История развитая квантовой электроники и оптоэлектроники

Квантовая электроника и оптоэлектроника достаточно молодые науки. Рассмотрим историю их возникновения и развития.

В 1917 г. А. Эйнштейн теоретически предсказал явление индуцированного излучения, на основе которого работают квантовые приборы. Годом возникновения квантовой электроники считают 1954 г. В этом году советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американские физики Ч. Таунс, Д. Гардон, Д. Вебер и Х. Цайгер предложили конкретную модель молекулярного генератора на пучке активных молекул, а затем построили действующие молекулярные генераторы. Через 10 лет, в 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову, и Ч. Таунсу за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили использовать для генерации и усиления электромагнитных волн переходы между тремя энергетическими уровнями. В 1956 г. американский физик Н. Бломберген развил эту идею применительно к твердым парамагнитным веществам, и уже в 1957 г. такой прибор был построен. Однако все перечисленные приборы работали пока только в СВЧ диапазоне длин волн. Приборы такого типа, т. е. квантовые приборы СВЧ, называются мазерами. Название происходит от сокращения до первых букв следующей английской фразы: «microwave amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе на русский язык означает «усиление микроволн (т.е. волн СВЧ) посредством индуцированного излучения» .

Квантовые приборы предназначенные для усиления или генерирования электромагнитных колебаний светового и близкого к нему диапазонов длин волн называются лазерами; слово это составлено из начальных букв той же английской фразы, первое слово в которой не microwave, а light — свет. Кроме лазеров есть еще иразерыусилители и генератора инфракрасного излучения, у которых =0,75 — 100 мкм (слово «иразер» произошло также от упомянутой английской фразы, в которой первое олово Infrared — инфракрасный). электроника квантовый индуцированный колебание Впервые теоретически доказали реальность возможности построения лазеров в 1958 г. А. Шавлов и Ч. Таунс (США), А. М. Прохоров (СССР), а в I960 г. американец Т. Майман создал первый импульсный лазер на рубине. В 1961 г. американцами А. Джаваном и Д. Сандерсом был изобретен первый газоразрядный лазер на смеси неона и гелия. Теоретические основы построения полупроводниковых лазеров были даны в, работе Н. Г. Басова, В. В. Крохина и Ю.M. Попова в I960 г., а в 1962 г, впервые был создан полупроводниковый лазер на p-n — переходе в арсениде галлия. В 1966 г. советскими физиками В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым была предложена идея создания газодинамических лазеров, дающих большую мощность непрерывного излучения. Позднее изобретены химические лазеры, а также жидкостные лазеры на органических красителях, в разработку которых большой вклад внесли исследования советских ученых под руководством Б. И. Степанова. Такова сравнительно короткая история квантовой электроники. Под оптоэлектроникой в наши дни понимают область науки и техники, связанную с разработкой и применением электронно-оптических устройств и систем для передачи с помощью светового луча, обработки, хранения и отображения информации. Обычно оптоэлектронный прибор содержит источник света (либо когерентного — лазер, либо некогерентного — светодиод), систему движения и управления лучом (световоды, линзы, призмы и т. д) и фотоприемник. Появление первых таких приборов в 1955 году было связано с тем, что оптическая передача информации является наиболее помехозащищенной. Хотя свечение в карбид-кремниевых детекторах, лежащее в основе работы светодиодов, впервые наблюдалось в 1921 году 0. В. Лосевым, инжекционная электролюминесценция, объясняющая это явление была открыта и начала широко излучаться в 1956 году, причем в 1962 году появились инфракрасные арсенидгалливые излучатели, а в 1964 году красные и зеленые светодиоды на основе фосфида индия. Производство и применение оптронов-приборов, объединяющих источник и приемник излучения, началось в 1966 году и значительно расширилось после того как в 1969 году академик Ж. И. Алферов с сотрудниками впервые создали полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой, способный с высоким КПД и при малых пусковых токах генерировать свет при комнатной температуре. (В 2000 году Ж. И. Алферов за эти работы получил Нобелевскую премию). В 1970 году началось практическое воплощение волоконно-оптической связи, и сформировались идеи так называемой интегральной оптики, которая использует движение и управлением светом в тонких пленках.

В наши дни квантовая электроника и оптоэлектроника достигли значительного уровня развития. Почти во всех странах мира ведутся работы по их использованию. Объясняется это не только тем, что с помощью квантовых приборов СВЧ можно существенно повысить чувствительность входных устройств СВЧ, добиться значительно большей стабильности частоты генераторов СВЧ, а также получить при использовании монохроматических колебаний светового диапазона длин волн большие интенсивность и направленность излучения, что находит широкое применение в локации, военной технике, медицине и в технологических процессах. Дело в том, что в наши дни устройства квантовой электроники и оптоэлектроники находят самое широкое применение в связных системах, в вычислительной технике, в устройствах приема и обработки информации, в робототехнике, в геодезии, в разделении изотопа и еще во многих направлениях развития современной науки и техники.