Аннотация
Квантовая радиофизика является одной из самых молодых областей физики. Тем не менее, в этой области уже достигнуты существенные результаты, имеющие большую практическую ценность. Радиотехника пополнилась целым рядом приборов, основанных на квантовых принципах и обладающих рекордными свойствами. Достаточно упомянуть молекулярный генератор с его высокой стабильностью и парамагнитный усилитель, достоинством которого является чрезвычайно низкий уровень собственных шумов. Создание оптических квантовых генераторов привело к настоящему перевороту в оптике.
В книге изложен ряд вопросов теории взаимодействия излучения с веществом, элементы теории квантовых усилителей и генераторов, а также дан обзор экспериментальных результатов. Книга в целом предполагает знакомство читателя с квантовой механикой в объеме университетского курса.
Она рассчитана на научных работников и инженеров, работающих в области квантовой радиофизики, а также на студентов старших курсов и аспирантов физических специальностей. Кроме того, книга представляет интерес для физиков и инженеров, работающих в смежных областях.
**
ПРЕДИСЛОВИЕ
Около десяти лет назад созданием молекулярного генератора ознаменовалось рождение новой самостоятельной области физики, известной сейчас под названием квантовой радиофизики. Эта область сразу привлекла к себе внимание большого числа исследователей, что обеспечило быстрый темп ее развития. К сегодняшнему дню уже накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал. В настоящей книге сделана попытка суммировать и в какой-то мере обобщить этот материал.
Мы стремились так излагать материал, чтобы, по возможности,, избавить читателя от необходимости обращаться все время к дополнительной литературе. Ссылки на литературу теоретического характера совершенно не претендуют на полноту, зато, цитируя экспериментальные работы, мы старались дать возможно более полный список, поскольку читателя могут интересовать детали, которые невозможно было отразить в книге.
Теоретические разделы книги отнюдь не сводятся к обзору существующих работ. Мы попытались осветить основные принципиальные результаты. Естественно, что несколько большее внимание уделено тем направлениям, в исследовании которых авторы сами принимали участие. Экспериментальный материал приводится в виде обзора, причем описание технических деталей рассматриваемых устройств занимает небольшое место.
Книга в целом рассчитана на читателя, знакомого с курсом теоретической физики (особенно с квантовой механикой) в университетском объеме. Следует отметить, что разные разделы книги отличаются различной степенью сложности излагаемого материала. Наименьшей подготовки требует от читателя чтение II части. Наиболее трудные параграфы выделены звездочкой.
В заключение укажем, что В. М. Файном написаны § 1—20, 22—40, 71; Я- И. Ханиным § 41—49, 51—59. По просьбе авторов § 21 был написан В. Н. Генкиным, § 50 — Э. Г. Ящиным, § 59, 60 — В. И. Талановым и § 61—70 — Е. Л. Розенбергом.
Мы благодарны проф. А. В. Гапонову и проф. В. Л. Гинзбургу, прочитавшим книгу в рукописи и сделавшим ряд полезных замечаний. Мы благодарны также за большую помощь, оказанную при чтении корректуры, А. П. Александрову, В. Н. Генкину, Г. М. Ген-кину, Н. Г. Голубевой, Г. Л. Гуревичу, Г. К. Ивановой, М. И. Хейфец, Ю. Г. Хронопуло, Е. И. Якубовичу и Э. Г. Ящину.
***
Оглавление
Предисловие 3
Введение 4
ЧАСТЬ I Теоретические основы
Глава I. Квантовая теория взаимодействия излучения с веществом 13
§ 1. Основные понятия квантовой теории 13
§ 2. Изменение квантового состояния во времени 24
§ 3. Квантовая теория полей в идеальных резонаторах, волноводах и в свободном пространстве .30
§ 4. Взаимодействие вещества с полем 45
§ 5. Нестационарная теория возмущений. Вероятность перехода в единицу времени 53
Глава II. Квантовая теория процессов релаксации 59
§ 6. Необратимые процессы (общие свойства) , . 61
§ 7*. Квантовое кинетическое уравнение в Г-пространстве ... 68
§ 8*. Кинетическое уравнение в ц-пространстве 82
§ 9. Принцип возрастания энтропии 88
§ 10. Описание флюктуаций с помощью кинетического уравнения 92
Глава III. Квантовые эффекты, возникающие при взаимодействии свободных электронов с высокочастотными полями в резонаторах 97
§ 11. Квантовая теория полей в реальных резонаторах 97
§ 12*. Квантовые эффекты, возникающие при взаимодействии электронов с полем в резонаторе [6, 7] 102
§ 13*. Эффекты, связанные с квантовым характером движения электрона. Выводы и оценки 110
Глава IV. Поведение квантовых систем в заданных полях 120
§ 14. Введение восприимчивости 120
§ 15. Соотношения симметрии для восприимчивости 125
§ 16. Дисперсионные соотношения 127
§ 17. Флюктуационно-диссипационная теорема 127
§ 18. Описание многоуровневых систем. Форма линии поглощения 130
§ 19. Описание двухуровневых систем 133
§ 20. Метод моментов. Спин-спиновая релаксация 144
§ 21. Кросс-релаксация 148
Глава V. Поведение квантовых систем в заданных полях (сильные поля) 156
§ 22. Нелинейные свойства среды 156
§ 23. Двухуровневые системы в сильном поле 169
§ 24. Трехуровневые системы 175
§ 25. Распределенные системы. Учет движения молекул 185
Глава VI. Спонтанное и индуцированное излучения 192
§ 26. Понятие о спонтанном и индуцированном излучениях 192
§ 27. Классическое рассмотрение [3] 194
§ 28. Квантовая теория спонтанного и индуцированного излучений (система двухуровневых молекул) 202
§ 29. Принцип соответствия 207
§ 30. Общее выражение для интенсивностей спонтанного и индуцированного излучений 211
Глава VII. Индуцированное и спонтанное излучения в свободном пространстве 217
§ 31. Когерентность при спонтанном излучении 217
§ 32. Уравнения баланса и уравнения движения 224
§ 33. Естественная ширина и сдвиг линии излучения 230
§ 34. Излучение системы, размеры которой намного больше длины волны 236
Глава VIII. Излучение в резонаторе 240
§ 35. Исходные уравнения 240
§ 36. Свободное движение (без внешнего поля) 244
§ 37. Индуцированное и спонтанное излучения в резонаторе . 251
Глава IX. Нелинейные эффекты в оптике 259
§ 38. Двухквантовые процессы. Комбинационное, индуцированное и спонтанное излучения [4] . 262
§ 39. Распространение параметрически связанных электромагнитных волн 275
§ 40. Распространение волн с учетом комбинационного индуцированного излучения [4] 288
ЧАСТЬ II Квантовые усилители и генераторы
Глава X. Квантовые парамагнитные усилители 297
§41. Уравнения движения парамагнетика, помещенного в высокочастотное поле 299
§ 42. Восприимчивость, форма линии парамагнитного резонанса 302
§ 43. Методы инверсии в двухуровневых парамагнитных веществах 309
§ 44. Теория двухуровневого усилителя резонаторного типа . . . 317
§ 45. Теория трехуровневого квантового усилителя резонаторного типа 324
§ 46. Четырехуровневые мазеры 336
§ 47. Практические сведения о резонаторных парамагнитных усилителях 341
§ 48. Многорезонаторные усилители и усилители с бегущей волной 350
§ 49. Нелинейные и нестационарные явления в усилителях 359
§ 50. Шумы в квантовых усилителях 365
Глава XI. Квантовые генераторы диапазона СВЧ 383
§ 51. Трехуровневый парамагнитный генератор 384
§ 52. Молекулярный генератор 392
§ 53. Двухуровневые квантовые генераторы на твердом теле .... 410
Глава XII. Лазеры 424
§ 54. Методы получения отрицательных температур 425
§ 55. Элементы теории лазеров 438
§ 56. Лазеры на твердом теле 452
§ 57. Кинетика процессов генерации в лазерах на твердом теле . . . 472
§ 58. Лазеры на газах 486
Приложение I. Резонаторы квантовых генераторов оптического диапазона 508
§ 59. Некоторые вопросы общей теории 508
§ 60. Расчет резонаторов со сферическими и плоскими зеркалами [4-9] 517
Приложение II. Спектры парамагнитных кристаллов 541
§ 61. Гамильтониан парамагнитного иона в кристалле 542
§ 62. Состояния свободного многоэлектронного атома 544
§ 63. Теория кристаллического поля 546
§ 64. Потенциал кристаллического поля 550
§ 65. Матричные элементы кристаллического поля 553
§ 66. Расщепление энергетических уровней одноэлектронного иона
в среднем кристаллическом поле кубической симметрии .... 555
§ 67. Расщепление энергетических уровней многоэлектронного иона в среднем кристаллическом поле кубической симметрии . . . 558
§ 68. Оптические спектры парамагнитных кристаллов 562
§ 69. Спектры парамагнитного резонанса кристаллов. Спиновый гамильтониан 569
§ 70. Расчет уровней спинового гамильтониана 575
Приложение III 582
§ 71. Несобственные функции б(х), ^ (х) и - 582
Литература . 585
Предметный указателе . . .... 599
Именной указатель ... 605
