СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ Российский патент 1998 года по МПК B06B1/06 

Описание патента на изобретение RU2110336C1

Изобретение относится к физике и может найти применение в квантовой акустике для изучения взаимодействия квантов упругих возмущений с электронами, магнонами и другими элементарными возбуждениями в кристаллах.

В настоящее время известен способ генерации колебаний УСВЧ диапазона частот, включающий в себя возбуждение пьезоэлектрических кристаллов высокочастотным электромагнитным полем [1], для чего СВЧ-радиоизлучение направляют, например, через преобразователь на основе пленки ZnO на кристалл LiNbO.

Известен способ генерации звуковых колебаний с помощью вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, заключающийся в облучении среды мощным световым потоком, например от лазера, сфокусированным в небольшую область внутри образца [2].Однако для достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна необходимы значительные мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ возбуждения акустических колебаний УСВЧ диапазона частот и нижней части диапазона гиперзвуковых частот под воздействием электромагнитного излучения, интенсивность которого имеет пространственную периодичность в объеме среды [3] . Звуковые колебания с длиной волны, равной периоду интерференции двух, падающих на среду световых пучков, возникают за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции.

Недостатком способа является необходимость использования для облучения среды когерентного электромагнитного излучения, невозможность создания одинакового пространственно-периодического распределения плотности излучения во всем объеме среды и, следовательно, сложность получения когерентных звуковых колебаний, а также невозможность получения достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот в диапазоне 1010-1013 Гц за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции.

Целью изобретения является снижение требований к когерентности электромагнитного излучения, воздействующего на среду, и обеспечение возможности получения достаточно мощных когерентных звуковых колебаний вплоть до диапазона 1010-1013 Гц.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве среды используют кристалл с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниям решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот.

Изобретение поясняется на фиг. 1-3.

Возможная схема квантового генератора гиперзвуковых частот показана на фиг. 1. На ней обозначены: 1 -кристалл квантового генератора с активатором, 2 - отражающее зеркало резонатора электромагнитного излучения, 3 - обработанный торец кристалла, отражающий электромагнитное излучение и излучение гиперзвуковых частот, 4 - обработанный торец кристалла, отражающий излучение гиперзвуковых частот, 5 - источник оптической накачки, 6 - согласующие пленки.

В квантовом генераторе гиперзвуковых частот с помощью источника оптической накачки 5 осуществляют облучение кристалла с активатором (примесями) электромагнитным излучением. Излучение накачки, поглощающееся частицами активной среды, переводит их в возбужденное состояние. При этом подобранный спектральный состав излучения источника накачки и определенное соотношение между вероятностями поглощения на переходах, ведущих к заселению и обеднению уровней активного вещества, приводит к преимущественному заселению верхних уровней. При наличии резонатора электромагнитного поля, образованного отражающим зеркалом 2 и торцом кристалла 3, в результате стимулированного электромагнитным полем резонатора переходом частиц с верхнего лазерного состояния на нижнее лазерное состояние генератор через зеркало 2 излучает электромагнитное поле, частота которого не совпадает с частотой излучения накачки. В процессе излучения электромагнитного поля при достаточно большой интенсивности излучения поля накачки наряду с преимущественным заселением верхнего лазерного состояния будет иметь место и преимущественное, по сравнению с основным состоянием, заселение нижнего лазерного состояния, совпадающего с возбужденным состоянием примесь-решетка кристалла, расположенном выше основного состояния.

Последующий неоптический стимулированный переход атомов, других частиц или их систем, вызванный колебаниями решетки кристалла на частоте резонатора гиперзвуковых частот, образованного торцами кристалла 3 и 4, приводит к резонансным колебаниям решетки и излучению гиперзвуковых волн через согласующие пленки 6.

При отсутствии согласующих пленок 6 возникающие резонансные колебания кристалла могут приводить к его разрушению, что практически часто и имеет место в твердотельных оптических квантовых генераторах.

Наиболее вероятно излучение гиперзвуковых волн можно получить в кристаллах с активаторами, имеющими четырехуровневую схему рабочих состояний.

На фиг. 2 в качестве примера показана диаграмма энергетических уровней двухвалентного редкоземельного иона D2+y

в кристалле CaF2 [4], на которой стрелками показаны основные процессы, приводящие к заселению и обеднению уровней. На них обозначены:
Wн - плотность излучения накачки;
B14 - коэффициент Энштейна, соответствующий поглощению электромагнитного поля накачки;
B41 - коэффициент Энштейна, соответствующий излучению электромагнитного поля накачки;
Ni - населенности i-го состояния;
γi - суммарная вероятность обеднения i-го состояния.

Накачка генератора на CaF2:D2+y

обусловлена, главным образом, полосой 4f - 5d вблизи длины волны 0,9 мкм, совпадающей с областью излучения ксенонового разряда. Инфракрасное излучение, имеющее место в квантовом генераторе на CaF2:D2+y
обусловлено переходом 5I7-5I8 расположенным приблизительно на 90 см-1 выше основного состояния. Этот переход и может быть использован для создания гиперзвуковых волн в кристалле на длине λ ≈ 100 мкм.

Действительно, систему исходных кинетических уравнений для процессов, имеющих место при накачке кристалла электромагнитным полем, можно записать в виде:

N1 + N2 + N3 + N4 = N
Известное решение данной системы уравнений позволяет представить зависимости населенности состояний от плотности излучения накачки в виде:

В данных уравнениях символ γ обозначает суммарную вероятность объединения i-го состояния, A = γ3γ2γ4, Г = 2γ2γ342γ343γ232γ43. .

Возможный вид этих зависимостей показан на фиг.3. Из этих зависимостей видно, что при плотности накачки

населенность уровня 2 будет превышать населенность уровня 1.

Неоптический переход системы из возбужденного состояния примесь-решетка в основное состояние при наличии в квантовом генераторе резонатора гиперзвуковых волн, образованного обработанными торцами кристалла, приведет к резонансным колебаниям решетки и генерации достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот.

Похожие патенты RU2110336C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАЦИИ КВАНТОВЫХ ПУЧКОВ 2010
  • Леонова Оксана Олеговна
  • Трыков Олег Алексеевич
  • Ульяненко Степан Евгеньевич
  • Хачатурова Нелли Гарниковна
  • Логинов Андрей Игоревич
  • Вощинин Сергей Александрович
  • Горячев Игорь Витальевич
RU2433493C1
Способ генерации излучения газодинамического лазера интегрированного в единую конструкцию газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель для его осуществления 2018
  • Вовк Михаил Юрьевич
  • Кулалаев Виктор Валентинович
  • Куница Сергей Петрович
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
  • Петриенко Виктор Григорьевич
RU2702921C1
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЧАСТОТОЙ 2,52 ТГЦ 2020
  • Михеев Павел Анатольевич
RU2752019C1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ МОЛЕКУЛ 2009
  • Грозная Елена Владимировна
  • Кревчик Владимир Дмитриевич
  • Урнев Иван Васильевич
  • Щербаков Михаил Александрович
RU2444811C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА 2003
  • Порхаев Владимир Владимирович
  • Завьялов Николай Валентинович
  • Пунин Валерий Тихонович
  • Тельнов Александр Валентинович
  • Хохлов Юрий Анатольевич
RU2267842C2
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР ЖЕЛТОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 2000
  • Басиев Т.Т.
  • Дорошенко М.Е.
  • Зверев П.Г.
  • Прохоров А.М.
RU2178939C1
ДИПОЛЬНЫЙ НАНОЛАЗЕР 2009
  • Проценко Игорь Евгеньевич
  • Займидорога Олег Антонович
RU2391755C1
УЗКОПОЛОСНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР 2014
  • Бочков Александр Викторович
  • Колегов Алексей Анатольевич
  • Софиенко Глеб Станиславович
  • Лешков Андрей Олегович
RU2554337C1
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ДИПОЛЬНЫЙ НАНОЛАЗЕР НА ЕГО ОСНОВЕ 2003
  • Займидорога О.А.
  • Проценко И.Е.
  • Самойлов В.Н.
RU2249278C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА 2005
  • Порхаев Владимир Владимирович
  • Завьялов Николай Валентинович
  • Пунин Валерий Тихонович
  • Тельнов Александр Валентинович
  • Хохлов Юрий Анатольевич
RU2285986C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 110 336 C1

Реферат патента 1998 года СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ

Изобретение относится к физике и может найти применение в квантовой акустике для изучения взаимодействия квантов упругих возмущений с электронами, магнонами и другими элементарными возбуждениями в кристаллах. Сущность изобретения: в качестве среды используют кристалл с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниям решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 110 336 C1

Способ генерации колебаний гиперзвуковых частот, включающий воздействие на среду электромагнитным излучением, отличающийся тем, что в качестве среды используют кристалла с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн, и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты, создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниями решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1998 года RU2110336C1

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Мюллер К
Акустическая голография
В сб
Применение голографии / Под ред
Дж.Гудмена
Приспособление для склейки фанер в стыках 1924
  • Г. Будденберг
SU1973A1
Устройство для охлаждения водою паров жидкостей, кипящих выше воды, в применении к разделению смесей жидкостей при перегонке с дефлегматором 1915
  • Круповес М.О.
SU59A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
СН, 224738, кл
Устройство для усиления микрофонного тока с применением самоиндукции 1920
  • Шенфер К.И.
SU42A1
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1
SU, авторское свидетельство, 565250, кл
Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды 1921
  • Богач Б.И.
SU4A1
Бирнбаум Дж
Оптические квантовые генераторы
- М.: Советское радио, 1967, с
Система механической тяги 1919
  • Козинц И.М.
SU158A1

RU 2 110 336 C1

Авторы

Урвачев В.И.

Даты

1998-05-10Публикация

1996-09-27Подача