10.2.     Физические основы работы квантовых приборов оптического диапазона

В отличие от электронных приборов, в которых для усиления или генерации электромагнитного поля используется энергия свободных носителей зарядов, в квантовых приборах используется, как правило, внутренняя энергия микрочастиц (энергия атомов, ионов, молекул). При этом сами микрочастицы могут находиться в движении. Исключением является полупроводниковый лазер, в котором используются потоки свободных носителей заряда, однако излучение света связано с квантовыми эффектами (излучательная рекомбинация).Электроны, входящие в состав микрочастиц, называются связанными.

Как известно, энергия свободной частицы может принимать любые значения. Квантовая система, состоящая из микрочастиц, электронов, ядер, атомов и т. д., отличается тем, что ее внутренняя энергия, т. е. энергия, не связанная с движением системы как целого, может принимать только дискретные значения. Возможные дискретные значения энергии называют энергетическими уровнями.

Рис. 10.1. Система уровней  энергии

 В свободных атомах квантуется энергия электронов и имеется система  энергетических  уровней  электронов,  или система  электронных уровней атома. Наблюдаются следующие движения частиц: движение электронов в атоме, колебания атомов в молекуле, вращение и поступательное движение молекул. Энергия трех видов  движения, кроме поступательного,   квантуется. Квантование энергии приводит    к образованию сложной системы энергетических   уровней, показанной на рис. 10.1. Основой    системы являются электронные уровни ЭУ, отстоящие друг   от друга на 1—10 эВ. Между электронными уровнями располагаются колебательные уровни КУ с расстоянием примерно 0,1  эВ,  а между    колебательными уровнями находятся вращательные уровни ВУ с интервалом 10^-3 эВ и менее. Переходы между электронными уровнями соответствуют излучению в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, между колебательными уровнями — инфракрасному, а между вращательными — СВЧ диапазону.