год издания — 1972, кол-во страниц — 472, тираж — 5700, язык — русский, тип обложки — твёрд. 7Б, масса книги — 440 гр., издательство — Советское радио

цена: 1000.00 руб

Сохранность книги — хорошая

Формат 84x108 1/32. Бумага типографская №2

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

Предисловие	5

Г л а в а I. КВАНТОВО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ

§ 1. Основные уравнения квантовой теории	9

1.1. Основные постулаты	9
1.2. Различные представления физических величин	11
1.3. Состояние и статистические ансамбли	12
1.4. Соотношения неопределённостей	14
1.5. Примеры некоторых представлений матрицы плотности	15
1.6. Энтропия квантовых ансамблей	19
1.7. Чистые и смешанные состояния	22
1.8. Уравнение Шрёдингера	28
1.9. Различные описания изменения во времени квантового состояния	29
1.10. Стационарные состояния	33
1.11. Квантовая теория измерений	33

§ 2. Эволюция во временн незамкнутых квантовых систем	37

2.1. Учёт внешних сил	37
2.2. Нестационарная теория возмущений	39
2.3. Вероятность перехода в единицу времени (постоянное возмущение)	41
2.4. Вероятность перехода в единицу времени (гармоническое
возмущение)	43
2.5. Эволюция во времени подсистемы замкнутой системы	45

§ 3. Квантовая теория полей в резонаторах, волноводах и в свободном
пространстве	48

3.1. Каноническая форма уравнений поля	48
3.2. Квантование свободного поля излучения	51
3.3. Поле излучения в свободном пространстве	54
3.4. Поле излучения в волноводах	55

§ 4. Квантовое описание радиационного осциллятора	57

4.1. Свойства радиационного осциллятора	57
4.2. Фазовое представление	58
4.3. Глауберовские состояния	64
4.4. Соотношения неопределённостей для радиационного осциллятора	67
4.5. Предельный переход к классическому описанию радиационного
осциллятора	70

§ 5. Квантовая теория электромагнитного поля в среде	72

5.1. Классическая функция Гамильтона электромагнитного поля,
взаимодействующего с заряженными частицами	72
5.2. Гамильтониан системы поле + частицы	75
5 3. Энергия взаимодействия в дипольном приближении	76
5.4. Матричные элементы энергии взаимодействия	80
5.5. Уравнения поля в среде и материальные уравнения	81
5.6. Уравнения поля в прозрачной анизотропной диспергирующей среде	83
5.7. Понятие плотности числа фотонов	88

Г л а в а II. ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ

§ 6. Различные физические системы и взаимодействие между ними	93

6.1. Различные среды. Диэлектрики, полупроводники и металлы	93
6.2. Адиабатическое приближение	95
6.3. Фононы	97
6.4. Электроны и дырки	102
6.5. Экситоны	104
6.6. Магноны	106
6.7. Взаимодействие между квазичастицами	109
6.8. Двухуровневые системы	111

§ 7. Эволюция во времени динамических систем с учётом процессов
релаксации	118

7.1. Спонтанное излучение атома в свободном пространстве, как пример
релаксационного процесса	118
7.2. Уравнения, описывающие релаксацию динамических подсистем	123
7.3. Кинетические уравнения	126
7.4. Кинетические уравнения для случая невырожденных и достаточно
удалённых друг от друга уровней	128
7.5. Кинетические уравнения в случае, когда внешние силы не малы	132

§ 8. Уравнения, описывающие релаксацию средних величин	133

8.1. Уравнения для фурье-компонентов средних величин	133
8.2. Приближение кинетического уравнения	136
8.3. Релаксация поля в реальных резонаторах	138
8.4. Релаксация спиновых систем	141

Г л а в а III. СПОНТАННОЕ И ИНДУЦИРОВАННОЕ
ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 9. Обобщенные линейные восприимчивости	145

9.1. Понятие о спонтанном и индуцированном излучениях. Связь с
линейной восприимчивостью	145
9.2. Общая линейная связь между поляризацией и полем	151
9.3. Фурье-представление линейной связи между поляризацией и полем	152
9.4. Квантово-статистическая теория линейных восприимчивостей	154
9.5. Общие свойства восприимчивостей, не зависящие от модели среды	159
9.6. Флюктуационно-диссипационная теорема	162
9.7. Пространственная дисперсия	167
9.8. Макроскопическое и локальное поля	170
9.9. Линейные восприимчивости различных физических сред	171

§ 10. Квантовая теория спонтанного и индуцированного излучения	174

10.1. Квантовое обобщение выражения для диссипации энергии	174
10.2. Интенсивность излучения	184
10.3. Связь между интенсивностью излучения, вероятностью перехода в
единицу времени, восприимчивостью и коэффициентом поглощения
(усиления)	188
10.4. Релаксация из-за взаимодействия с полем излучения	191
10.5. Величины ω* и τ_c в случае, когда поле излучения
играет роль диссипативной системы	195
10.6. Когерентность излучения	197
10.7. Вопрос о связи средних величин с наблюдаемыми	205

§ 11. Излучение классических систем	207

11.1. Специфика классических систем	207
11.2. Гармонический осциллятор	208
11.3. Восприимчивость в квазиклассическом приближении	214
11.4. Приращение энергии поля действующего на нелинейный осциллятор	222
11.5. Учёт пространственной дисперсии	223

