Электроника что изучает – Специальность Электроника и наноэлектроника бакалавриат — Учёба.ру

Содержание

Электроника (наука) — это… Что такое Электроника (наука)?

  • Электроника — получить на Академике актуальный промокод на скидку Эльдорадо или выгодно электроника купить с дисконтом на распродаже в Эльдорадо

  • Электроника МС 0511 — Тип Учебный компьютер Выпущен 1987 Выпускался по …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОНИКА — ЭЛЕКТРОНИКА, наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи, хранения …   Современная энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОНИКА — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи, обработки и… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Электроника — ЭЛЕКТРОНИКА, наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи, хранения …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • Электроника (значения) — Электроника: В Викисловаре есть статья «электроника» Электроника  наука о взаимодействии …   Википедия

  • НАУКА — особый вид познавательной деятельности, направленный на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний о мире. Взаимодействует с др. видами познавательной деятельности: обыденным, художественным, религиозным, мифологическим …   Философская энциклопедия

  • Электроника —         наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки… …   Большая советская энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОНИКА — ЭЛЕКТРОНИКА, и, ж. Наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • ЭЛЕКТРОНИКА — наука о взаимодействии заряж. частиц (электронов, ионов) с электромагн. полями и методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в осн. для передачи, обработки и хранения информации.… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ЭЛЕКТРОНИКА — наука о взаимодействии заряж. частиц (электронов, ионов) с эл. магн. полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в осн. для передачи, обработки и хранения информации.… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Электроника — это… Что такое Электроника?

    Различные электронные компоненты

    Электро́ника (от греч. Ηλεκτρόνιο — электрон) — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации.[1]

    История

    Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника. Её развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров, которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны.

    Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы.

    Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров. Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки, а затем и микросхемы. Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует также появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.

    Основными вехами в развитии электроники можно считать:

    • изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников,
    • изобретение Ли де Форестом лампового триода, первого усилительного элемента,
    • использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
    • развитие твёрдотельной электроники,
    • использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе, Шотки),
    • изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
    • создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.

    Области электроники

    Можно различать следующие области электроники:

    • физика (микромира, полупроводников, электромагнтитых волн, магнетизма, электрического тока и др.) — область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами,
    • бытовая электроника — бытовые электронные приборы и устройства, в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны.(Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита,.. и др.).
    • Энергетика выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электро приборы высокой мощности (например электродвигатель, электрическая лампа, электростанция), электрическая система отопления,Линия Электропередачи.
    • Микроэлектроника — электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы:
      • оптоэлектроника — устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
      • звуко-видео-техника — устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
      • цифровая микроэлектроника — устройства на микропроцесорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор, компьютер, цифровой телевизор, мобильный телефон, принтер, робот, панель управления промышленным оборудованием, средствами транстпорта, и другие бытовые и промышленные устройства.

    Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическую цепь.

    Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.

    Твердотельная электроника

    История твердотельной электроники

    Термин Твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твердом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX столетия этот термин потерял свое значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

    Миниатюризация устройств

    С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

    Технология получения элементов

    Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определенных координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий еще лежат в сейфах патентообладателей и ждут. Технология получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров стали называть нанотехнология, а раздел электроники — микроэлектроника.

    В семидесятые годы, XX столетия в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI столетии производство и эволюция аналоговой электроники практически была остановлена. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от нее, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах. Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.

    В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника еще способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров и поэтому технология изготовления микрочипов называется нанотехнологией. Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/»дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.


    Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:

    • Диод проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду используется для выпрямления переменного тока;
    • Диод прибор с относительно стабильным пороговыми напряжениями анод-катод — стабилизатор напряжения, ограничитель напряжения;
    • Диод прибор с нелинейной зависимостью ток-напряжение как усилитель или генератор СВЧ электрических сигналов: туннельный диод, лавинно-пролетный диод, диод Ганна, диод Шотки;
    • Биполярные транзисторы — транзисторы с двумя физическими p-n-переходами, ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
    • Полевой транзистор — транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциала на нем в транзисторах без физического перехода — с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
    • Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры, используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
    • Интегральная микросхема — комбинация активных и пассивных твердотельных

    элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.

