Auf dem Gebiet der Quantenelektronik untersuchen Wissenschaftler die Wechselwirkung von Strahlung und Materie auf der Quantenebene. Wissenschaftler auf diesem Gebiet nutzten Wissen aus der Elektronik und Physik und haben viele Fortschritte in der Optik und Radiophysik gemacht. Maschinen wie die Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (Laser) und die Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (Maser) sind im Bereich der Quantenelektronik besonders nützlich.
Die Quantentheorie wird von Wissenschaftlern als die grundlegende Theorie der Physik akzeptiert, die alle physikalischen Geräte vereint. Als solches kann jedes elektronische Gerät als quantenelektronisches Gerät angesehen werden. Die meisten Wissenschaftler verstehen jedoch unter quantenelektronischen Geräten nur solche Geräte, die Übergänge zwischen Quantenenergieniveaus stimulieren. Laser und Maser sind die wichtigsten Geräte in der Quantenelektronik, da jeder von ihnen Energie in einen engen, fokussierten Strahl bündelt. Transistoren und Supraleiter können die Prinzipien der Quantenmechanik verwenden, aber sie werden normalerweise nicht als quantenelektronische Geräte angesehen.
In der Quantenelektronik sind die Übergänge zwischen Quantenenergieniveaus von besonderer Bedeutung. Atome, Moleküle und andere Quantensysteme enthalten angeregte Teilchen. Diese Systeme können nur bestimmte, genau definierte Energiemengen enthalten. Wenn ein System elektromagnetische Strahlung in Form von Licht oder Radiowellen abgibt, bewegt es sich von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres. Mit Laser und Maser können diese Atome oder Moleküle in höhere Energiezustände angeregt werden.
Laser sind eines der wichtigsten Geräte in der Quantenelektronik. Diese Maschinen strahlen Lichtwellen in einem fokussierten Strahl innerhalb eines engen Strahlungsbereichs aus. Dadurch wird das Licht, das ein Laser aussendet, monochromatisch, während die meisten Lichtquellen mehrere Lichtfarben emittieren, selbst wenn das Licht für das Auge nur eine Farbe enthält.
Laser sind sowohl für die Forschung als auch für die Lösung praktischer Probleme wichtig. Das Licht eines Lasers verbreitet keine Wärme und hat keine elektrische Ladung. Ein Laser kann in korrosiven Gasen und im Vakuum betrieben werden. Sie sind nützlich bei der Messung von Entfernungen mit hoher Genauigkeit, optischer Kommunikation und thermonuklearer Fusion.
Ein weiteres Werkzeug, das in der Quantenelektronik häufig verwendet wird, ist der Maser. Diese Geräte emittieren Mikrowellenstrahlung in einem fokussierten Strahl. Die Frequenz dieser Mikrowellen ist stabil und verschlechtert sich nicht so leicht wie bei Standard-Mikrowellen. Die Anwendung dieser Maschine ermöglicht es Kommunikationstürmen, die Schallwellen im Mikrowellenbereich aussenden, Informationen mit geringer Verzerrung über große Entfernungen zu senden.