§ 12. Излучение системы двухуровневых молекул	224

12.1. Изменение энергии поля	224
12.2. Принцип соответствия	230
12.3. Когерентность в системе молекул и спонтанное излучение	235
12.4. Эволюция во времени и естественная ширина линии излучения
системы молекул, размеры которой много меньше длины излучаемой
волны	240
12.5. Спонтанное излучение системы, размеры которой много больше
длины волны	248
12.6. Спонтанное и индуцированное излучение в реальном резонаторе	249

Г л а в а IV. МНОГОКВАНТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

§ 13. Нелинейные восприимчивости	256

13.1. Элементарные многофотонные процессы и связь с нелинейными
восприидаивостями	256
13.2. Нелинейная связь между поляризацией и полем	262
13.3. Общие свойства нелинейных восприимчивостей, не зависящие от
модели среды	270
13.4. Следствия кристаллической симметрии	272
13.5. Оценки членов разложения поляризации в ряд по степеням поля	274

§ 14. Диссипация энергии и флюктуации в двухфотонных процессах	279

14.1. Поглощение в системе, на которую действуют внешние силы	279
14.2. Пример. Ангармонический осциллятор	282
14.3. Флюктуационно-диссипационная теорема для системы в присутствии
внешних сил	284
14.4. Интенсивность двухфотонных процессов	287

§ 15. Когерентные многофотонные процессы	291

15.1. Вероятность трёхфотонных процессов. Эффективный гамильтониан	291
15.2. Изменение энергии в трёхфотонных процессах	295
15.3. Стационарное распространение параметрически связанных
электромагнитных волн и связь с трёхфотонными процессами	298
15.4. Четырёхфотонные процессы	312

§ 16. Многоквантовые процессы с участием различных квазичастиц	313

16.1. Элементарные процессы с участием нескольких квазичастиц	313
16.2. Многофононные процессы. Уравнение Больцмана	316
16.3. Взаимодействие фотонов и фононов. Связь формы линии поглощения
с многофононными процессами	321
16.4. Общее рассмотрение поглощения фотонов с участием двух
квазичастиц	326
16.5. Рамановские процессы второго порядка	332
16.6. Параметрическая неустойчивость фононов	333
16.7. Насыщение и параметрическая генерация в экситон-фононных
переходах	337
16.8. Сравнение различных многоквантовых процессов	343

Г л а в а V. НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ С
ДИСКРЕТНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УРОВНЯМИ
(ДВУХУРОВНЕВЫЕ И ТРЁХУРОВНЕВЫЕ СИСТЕМЫ)

§ 17. Двухуровневые системы в сильном поле	346

17.1. Уравнения, описывающие поведение системы двухуровневых
молекул во внешнем поле	346
17.2. Нестационарное поведение системы двухуровневых молекул	350
17.3. Стационарное поведение системы молекул и поля в резонаторе	356
17.4. Эффект насыщения	365
17.5. Насыщение в неоднородноуширенной линии	369
17.6. Нелинейные восприимчивости системы двухуровневых молекул	374

§ 18. Трёхуровневые системы в сильном поле	377

18.1. Матрица плотности трёхуровневой системы, находящейся во
внешнем поле	377
18.2. Восприимчивость трёхуровневой системы	382
18.3. Поглощение и насыщение в трёхуровневой системе	383

Г л а в а VI. НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
ТВЁРДЫХ ТЕЛ

§ 19. Нелинейные свойства диэлектриков	392

19.1. Вклад электронных движений	392
19.2. Уравнения, описывающие колебания кристаллической решётки
во внешнем поле	395
19.3. Вклад оптических фононов. Квадратичная нелинейность	396
19.4. Вклад оптических фононов. Кубичная нелинейность и
индуцированное рамановское рассеяние	399
19.5. Оценки величины вклада оптических фононов	402
19.6. Вклад акустических фононов. Эффект Мандельштама-Бриллюэна	404
19.7. Макроскопическое и локальное поля	410

§ 20. Нелинейные свойства полупроводников	414

20.1. Эффективный гамильтониан. Плотность тока	414
20.2. Внутризонные, межзонные и комбинированные вклады в плотность
тока	421
20.3. Нелинейные электропроводности, определяющие процессы
преобразования (смешения) трёх частот поля в полупроводниках с
частично заполненными зонами	425
20.4. О фототоке в полупроводниках без центра инверсии	432
20.5. Нелинейные восприимчивости полупроводников с полностью
заполненными зонами	433

§ 21. Нелинейные свойства металлов	440

21.1. Вклад электронов проводимости	440
21.2. Нелинейные свойства сверхпроводников	446

§ 22. Нелинейные свойства магнитных систем	450

22.1. Нелинейные восприимчивости ферромагнетиков в СВЧ-диапазоне	450
22.2. Параметрическая неустойчивость спиновых волн	451
22.3. Нелинейные свойства магнитных систем в инфракрасном и
оптическом диапазоне	452

Приложения	454
Литература	456
Предметный указатель	465

Книги на ту же тему

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

elapsed time 0.018 sec

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему