反饋，從而獲得量子振盪。

使量子系統粒子數反轉的過程叫作激勵或抽運（泵浦）。激勵方法根據具體情況有很大的差別。

在微波波段實現量子放大或振盪的器件稱為微波激射器；在光波波段則稱為激光器。

在第二次世界大戰後，微波技術被迅速用於基礎科學研究,微波波譜學因之興起。通過對分子波譜的研究和微波技術的應用，美國的C.H.湯斯於1954年研製成第一個量子電子學器件──氨分子微波激射器。蘇聯的Н.Г.巴索夫和А.М.普羅霍洛夫差不多同時開展對微波激射器的研究,並作出重要貢獻。氨分子微波激射器的發明，標誌着量子電子學這一新學科的誕生。

氨分子激射器的示意圖。使氨分子形成一束，通過四極焦聚器後進入諧振腔。焦聚器由四根圓柱形電極組成，其軸線與束平行。相鄰電極上的電位正負相間。氨分子的最低振動能級由一對反演能級組成，兩者的電矩不同。當分子通過焦聚器時，受到四極靜電場的作用。處於低反演能級的分子被電場所偏轉而逸出焦聚器；處於高反演能級的分子則受到軸向的力，能通過焦聚器而進入諧振腔。因此，進入諧振腔的氨分子處於粒子數反轉狀態。在此腔中，分子在反演能級間產生受激發射、發出頻率約為 23870兆赫（波長為1.25釐米）的電磁波。

氨分子激射器可工作在放大狀態或振盪狀態。氨分子振盪器發出的電磁波的頻率純而穩定，相干性很高。當時用它作為頻率標準，獲得了前所未有的精度。其後，陸續發明了順磁微波激射器、氫原子激射器等器件。其中有些器件的工作頻率可在一定範圍內調諧。

微波激射器在技術上的主要用途是：①作為極低噪聲的微波前置放大器；②作為頻率標準（見量子頻率標準）。

微波激射器的成功給人們以啓示。科學家們研究能否應用同樣的基本原理，把頻率推向光頻，製成激光器。由於光的頻率比微波頻率高好幾個量級，就有許多新的問題需要探索。難題之一是當時還沒有適用於光頻的諧振腔。

美國C.H.湯斯和A.L.肖洛,以及蘇聯А.М.普羅霍洛夫分別提出半開放式光頻腔的建議，對激光器的開創工作作出了重要貢獻。1960年，美國的T.H.梅曼製成第一台激光器。他所使用的工作物質是紅寶石，它的化學成分為Al2O3:Cr，在氧化鋁的晶格中有少量鋁離子被鉻離子Cr3+所置換。Cr3+的能級如圖2a所示，G為基態能級，E1和E2為兩個強吸收帶，M為亞穩能級。在受強光照射時，粒子能從基態吸收光子躍遷到E1或E2能級，然後迅速通過無輻射躍遷轉移到亞穩能級M上去。當光足夠強時，能得到M能級與G 能級之間的粒子數反轉，從而實現受激發射。梅曼的設計是：把紅寶石做成圓柱形，兩端磨得很平，並且互相平行。在這兩端面上鍍以高反射膜,一端膜是半透明的,或者在中央開一個透光的小孔。這一對反射鏡面構成一個光頻的半開放式諧振腔（法白利－珀羅腔）。紅寶石被固定在一個螺旋形閃光燈管的中央。在閃光燈每一次閃光之後，從半透膜或小孔中射出深紅色的激光束。這種激光的波長為6943埃。圖2b為這種裝置的示意圖。

激光具有一些極其顯著的特點。它的相干性好,單色性很高。一束連續的激光可用一列理想的、無限長的單頻正弦波來表示，與傳統電子學中對電磁波的表述相同。在這一點上，光學與電子學的聯繫就更加緊密。激光的方向性很強,亮度極高,能量在空間高度集中。與傳統光源相比，激光的亮度很容易做到高出若干量級。這一特點也使激光具有突出的用途。

激光器的種類迅速增多。工作物質有各種晶體、玻璃半導體、氣體和液體等。從波段來説，除繼續在可見光、紫外線、紅外線區域開展研究外，長波段正向遠紅外和亞毫米波段伸展,填補着紅外與微波之間的空隙;在短波段，已經在遠紫外區域獲得若干成功，並有可能獲得 X射線激光。激光器的激勵方式和運轉方式也在不斷髮展中（見激光）。

量子電子學的應用 　量子電子學由於原理新穎、潛力大和發展迅速，在電子學領域受到極大的重視。傳統電子學中的一系列技術，如放大、 振盪、 調製、解調、和頻與差頻、外差接收、信號處理等，都能推廣到光頻，這就極大地豐富了電子學和電子技術的內容。原有的無線電通信頻段已經非常擁擠，不能滿足現代的需要。激光用作載波以傳遞信息，有極大的信息容量，為通信開闢了極其廣闊的天地。光纖通信已進入推廣階段。激光用於信息存儲，具有密度高、容量大、速度快的特點。光盤已經投入實用。還有可能製成運轉速度極高的激光計算機。激光用於半導體、集成電路、電子元件的微細加工處理已對電子工業起了重要作用，它在超大規模集成電路的研製中也已取得顯著的進展。其他應用還有激光測距、激光跟蹤、激光制導、激光顯示等。與微波波段的原子頻標原理類似，利用原子（分子）譜線為基準來穩定激光器頻率，已製成穩定度很高的光頻原子頻標。

激光在物理、化學和生物等學科的基礎研究和應用研究中有着重大的作用。例如，激光引發核聚變是一些國家正在致力研究的一項重大課題，並已取得許多進展。激光分離鈾同位素已進入中間試驗階段。激光在光學、光譜學、化學和生物學等研究中所起的作用，是傳統光源所無法達到的。激光應用於工業、農業、軍事、醫學等方面，也已取得許多成績。

中國從1958年開始微波激射器的研究，器件已具有一定水平。激光的研究始於60年代初，以後開展了從基礎到應用範圍廣泛的研究工作，已能生產多種類型的激光器件。在電子學的應用方面，已有十多條光纖通信現場試驗和試用線，激光測距儀和激光經緯儀的使用已取得成果，光盤的研製已達到一定的水平。激光在其他學科方面的基礎研究和應用研究已較普遍地展開，在國民經濟各部門已經開始廣泛應用。