| Предисловие |
| ГЛАВА ПЕРВАЯ . ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ |
| 1.1. | Способы описания оптического излучения |
| | Световые лучи и световые пучки. Световые волны. Световые
волны в среде. Волновая оптика и геометрическая оптика. Фотоны.
Свет как фотонный коллектив. Световые волны и фотонные коллективы. Заключение |
| 1.2. | Плоские световые, волны |
| | Плоская волна. Интенсивность света. Плоская монохроматическая
волна. Спектральное разложение. Поляризация световой
волны. Полная и частичная когерентность. Плоские монохроматические волны и реальные волны |
| 1.3. | Переход от световых волн к фотонным коллективам |
| | Поле световой волны в конечном объеме. Разложение поля на
осцилляторы. Задача об излучении абсолютно черного тела
Функция распределения равновесного фотонного коллектива. Квантование
поля; операторы рождения и уничтожения фотонов. Общая
схема перехода от волнового описания к фотонному. Условие классичности |
| 1.4. | Когерентность световых волн |
| | Функция взаимной когерентности. Функция взаимной когерентности
и контраст интерференционных полос. Временная когерентность.
Пространственная когерентность. Временная когерентность
и степень монохроматичности излучения. Пространственная
когерентность и степень направленности излучения. Характеристики
световой волны и степень ее когерентности |
| 1.5. | Оптическая голография |
| | Принципы оптической голографии. Достоинства голографии
Некоторые уникальные возможности голографии. Этапы развития
методов получения оптических изображений. Трехмерная голография |
| 1.6. | Свойства фотонных коллективов |
| | Некоторые вводные замечания общего характера. Фотонный газ
. Тепловой и квантовый шумы в случае равновесного фотонного газа
. Флуктуации в фотонном пучке. Корреляция флуктуации в фотонных
пучках. Интерферометр интенсивности. Соотношение
неопределенностей: число фотонов – фаза |
| 1.7. | Фотонные коллективы и когерентность |
| | Общие замечания. Корреляция флуктуации и когерентность
Когерентные состояния (состояния Глаубера). Когерентность первого и высших порядков |
| 1.8. | Фотон в интерферометре |
| | Интерференция при наличии одного фотона. Квантовая интерференция
и классическая интерференция. Фотон и волновой цуг.
Квантовая интерференция и тип статистики микрочастицы |
| Список литературы |
| ГЛАВА ВТОРАЯ . ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭЛЕКТРОНОМ (ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ) |
| 2.1. | Три основных процесса взаимодействия |
| | Поглощение, спонтанное испускание, индуцированное испускание
Связь между коэффициентами Эйнштейна. Индуцированное испускание
и бозонный характер статистики фотонов. Возможность
усилия излучения квантовыми системами (конкуренция процессов
поглощения и индуцированного испускания) |
| 2.2. | Фотонная структура процессов взаимодействия |
| | Оптические переходы различной фотонной кратности. Однофотонные
процессы. Многофотонные процессы и виртуальные переходы.
Двухфотонные процессы. Трехфотонные процессы
Когерентные многофотонные процессы. Фотонная кратность процессов взаимодействия в разных порядках |
| 2.3. | Квантовые переходы |
| | Квантовые переходы и принцип суперпозиции состояний. Применение
метода возмущений к вычислению вероятностей переходов
Случай гармонического возмущения, рассматриваемый в первом приближении.
Плотность конечных состояний микросистемы
Об условии применимости метода возмущений. Гармоническое
возмущение в приближениях высоких порядков |
| 2.4. | Гамильтониан взаимодействия излучения с электроном |
| | Структура матричных элементов
Гамильтониан взаимодействия излучения с электроном. Выражение
гамильтониана взаимодействия через операторы уничтожения
и рождения фотонов. Структура матричных элементов оператора
взаимодействия. Фотонные матричные элементы. Гамильтониан
взаимодействия и процессы различной фотонной кратности |
| 2.5. | Поглощение и испускание излучения (однофотонные процессы) |
| | Вероятности процессов. Вероятности стимулированных процессов
и интенсивность падающего излучения. Дипольные переходы
. Спонтанное испускание в дипольном приближении. Правила
отбора для дипольных переходов. Квадрупольные и магнитно-
дипольные переходы. Сопоставление вероятностей переходов
разного типа. Правило отбора и сохранение момента импульса |
| 2.6. | Рассеяние света (двухфотонные процессы) |
| | Общие замечания. Матричный элемент для прямых переходов
. Матричный элемент для переходов через промежуточные состояния.
Дифференциальное сечение рассеяния света. Когерентное рассеяние и комбинационное рассеяние |
| 2.7. | Параметрическая генерация света (когерентные трехфотонные процессы) |
| 2.8. | Взаимодействие излучения со свободными электронами |
| | Вынужденный эффект Комптона. Вынужденный тормозной эффект.
Некоторые отличия процессов взаимодействия излучения
со связанными и свободными электронами |
| Список литературы |
| ГЛАВА ТРЕТЬЯ . ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ВЕЩЕСТВА В КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ |
| 3.1. | Уровни энергии атомов и молекул |
| | Общие замечания об энергетических состояниях и характере атомной
динамики. Состояния электрона в атоме. Водородоподобные
атомы. Вырождение уровней; снятие вырождения
Энергетические состояния атома (атомные термы). Электронные
конфигурации и атомные термы. Электронные термы двухатомной
молекулы. Колебательная и вращательная структуры термов
двухатомной молекулы. Многоатомные молекулы. Качественные
замечания о переходе от динамики молекул к динамике кристалла |
| 3.2. | Кристаллы (структура и типы связей) |
| | Общие замечания о твердых телах и жидкостях. Кристаллическая
решетка. Влияние симметрии решетки на свойства, описываемые
тензорами 2-го ранга. Обратная решетка; зона Бриллюэна.
Дефекты в кристаллах. Ионные кристаллы. Валентные
кристаллы. Металлические кристаллы. Молекулярные
кристаллы. Кристаллы с водородными связями |
| 3.3. | Тепловые колебания кристаллической решетки |
| | Адиабатическое приближение. Переход от реальных колебаний
к нормальным. Акустические и оптические нормальные колебания
. Спектр частот нормальных колебаний. Динамические модели кристаллической решетки |
| 3.4. | Энергетические зоны в кристаллах |
| | Одноэлектронное приближение – основа зонной теории. Модель
Кронига-Пенни. Образование энергетических зон как эффект
снятия перестановочного вырождения. Равновесное распределение
электронов по состояниям. Металлы, диэлектрики, полупроводники.
Примесные полупроводники. Эффективная масса
. Уровень Ферми в беспримесных полупроводниках. Уровень Ферми в примесных полупроводниках |
| 3.5. | Квазичастицы в твердых телах |
| | Кристалл как газ квазичастиц. Типы квазичастиц. Энергия
кристалла, рассматриваемого в виде газа квазичастиц. Квазичастицы
и реальные частицы. Фононы. Фононы и фотоны
. Взаимодействия квазичастиц. Экситоны. Экситон-фононное взаимодействие |
| 3.6. | Общая картина неоптических переходов в веществе |
| | Общие замечания. Неоптические переходы в твердых телах
. Упругие столкновения частиц в газах. Неупругие столкновения
частиц в газах. Миграция энергии |
| 3.7. | Неупругие атомные столкновения |
| | Сечение неупругого столкновения электрона с атомом, рассматриваемое
в приближении Борна. Возбуждение и ионизация атомов
электронными ударами. Возбуждение и ионизация молекул электронными
ударами. Передача возбуждения при атом-атомных
столкновениях. Передача возбуждения при атом-молекулярных
столкновениях. Электрон-ионная и ион-ионная рекомбинация
. Химические процессы |
| 3.8. | Элементы физической кинетики. Релаксационные процессы |
| | Релаксационные процессы. Релаксационные процессы и взаимодействия
частиц. Принцип детального равновесия. Кинетические
уравнения. Кинетическое уравнение Больцмана
Приближение времени релаксации |
| 3.9. | Отрицательная температура |
| | Отрицательная температура как квантовый эффект. Переход из
области положительных температур в область отрицательных температур.
Энтропия и отрицательные температуры. Квантовые
системы с отрицательной температурой и классический термостат
. Обобщение понятия отрицательной температуры на случай неравновесных квантовых систем |
| Список литературы |
| ГЛАВА ЧЕТВЕР ТАЯ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ |
| 4.1. | Способы описания взаимодействия излучения с веществом |
| | От элементарных процессов к макроскопической картине взаимодействия
излучения с веществом. Классическое описание. Квантово-механическое
описание. Полуклассическое описание. Сопоставление
различных способов описания. Классический и
полуклассический подходы на примере задачи о поглощении излучения активными центрами |
| 4.2. | Макроописание оптических характеристик вещества . |
| | Оптические характеристики вещества. Оптические свойства диэлектриков
и металлов. Диэлектрическая восприимчивость среды
. Диэлектрическая восприимчивость и поглощаемая средой световая
мощность. Временная дисперсия диэлектрической восприимчивости.
Временная дисперсия и частота излучения. Пространственная дисперсия |
| 4.3. | Распространение световых волн в анизотропных средах (элементы кристаллооптики) |
| | Тензор диэлектрической проницаемости. Оптическая индикатриса
. Уравнения, описывающие распространение световых волн в анизотропной
среде. Специфика распространения световых волн в
анизотропной среде. Поверхности волновых векторов для одноосного
кристалла; обыкновенные и необыкновенные волны. Оптическая
индикатриса и поверхности волновых векторов. Двойное лучепреломление |
| 4.4. | Эффекты, позволяющие управлять оптическими характеристиками вещества |
| | Общие замечания. Электрооптика и магнитооптика. Электрооптический
эффект Керра. Электрооптический эффект Поккельса
. Фотоупругость. Магнитооптический эффект Фарадея.
Изменение оптических характеристик вещества под действием света
. Эффект динамического рассеяния света в жидких кристаллах
. Модуляция оптического излучения |
| 4.5. | Микроописание оптических характеристик вещества |
| | Модель классического электрона и дисперсия диэлектрической восприимчивости.
Локальное поле и учет поляризации среды
Модель классического электрона и магнитооптический эффект Фарадея.
Обобщение дисперсионной формулы на случай, когда электрон
рассматривается квантовомеханически; сила осциллятора
Квантовая теория рассеяния света и дисперсия диэлектрической восприимчивости |
| 4.6. | Спектры вещества. Люминесценция |
| | Спектры атомов. Спектры молекул. Спектры кристаллов
. Ионы с незаполненными внутренними оболочками. Температурные
эффекты. Влияние внешнего электрического поля на
спектры кристаллов. Люминесценция. Люминесценция и
спонтанное испускание |
| 4.7. | Форма спектральной линии |
| | Лоренцева форма линии. Эффект Допплера и гауссова форма линии.
Лоренцева и гауссова формы линий. Причины уширения
спектральных линий. Однородное и неоднородное уширения
. Спектральные коэффициенты Эйнштейна |
| 4.8. | Фотон-электронное взаимодействие в кристаллах |
| | Внешний фотоэффект. Внутренний фотоэффект. Квантовая
природа и специфика фотоэлектрических явлений в твердых телах
. Прямые и непрямые междузонные переходы. Структура
матричных элементов прямых и непрямых переходов. Квантовая
теория рассеяния света и непрямые переходы |
| Список литературы |
| ГЛАВА ПЯТАЯ. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ |
| 5.1. | Нелинейная оптика |
| | О зависимости свойств среды от интенсивности проходящего сквозь нее
оптического излучения. Линейная оптика и нелинейная оптика
. Упрощения, используемые при рассмотрении материальных
уравнений. Нелинейно-оптические явления. Нелинейно-оптические
явления и многофотонные процессы. Специфика нелинейных
явлений в оптическом диапазоне. Нелинейная оптика и электрооптика |
| 5.2. | Нелинейные среды и нелинейная поляризация |
| | Нелинейные среды. Статическая" и переменная нелинейные поляризации
в скалярном рассмотрении. Статическая нелинейная поляризация.
Гармоники нелинейной поляризации. Взаимодействие
монохроматических волн. Модель классического электрона
и нелинейные восприимчивости. Нелинейные восприимчивости различных сред |
| 5.3. | Условия преобразования света в свет в когерентных процессах |
| | Когерентные и некогерентные процессы. Пространственное накопление
нелинейно-оптических явлений на примере генерации второй
гармоники; когерентная длина. Условие волнового синхронизма
. Волновой синхронизм в изотропных и анизотропных средах
Параметрическая генерация света и волновой синхронизм. Роль
когерентности оптического излучения. Принцип работы параметрического генератора света |
| 5.4. | Взаимодействие световых волн с коллективными движениями в среде |
| | Обобщение представления о когерентных процессах. Вынужденное
рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. ВРМБ и электрострикция
. Взаимодействие световой волны с молекулой. О гамильтониане
взаимодействия фотонов с фононами. Общие замечания о
вынужденном рассеянии света |
| 5.5. | Самофокусировка света |
| | Изменение показателя преломления в поле световой волны и самофокусировка
света. Нелинейная рефракция и дифракция световой волны;
пороговая мощность. Наблюдаемый эффект самофокусировки света |
| 5.6. | Генерация лазерного излучения |
| | Активная среда лазера. Зависимость заселенностей рабочих уровней
от плотности потока излучения. Эффект насыщения.
Зависимость плотности потока от пути, пройденного в усиливающей среде.
Переход из режима усиления в режим генерации; роль оптического резонатора.
Принцип квантового усиления и осуществление
обратной связи в лазере. Условие стационарной генерации
Мощность лазерного излучения. Лазер с оптической накачкой и
параметрический генератор света |
| 5.7. | Нелинейные эффекты при распространении в среде мощных световых импульсов |
| | Источники нелинейности. Продольная и поперечная релаксации
. "Некогерентное" и "когерентное" взаимодействие импульса со
средой. Усиливающие среды. Поглощающие среды |
| Список литературы |
| Историческая справка |
В последние годы неуклонно растет интерес
к вопросам, рассматриваемым квантовой электроникой оптического
диапазона, что связано с бурным развитием лазерной
техники и когерентной оптики, проникновением лазеров
в самые различные области: вычислительную технику
и кибернетику, биологию и медицину, связь и локацию,
измерительную технику, военное дело, различные технологические
процессы и т.д.
Специфической особенностью квантовой электроники
является исключительное богатство ее физического содержания.
Квантовая электроника возникла на стыке многих
физических наук; ее физический "фундамент" включает
в себя квантовую механику, квантовую электродинамику,
физическую оптику, атомную и молекулярную физику,
физику твердого тела, статистическую физику и физическую
кинетику. Насколько внешне проста принципиальная схема
лазера, настолько внутренне сложна картина физических
явлений, лежащая в основе этой схемы. Лазер хорошо демонстрирует
характерную черту современного научно-технического
прогресса: упрощение конструкций с одновременным
усложнением их физического "содержания".
Современный инженер по лазерной технике должен
обладать широким физическим кругозором. Особенно важен
физический кругозор для инженеров-исследователей,
призванных прокладывать новые пути в развитии лазеров,
осваивать новые применения этих удивительных приборов.
Не будет преувеличением утверждение, что именно в квантовой
электронике крайне существенна роль фундаментальных
физических и математических исследований, о важности
которых говорилось в решениях XXIV и XXV
съездов КПСС.
Физические основы квантовой электроники с разной
степенью полноты и систематичности, на разном уровне
излагались во многих книгах, посвященных квантовой
электронике, лазерам, лазерной технике, а также в различных
курсах общей и теоретической физики (большинство
этих книг указано ниже – в списках литературы). Представляется
целесообразным собрать в пределах одной книги
пo возможности полный круг вопросов, относящихся к физическим
основам квантовой электроники. Именно такая
попытка (в рамках оптического диапазона) и была предпринята
при написании данной книги. При этом автор стремился
дать достаточно систематическую и информативно насыщенную
картину физических основ квантовой электроники
оптического диапазона; показать разные подходы
и приближения, разные способы описания; снабдить читателя
информацией, которая помогла бы ему в дальнейшем
пользоваться специальной литературой (монографиями,
статьями и т.д.); не пренебрегая математической стороной
вопросов, сделать основной акцент на физике явлений.
Автор ориентировался на широкий круг читателей и прежде
всего на студентов старших курсов и инженеров, работающих
в области лазерной техники, когерентной и нелинейной
оптики. Книга имеет учебный характер; она может
быть использована как учебное пособие.
Автор заранее признателен читателям за любые замечания
и пожелания по данной книге. Он просит присылать
их по адресу: Москва Ж-28, Б.Вузовский пер, д.3/12,
МИЭМ, кафедра электронных приборов.
Физические основы квантовой электроники оптического
диапазона – это вопросы взаимодействия оптического излучения
с веществом. Данная книга состоит из пяти глав;
они вполне самостоятельны и вместе с тем входят в единую
логическую схему. В первой главе рассмотрено оптическое
излучение в отсутствие вещества. Во второй главе рассмотрено
взаимодействие излучения с веществом, но пока только
на уровне элементарных процессов; вещество "представлено"
здесь простейшим образом – в виде связанного электрона.
В третьей главе рассмотрен круг вопросов физики
вещества, необходимых для последующего изложения и,
кроме того, представляющих самостоятельный интерес
для лиц, занимающихся квантовой электроникой (энергетические
состояния вещества, квазичастицы, неоптические
переходы, элементы физической кинетики). В четвертой
главе рассмотрены отдельные стороны общей картины взаимодействия
оптического излучения с веществом. При этом
специфические для квантовой электроники нелинейно-оптические
явления выделены в пятую главу. В заключение
дана историческая справка, кратко отражающая развитие
основных идей квантовой электроники.
Физические основы квантовой электроники – первый
(начальный) этап в рассмотрении необычайно широкого
круга вопросов, которые сегодня принято включать в рамки
квантовой электроники. Освоение физических основ поможет
перейти к следующему этапу, который мог бы быть
назван физикой процессов в лазерах или генерацией оптического
излучения. Эти вопросы должны, очевидно, составлять
содержание отдельной книги.
В заключение автор выражает свою исключительную
признательность заслуженному деятелю науки и техники
РСФСР профессору В.А.Дьякову и д-ру техн. наук проф.
С.А.Зусмановскому за их постоянный интерес к работе
автора над книгой и многочисленные полезные советы.
Автор глубоко признателен заслуженному деятелю науки
и техники РСФСР проф, Н.В.Зернову, д-ру техн. наук
В.В.Никитину, канд. физ. мат. наук И.А.Полуэктову,
которые прочитали рукопись книги и сделали ряд весьма
ценных замечаний. Автор особо благодарен А.Н.Тарасовой
за помощь в подготовке рукописи.
Родился в 1934 году. Окончил Московский инженерно-физический институт в 1958 г. по специальности
"Теоретическая ядерная физика". Кандидат физико-математических наук (1968),
доцент (1969), профессор (1983). В 1989–1992 гг. – заведующий кафедрой методики
преподавания предметов естественно-математического цикла в Московском институте
повышения квалификации работников образования; в 1992-1998 гг. – заведующий
кафедрой физики в Московском государственном открытом педагогическом университете.
В 1994 г. награжден значком "Отличник народного просвещения"
за разработку новой модели общеобразовательной школы "Экология и диалектика"
и научное руководство межгосударственным педагогическим экспериментом
по практической отработке этой модели.