    Примеры использования твердотельных приборов в электронике:

    • Умножитель напряжения на выпрямительном диоде;
    • Умножитель частоты на нелинейном диоде;
    • Эмиттерный повторитель (напряжения)на биполярном транзисторе;
    • Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе;
    • Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах;
    • Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике;
    • Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шотки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока;
    • Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах;
    • Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения;
    • Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора;
    • Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде;
    • Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде;
    • Светоприемный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде;
    • Светоприемный элемент в солярных панелях солярных электростанций;
    • Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме Усилитель мощности в выходных каскадах усилителй мощности сигналов, переменного и постоянного тока;
    • Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники;
    • Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти;
    • Усилитель высоких частот на диоде;
    • Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора;
    • Процессор аналоговых сигналов на тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях;
    • Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
    • Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
    • Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
    • Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шотки;

    Надёжность электронных устройств

    Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

    См. также

    Примечания

    Литература

    Электронные компоненты

     

    Теоретические основы электроники

    Электроника – наука, изучающая взаимодействие с электромагнитными полями заряженных частиц, а также разрабатывающая методы разработки электронных устройств и приборов. Электроника вносит в жизнь людей изменения более существенные, нежели какая-либо другая техническая отрасль. Радиоприемники, аудио-видео техника, телевизоры, компьютеры – вся эта электронная техника увидела свет за счет развития электроники.

    Электронные устройства и различные приборы, создаваемые на основе электроники, широко применяются в измерительной и вычислительной технике, в системах автоматики и связи, во множестве других полезных устройств.

    Электроника – это отрасль современной науки и техники, которая сегодня развивается особенно бурно. Она помогает изучать физическую природу и активизировать практическое использование разнообразных электронных устройств и приборов. Успех электроники в значительной мере стимулировало развитие радиотехники.

    Сегодня радиоэлектроника является системным комплексом, в который объединены сферы науки и техники, сопряженные с необходимостью выработки инновационных решений проблем приема/передачи и преобразования информации посредством электромагнитных волн и колебаний в оптическом и радиодиапазоне частот.

    Основными компонентами радиотехнических устройств являются электронные приборы, определяющие важнейшие параметры и характеристики работы радиоаппаратуры.

    В то же время в процессе поиска оптимальных решений многих проблем радиотехники были разработаны новые и усовершенствованы действующие электронные приборы, которые широко используются в таких сферах, как телевидение и радиосвязь, звукозапись и звуковоспроизведение, радионавигация и радиолокация, радиоизмерения и множестве других областей радиотехники.

    Нынешний этап в развитии электронной техники характеризует все более активное проникновение электроники во все области деятельности человечества.

    Инновации в сфере электроники обуславливают успехи в решении сложнейших научно–прикладных технических задач, повышении эффективности научных разработок, создании принципиально новых видов оборудования, машин и систем управления, получении имеющих уникальные свойства материалов, совершенствовании процесса получения и обработки информационных данных. Охватывая широчайший круг проблем научно–технического и производственного характера, электроника базируется на достижениях во множестве областей знаний.

    При этом электроника, во-первых, осуществляет постановку задач перед другими сферами науками и производства, обуславливая их дальнейшее поступательное развитие, а во-вторых, обеспечивает их множеством качественно новых технических средств и методов исследования.

    Сегодня практически в каждой квартире или доме можно видеть различную компьютерную и электронно-вычислительную технику.

    Наша повседневная жизнь становится намного более насыщенной и динамичной именно благодаря электронике, развитие и применение которой открывает невиданные перспективы в реализации поставленных целей.

    Сейчас уже никого не удивить СВЧ-печью, мощным пылесосом, реагирующими на голос приборами освещения, сигнализации и оповещения, широкоэкранными LCD и плазменными телевизионными панелями, многофункциональной бытовой техникой, объединяющей в себе множество устройств самого различного назначения.

    Все эти достижения в сфере электроники – достояние человечества, которое использует их с пользой для себя и планеты.

    Разработка и применение инновационных технологий позволили людям достичь принципиально новых рубежей в развитии научно-технического прогресса. Электроника – залог процветания, как в настоящее время, так и в будущем. Пройдет совсем немного времени, и на службу обществу придут такие новинки электронной техники, как вычислительные устройства нового поколения, «умная» мультимедийная техника, электромобили и многое другое.

    Что изучает Электроника

    Электроника занимается изучением принципов действия, характеристик, параметров, моделей и особенностей использования полупроводниковых и электровакуумных приборов.

    Характеристика — зависимость одной величины от другой.

    Параметр — некая величина в числовом выражении.

    Модель — аналогичное устройство, более удобное для изучения.

    Получаемые знания необходимы при разработке, ремонте и эксплуатации электронных устройств звуко-и видеотехники, а также являются основой для дальнейшего изучения специальных дисциплин.

    Электронные приборы применяются как элементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие разборке и ремонту. В основе их функционирования лежат процессы, происходящие при непосредственном участии электронов. Электронные приборы можно разделить на полупроводниковые (твердотельные) и электровакуумные. Электровакуумные приборы делятся на электронные (движение электронов в вакууме) и ионные, или газоразрядные (электрические разряды в газе или паре).

    Микроэлектроника — раздел электроники, занимающийся разработкой, исследованием и изучением принципов работы интегральных микросхем (ИМС).

     

    Полупроводниками называются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по удельной электропроводности.

    Полупроводники могут быть элементами (Si, Ge и др.) и соединениями (GaAs).

    Полупроводники являются кристаллическими веществами, то есть имеют кристаллическую решётку, атомы в которой связаны ковалентными связями. Эти связи образуются за счёт валентных электронов (электронов, находящихся на внешней оболочке ядра).

    ► Процесс возникновения пары «свободный электрон — дырка» называется генерацией. Обратный процесс — рекомбинацией.

    ΔW = WП -WВ — ширина запрещённой зоны.

    ► Зона образуется электронами, имеющими близкие значения энергии.

    Для проводника ΔW =0.

    Для диэлектрика ΔW >4 эВ.

    У полупроводников ΔW <4 эВ. ΔWsi = 1,1 эВ, ΔWGe = 0,7 эВ.

    Проводимость полупроводников сильно зависит от внешних воздействий. Может быть определена по формуле

    где e — элементарный заряд, n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок. μ подвижность.

    где — средняя скорость движения, Е — напряжённость поля, вызвавшего это движение.

    ► Полупроводники без примесей называются собственными.

    При увеличении температуры на 10°C проводимость возрастает в два-три раза.

     

    Собственные полупроводники применяются крайне редко. В боль-шинстве полупроводниковых приборов применяются примесные по-лупроводники. Для полупроводников четвёртой группы системы Менделеева (Si, Ge) в качестве примесей применяются элементы третьей группы (Al, B, In) или пятой группы (As, Sb, P).

     



    Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 1263;


    Похожие статьи:

    Твердотельная электроника — Википедия

    Материал из Википедии — свободной энциклопедии

    Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 января 2016; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 января 2016; проверки требует 1 правка.

    Твердоте́льная электро́ника — раздел электроники, в основном связанный с полупроводниковой электроникой[1][2]. Термин появился в середине XX века вместе с устройствами на основе полупроводников (транзисторов и полупроводниковых диодов), которые пришли на смену радиолампам[3]. Название означает, что управление электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника, а не вакууме электронной лампы.

    Твердотельная электроника изучает физические принципы работы, функциональные возможности электронных приборов, в которых движение электронов или иных носителей заряда, обуславливающих электрический ток, происходит в объёме твёрдого тела. Термин «твердотельные приборы» подчеркивает отличие этих приборов от электровакуумных, газоразрядных, жидкоэлектролитных, иных электронных приборов. Также не считаются твердотельными различные электромеханические приборы и устройства такие как реле, переключатели, исполнительные механизмы. Условно к твердотельным приборам можно отнести пьезоэлектрические приборы (например, кварцевые резонаторы, фильтры на поверхностных акустических волнах), приборы, использующие ферромагнитные свойства материалов, например, накопители на магнитных дисках, цилиндрических магнитных доменах, так как в этих материалах не происходит упорядоченное движение электрических зарядов.

    Также твердотельная электроника изучает принципы конструирования электронных устройств, построенных на твердотельных приборах.

    Основные твердотельные приборы, используемые в электронных устройствах[править | править код]

    Полупроводниковые диоды[править | править код]

    Наиболее обширный по различным функциям и областям применения класс полупроводниковых приборов:

    Другие твердотельные двухвыводные приборы[править | править код]

    Трехвыводные приборы и др.[править | править код]

    Используются для усиления, переключения, коммутации, генерации сигналов, как фотоприёмники:

    • Биполярные транзисторы.
    • Полевые транзисторы.
    • Двухбазовые диоды.
    • Тиристоры, симисторы.
    • Фоточувствительные транзисторы.
    • Датчики Холла.

    Интегральные микросхемы[править | править код]

    Обширнейший класс полупроводниковых приборов, у которых в толще полупроводникового материала сформирована некоторая электронная схема, включающая элементарные диоды, транзисторы, резисторы и др. Условно разделяют на:

    Разделение на цифровые и аналоговые микросхемы условно, часто микросхемы имеют как аналоговые, так и цифровые узлы.

    • Колесников В. Г. и др. Электроника. Энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1991. — С. 7-8, 528—530. — 688 с. — ISBN 5852700622. (словарь последовательно использует букву ё)
    • Гаман В. И. Физика полупроводниковых приборов. — Томск: Изд-во научно-технической литературы, 2000 г. — 458 с.
    • Гуртов В. А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. — М., 2005. — 492 с.

    Значение слова ЭЛЕКТРОНИКА. Что такое ЭЛЕКТРОНИКА?

    • ЭЛЕКТРО́НИКА, -и, ж. Наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств.

    Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

    • электроника

      1. собир. совокупность электронных устройств и приборов, а также отрасль, занимающаяся их разработкой и производством

      2. наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитным полем и об использовании электрических устройств

    Источник: Викисловарь

    Делаем Карту слов лучше вместе

    Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

    Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.

    Насколько понятно значение слова воздвигаться (глагол), воздвигались:

    Кристально
    понятно

    Понятно
    в общих чертах

    Могу только
    догадываться

    Понятия не имею,
    что это

    Другое
    Пропустить

    Квантовая электроника — Википедия

    Квантовая электроника — область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойства получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения в электронных приборах.

    Физические основы квантовой электроники[править | править код]

    С точки зрения классической электроники генерация электромагнитного излучения осуществляется за счёт кинетической энергии свободных электронов, согласованно движущихся в колебательном контуре. В соответствии с представлениями квантовой электроники энергия излучения берётся из внутренней энергии квантовых систем (атомов, молекул, ионов), высвобождаемой при излучательных переходах между её уровнями энергии. Излучательные переходы бывают двух видов — спонтанное излучение и вынужденное излучение. При спонтанном излучении возбуждённая система самопроизвольно, без внешних воздействий испускает фотон, характеристики которого (частота, поляризация, направление распространения) никоим образом не связаны с характеристиками фотонов, испускаемых другими частицами. Принципиально иная ситуация наблюдается при вынужденном испускании фотона под воздействием внешнего излучения той же частоты. При этом образуется фотон с точно теми же свойствами, что и у фотонов, вызвавших его появление, то есть формируется когерентное излучение. Наконец, имеет место процесс поглощения фотонов из внешнего излучения, противоположный вынужденному испусканию.

    Обычно поглощение преобладает над вынужденным излучением. Если бы можно было добиться обратной ситуации, в веществе произошло бы усиление исходной внешней (вынуждающей) волны. Рассмотрим переходы между уровнями энергии Ei{\displaystyle E_{i}} и Ek{\displaystyle E_{k}}, характеризуемые частотой ν{\displaystyle \nu }, так что hν=Ei−Ek{\displaystyle h\nu =E_{i}-E_{k}^{}} (h{\displaystyle h} — постоянная Планка). Вероятности переходов определяются через т. наз. коэффициенты Эйнштейна A{\displaystyle A} и B{\displaystyle B}:

    • для спонтанных переходов wiks=Aik{\displaystyle w_{ik}^{s}=A_{ik}},
    • для поглощения wki=Bkiρν{\displaystyle w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}},
    • для вынужденного излучения wik=Bikρν{\displaystyle w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}} (ρν{\displaystyle \rho _{\nu }^{}} — спектральная объёмная плотность энергии).

    При этом Aik=8πhν3c3Bik{\displaystyle A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}}, Bki=Bik=32π33dik2h3{\displaystyle B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}} (уровни считаются невырожденными). Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населённостей уровней:

    (ni−nk)hνBikρν{\displaystyle (n_{i}-n_{k})h\nu B_{ik}\rho _{\nu }^{}}.

    В состоянии термодинамического равновесия населённости подчиняются распределению Больцмана, так что

    ni=nkexp⁡(−hν/kT)<nk{\displaystyle n_{i}=n_{k}\exp {(-h\nu /kT)}<n_{k}^{}},

    поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие ni>nk{\displaystyle n_{i}>n_{k}^{}}, то есть система оказалась в неравновесном состоянии. Такую ситуацию, когда населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, называют инверсией населённостей, или системой с отрицательной температурой. Это состояние системы характеризуется отрицательным значением показателя поглощения, то есть происходит усиление электромагнитной волны.

    Создать инверсию населённостей можно лишь затратив энергию — так называемую энергию накачки. Среда с инверсией населённостей называется активной. Таким образом, в активной среде можно получить когерентное усиление излучения. Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо поместить среду в систему положительной обратной связи, возвращающей часть излучения назад в среду. Для создания обратной связи используются объёмные и открытые резонаторы. Наконец, для создания устойчивой генерации необходимо превышение энергии вынужденного излучения над потерями энергии (рассеяние, нагрев среды, полезное излучение), что приводит к требованию превышения мощности накачки определённого порогового значения.

    Надо отметить, что феменологическая теория Эйнштейна была построена для случая, когда излучатель находится в свободном пространстве и который излучает в бесконечное число мод пространства. При размещении излучателя в пространство с ограниченным числом мод коэффициенты Эйнштейна Aik,Bik{\displaystyle A_{ik},B_{ik}} меняются, см. статью о Пёрселл-факторе

    Предпосылки[править | править код]

    Представление о вынужденном излучении было введено А. Эйнштейном в 1917 году на основе термодинамических соображений и было использовано для получения формулы Планка. В 1940 году В. А. Фабрикант предложил использовать вынужденное испускание для усиления света, однако в то время эта идея не была оценена. Важным непосредственным предшественником квантовой электроники стала радиоспектроскопия, давшая многие экспериментальные методы для работы с молекулярными и атомными пучками (И. Раби, 1937) и поставившая задачу создания квантовых стандартов частоты и времени. Следует отметить также ставшее важным этапом открытие в 1944 году Е. К. Завойским электронного парамагнитного резонанса.

    Мазеры[править | править код]

    Датой рождения квантовой электроники можно считать 1954 год, когда Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в СССР и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и Ч. Таунс (C. H. Townes) в США создали первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака. Генерация в нём осуществляется на длине волны 1,25 см, соответствующей переходам между состояниями молекул с зеркально симметричной структурой. Инверсия населённостей достигается за счёт пространственного разделения возбуждённых и невозбуждённых молекул в сильно неоднородном электрическом поле (см. эффект Штарка). Отсортированный молекулярный пучок пропускается через объёмный резонатор, служащий для осуществления обратной связи. Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты Δν/ν≈10−11−10−13{\displaystyle \Delta \nu /\nu \approx 10^{-11}-10^{-13}}, что позволяет создавать сверхточные часы.

    Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 году Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым метод трёх уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957—1958 годах Г. Э. Д. Сковилом (H. E. D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на рубине), работавшие в радиодиапазоне.

    Лазеры[править | править код]

    Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея А. М. Прохорова об использовании открытых резонаторов (системы параллельных зеркал, как в резонаторе Фабри-Перо), крайне удобных для осуществления накачки. Первый лазер на кристалле рубина, дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан Т. Майманом (Th. Maiman) в 1960 году. Оптическая накачка в нём реализуется при помощи импульсных газоразрядных ламп. Рубиновый лазер был первым твердотельным, также выделяются лазеры на неодимовом стекле и на кристаллах граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм). Твердотельные лазеры позволили получить генерацию мощных коротких (10−9{\displaystyle 10^{-9}} с) и сверхкоротких (10−12{\displaystyle 10^{-12}} с) импульсов света в схемах модуляции добротности и синхронизации мод резонатора.

    Вскоре А. Джаван (A. Javan) создал первый газовый лазер на смеси атомов гелия и неона (длина волны 0,6328 мкм). Накачка в нём осуществляется электронным ударом в газовом разряде и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае — гелия) основному (неону). Среди других типов газовых лазеров выделяются мощные лазеры на углекислом газе (длина волны 10,6 мкм, вспомогательные газы — азот и гелий), аргоновые лазеры (0,4880 и 0,5145 мкм), кадмиевый лазер (0,4416 и 0,3250 мкм), лазер на парах меди, эксимерные лазеры (накачка за счёт распада молекул в основном состоянии), химические лазеры (накачка за счёт химических реакций, например, цепной реакции соединения фтора с водородом).

    В 1958 году Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов заложили основы теории полупроводниковых лазеров, а уже в 1962 году был создан первый инжекционный лазер [Р. Холл (R. N. Hall), У. Думке (W. L. Dumke) и др.] Интерес к ним обусловлен простотой в изготовлении, высоким КПД и возможностью плавной перестройки частоты в широком диапазоне (длина волны излучения определяется шириной запрещённой зоны). Существенным результатом является также создание в 1968 году лазеров на полупроводниковых гетероструктурах.

    В конце 1960-х были разработаны и созданы лазеры на молекулах органических красителей, обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов (призмы, дифракционная решётка). Набор из нескольких красителей позволяет охватить весь оптический диапазон.

    • Мазеры позволили улучшить чувствительность и стабильность работы радиоустройств, что нашло применение в радиоастрономии (открытие реликтового излучения и межзвёздного водорода) и космической связи.
    • Лазеры позволили достичь напряжённостей электрического поля, сравнимых с внутриатомными, при которых свойства вещества начинают зависеть от интенсивности световой волны: проявляются эффекты нелинейной оптики. Они позволяют исследовать вещество и управлять характеристиками светового пучка (многофотонные процессы, явления насыщения и резонансного просветления, генерация гармоник, суммарной и разностной частоты, параметрическая генерация света, явления самофокусировки, вынужденное рассеяние света и т. д.)
    • Лазеры используются для создания и управления высокотемпературной плазмы, в том числе для целей термоядерного синтеза.
    • Квантовая электроника привела к существенному повышению разрешения спектроскопических систем (лазерная спектроскопия).
    • Монохроматичность лазерного излучения даёт возможность селективного воздействия на вещество, что находит применение в фотохимии и фотобиологии, лазерной очистке и лазерном разделении изотопов.
    • Использование квантовой электроники в метрологии для создания квантовых стандартов частоты и времени, лазерных дальномеров, систем дистанционного химического анализа, лазерной локации.
    • Лазеры широко используются в системах оптической связи и обработки информации, в которых сочетаются принципы волоконной и интегральной оптики.
    • Высокая степень когерентности лазерных источников позволила осуществить идею голографии и голографических приборов.
    • Лазеры находят множество применений в медицине (хирургия, офтальмология и т. д.) и технологии (сварка, резка и т. д.).

    Общие сведения и научно-популярная литература[править | править код]

    • Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1969.
    • А. Пекара. Новый облик оптики. — М.: Советское радио, 1973.
    • Н. В. Карлов. Квантовая электроника. // Физика микромира: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1980. — С. 200—217.
    • М. Е. Жаботинский. Квантовая электроника. // Физическая энциклопедия. — Т. 2 — М.: СЭ, 1990. — С. 319—320.

    Монографии[править | править код]

    • Н. В. Карлов, А. А. Маненков. Квантовые усилители. — М.: 1966.
    • Н. Бломберген. Нелинейная оптика. — М.: 1966.
    • В. В. Григорьянц, М. Е. Жаботинский, В. Ф. Золин. Квантовые стандарты частоты. — М.: 1968
    • Р. Пантел, Г. Путхоф. Основы квантовой электроники. — М.: Мир, 1972.
    • Ф. Цернике, Дж. Мидвинтер. Прикладная нелинейная оптика. — М.: Мир, 1976.
    • А. Ярив. Квантовая электроника. — М.: Советское радио, 1980.
    • С. А. Ахманов, Н. И. Коротеев. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. — М.: 1981.
    • О. Звелто. Принципы лазеров. — М.: Мир, 1984.
    • И. Р. Шен. Принципы нелинейной оптики. — М.: 1989.

    Статьи[править | править код]

    • А. М. Прохоров, Н. Г. Басов. Молекулярный генератор и усилитель // УФН. — 1955. — Т. 57, № 3. — С. 485—501.
    • А. М. Прохоров. Квантовая электроника // УФН. — 1965. — Т. 85, № 4. — С. 599—604.
    • А. Шавлов. Современные оптические квантовые генераторы // УФН. — 1963. — Т. 81, № 12.
    • Н. Г. Басов. Полупроводниковые квантовые генераторы // УФН. — 1965. — Т. 85, № 4.
    • Ч. Таунс. Получение когерентного излучения с помощью атомов и молекул // УФН. — 1966. — Т. 88, № 3.
    • Ч. Таунс. Квантовая электроника и технический прогресс // УФН. — 1969. — Т. 98, № 5.
    • Н. В. Карлов, А. М. Прохоров. Лазерное разделение изотопов // УФН. — 1976. — Т. 118, № 4. — С. 583—609.
    • А. М. Прохоров, Н. В. Карлов. Квантовая электроника и Эйнштейновская теория излучения // УФН. — 1979. — Т. 128, № 3.
    • А. М. Прохоров. К 25-летнему юбилею лазера // УФН. — 1986. — Т. 148, № 1.
    • А. А. Маненков. О роли электронного парамагнитного резонанса в становлении и развитии квантовой электроники: факты и комментарии // УФН. — 2006. — Т. 176, № 6.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *