Монография является существенно переработанным и дополненным изданием первой части книги В. М. Файна и Я. И. Ханина «Квантовая радиофизика», выпущенной издательством «Советское радио» в 1965 г. Излагается ряд вопросов квантовой теории взаимодействия излучения с веществом, квантовых свойств электромагнитного поля. Подробно исследуются понятия индуцированного и спонтанного излучения. Значительная часть книги посвящена изложению общей теории нелинейных сред, подробно рассмотрены нелинейные свойства твёрдых тел и других сред, используемых в квантовой радиофизике. Излагается также ряд приложений теории нелинейных сред в нелинейной оптике.

Монография рассчитана на научных работников и инженеров, работающих в области квантовой радиофизики, а также на студентов старших курсов и аспирантов физических специальностей. Кроме того, она представит интерес для физиков и инженеров, работающих в смежных областях.

21 рис., 2 табл., библ. 304 назв.

Квантовая радиофизика как самостоятельное научное направление сложилась в середине 50-х годов, когда были построены первые квантовые генераторы и усилители. Непосредственной предшественницей квантовой радиофизики была радиоспектроскопия. Радиоспектроскопией был накоплен огромный экспериментальный материал, касающийся резонансных свойств веществ на радиочастотах. Радиоспектроскопические исследования позволили установить структуру уровней, частоты и интенсивности переходов, релаксационные характеристики различных веществ.

Важное для квантовой радиофизики понятие индуцированного излучения было впервые сформулировано Эйнштейном ещё в 1916 г. На важность этого явления в радиоспектроскопии указал Гинзбург.

Впервые идея усиления электромагнитных волн неравновесными квантовыми системами была высказана Фабрикантом, Вудынским и Бутаевой. Авторское свидетельство, полученное этим коллективом в 1951 г., содержит описание принципа молекулярного усиления. Несколько позже, в 1953 г., предложение о квантовом усилителе было сделано Вебером. Басовым и Прохоровым в 1954 г. рассмотрен конкретный проект молекулярного генератора и усилителя на пучке активных молекул и разработана их теория. Независимо к этой же идее пришли Гордон, Цайгер и Таунс, которые в том же 1954 г. опубликовали сообщение о создании действующего генератора на пучке молекул аммиака. Гордон, Цайгер и Таунс ввели получивший широкое распространение термин «мазер».

Успех в создании пучкового молекулярного генератора стимулировал поиски новых возможностей и результаты не заставили себя долго ждать. В уже цитированных работах Басовым и Прохоровым был предложен принцип трёхуровневого генератора на газовом пучке. Бломберген в 1956 г. рассмотрел возможность построения квантового усилителя на твёрдом парамагнитном рабочем веществе. Произведённые им оценки подтвердили реальность идеи, и в 1957 г. такой прибор был построен Сковилом, Фехером и Зайделем. Вслед за этим появились сообщения о создании целого ряда подобных приборов на основе различных парамагнитных кристаллов.

По сравнению с обычными усилителями и генераторами приборы, основанные на квантовых принципах, обладают рядом исключительных свойств. Молекулярный пучковой генератор не отличается большой мощностью, но его стабильность намного превышает стабильность лучших кварцевых генераторов. Это обусловило применение молекулярного генератора в качестве стандарта частоты. Для парамагнитного усилителя характерен очень низкий уровень собственных шумов при удовлетворительном усилении и полосе усилителя.

Следующий этап развития квантовой радиофизики связан с перенесением её методов в оптический диапазон. Шавлов и Таунс в 1958 г. рассмотрели вопрос теоретически и пришли к выводу, что создание оптического квантового генератора является реальным делом. В качестве рабочих веществ ими предлагались газы и пары металлов. Более подробно вопрос о возможных рабочих веществах и способах создания в них необходимых неравновесных состояний обсуждался в обзорной статье Басова, Крохина и Попова. Этими авторами помимо газов рассматривались парамагнитные кристаллы и полупроводники.

В 1960 г. Мейманом был построен первый импульсный оптический квантовый генератор на рубине, названный им «лазером». Наука и техника впервые получили в своё распоряжение когерентный источник световых волн. Перспективность такого рода устройств столь очевидна, что в очень короткий срок в исследования, связанные с лазером, включились многие коллективы. Быстро вырос список кристаллов, пригодных для работы в лазерах. Затем для той же цели были применены некоторые люминесцирующие стёкла и жидкости. В 1961 г. Джаван, Беннет и Эрриот построили первый лазер непрерывного действия, работающий на смеси инертных газов неона и гелия. Первые полупроводниковые (инжекционные) лазеры были созданы в 1962 г.

Важный этап в истории квантовой радиофизики связан с возникновением новой, в значительной мере самостоятельной её области — нелинейной оптики. Создание и развитие нелинейной оптики связано с основополагающими теоретическими работами Бломбергена с сотрудниками и Хохлова с сотрудниками и с первыми экспериментальными работами по генерации второй гармоники света в 1961 г. Таким образом, квантовая радиофизика в настоящее время представляет собой весьма обширную область физики.

Совершенно очевидно, что задача создания единой монографии, охватывающей все разделы квантовой радиофизики, является весьма трудной. К тому же, в отличие от 1964 г., когда подготавливалось к выходу первое издание книги, сейчас различным разделам квантовой радиофизики посвящён целый ряд монографий и опубликован ряд сборников статей. Поэтому при переработке книги (а фактически она написана заново) мы ограничились рассмотрением следующего круга вопросов.

Первый том, напитанный В. М. Файном, посвящён теоретическому изложению вопросов взаимодействия вещества с излучением, специфичных для квантовой радиофизики.

В главе I излагаются основы квантовой теории вещества и поля, необходимые для использования в последующих главах. Здесь, в частности, сделана первая, насколько нам известно, попытка изложить основы квантовой механики, исходя с самого начала из описания квантового состояния с помощью матрицы плотности. Описание с помощью волновой функции при этом получается в качестве частного случая.

Глава II посвящена описанию различных физических систем, используемых в квантовой радиофизике, и основам теории релаксационных (кинетических) процессов, происходящих в этих системах.

Глава III посвящена различным аспектам процессов спонтанного и индуцированного излучений. В частности, анализируется возможность феноменологического описания этих процессов, связь с классикой, роль квантовых эффектов, влияние нулевых флюктуации поля и другие вопросы теории излучения.

Глава IV посвящена многоквантовым процессам. Эта глава, по существу, является физической основой нелинейной оптики. Наряду с этим в ней рассмотрены многоквантовые процессы в области, смежной между квантовой радиофизикой и физикой твёрдого тела, и показано, что существует глубокая связь между процессами нелинейной оптики и рядом процессов в твёрдом теле.

Глава V посвящена взаимодействию излучения со специфичными для квантовой радиофизики двухуровневыми и трёхуровневыми системами.

Глава VI посвящена нелинейным свойствам твёрдых тел, определяющим нелинейные эффекты в оптике и радиодиапазоне.

В целом предполагается, что читатель первого тома книги знаком с квантовой теорией в объёме университетского курса теоретической физики Ландау и Лифшица.

Второй том монографии, автором которого является Я. И. Ханин, будет посвящён колебательной теории квантовых генераторов. В этом томе предполагается привести обоснование уравнений, используемых для анализа процессов в генераторах различных типов (твердотельных, газовых и полупроводниковых). Основное внимание при этом будет уделено рассмотрению идеализированных моделей, адекватных той или иной реальной ситуации. Будет приведён минимально необходимый обзор экспериментальных результатов.

Совершенно ясно, что очерченный круг вопросов занимает центральное место в квантовой радиофизике и к тому же не освещён в достаточной мере в уже вышедших книгах.

В заключение автор первого тома выражает глубокую признательность академику А. В. Гапонову, взявшему на себя труд внимательно прочесть рукопись и сделавшему ряд ценных критических замечаний, несомненно, приведших к улучшению этого издания (хотя, может быть и не в той мере, как это было бы желательно). Автор первого тома весьма признателен члену-корреспонденту АН СССР Р. В. Хохлову за просмотр рукописи и сделанные замечания, а также П. М. Меднису за помощь при написании разделов книги, связанных с теорией релаксационных процессов, им написан § 20 по нелинейным свойствам полупроводников.

ПРЕДИСЛОВИЕ
В. М. Файн,
Я. И. Ханин

Книги на ту же тему

1. Нелинейные волны 2012, Литвак А. Г., Некоркин В. И., ред., 2013
2. Физические основы квантовой электроники (оптический диапазон), Тарасов Л. В., 1976
3. Основы теории квантовых усилителей и генераторов, Вейлстеке А., 1963
4. Мазеры, Сигмен А., 1966
5. Квантовая оптика и квантовая радиофизика, Кролль Н., Глаубер Р., Лэмб У., Вантер Ж., 1966
6. О квантовой электронике: Статьи и выступления, Басов Н. Г., 1987
7. Квантовые усилители и генераторы, Троуп Г., 1961
8. Кооперативные явления в оптике: Сверхизлучение. Бистабилыюсть. Фазовые переходы, Андреев А. В., Емельянов В. И., Ильинский Ю. А., 1988
9. Когерентные состояния в квантовой теории: Сборник статей, 1972
10. Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений, Перина Я., 1987
11. Спектроскопические свойства активированных лазерных кристаллов, Гёрлих П., Каррас Х., Кётитц Г., Леман Р., 1966
12. Вычислительные методы в квантовой физике: Учебное пособие, Кашурников В. А., Красавин А. В., 2005
13. Квантовая механика. — Изд. 2-е перераб., Давыдов А. С., 1973
14. Квантовая механика, Бете Г., 1965
15. Газовые лазеры, Мак-Даниель И. У., Нигэн У. Л., ред., 1986
16. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры, Тсанг У., ред., 1990
17. Лазерные приёмники, Росс М., 1969
18. Химические лазеры, Гросс Р., Ботт Д., ред., 1980
19. Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение, Копылов С. М., Лысой Б. Г., Серегин С. Л., Чередниченко О. Б., 1991
20. Физика лазерного термоядерного синтеза, Басов Н. Г., Лебо И. Г., Розанов В. Б., 1988
21. Рентгеновские лазеры, Элтон Р., 1994
22. Проблемы нелинейной оптики (Электромагнитные волны в нелинейных диспергирующих средах) 1961—1963, Ахманов С. А., Хохлов Р. В., 1964
23. Принципы нелинейной оптики, Шен И. Р., 1989
24. Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса, Заславский Г. М., Сагдеев Р. 3., 1988
25. Известия высших учебных заведений. Радиофизика: Нелинейные волны, 1976
26. Нелинейная оптика молекулярных кристаллов, Коренева Л. Г., Золин В. Ф., Давыдов Б. Л., 1985
27. Вопросы квантовой теории многих тел, 1959
28. Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках, Зырянов П. С., Клингер М. И., 1976