Мазер Советский патент 1992 года по МПК H01S1/02 

ел

с

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным квантовым усилителям. Оно может найти применение в системах дальней наземной и космической связи, радиолокации, радиоинтерферометрах, научном приборостроении. Целью изобретения является повышение величины и стабильности коэффициента усиления. В качестве активного кристалла в усилителе использован александрит. Кроме того, кристалл ориентирован относительно статического магнитного ТТС в электродинамической системе таким образом, что угол ©между кристаллографической осью сГи магнитным полем FTC определяется из соответствующего выражения. При этом холостой переход оказывается связанным с переходом накачки кроссрелак- сационным процессом второго порядка.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным квантовым усилителям (КУ), и может найти применение в системах дальней наземной и космической связи, радиолокации, радиоинтерферометрии.- научном приборостроении.

Основным элементом квантового усилителя (КУ) является активный кристалл (АК) с. парамагнитными ионами, находящийся в статическом магнитном поле Не, осуществляющем необходимое зеемановское расщепление их энергетических уровней. Размещается АК э электродинамической системе (ЭС) - резонаторе, замедляющей системе (ЗС) или отрезке волновода в зависимости от типа КУ. К активному кристаллу предъявляется целый ряд жестких

требований, в результате чего, несмотря на огромное многообразие парамагнитных кристаллов, число их, используемых в действующих конструкциях, составляет не более пяти. Оценивая перспективы создания .КУ имеет смысл говорить лишь о синтезируемых кристаллах.

Важное значение наряду с выбором АК имеет режим работы - ориентация относительно поля Нс и выбор сигнального перехода и перехода (или переходов) накачки. Ориентация кристалла относительно статического магнитного поля определяется значением углов 0 и р- между вектором ТТс и кристаллографическими осями с и соответственно. В ряде случаев с целью улучшения параметров усилителя удается использовать кросс-релаксационные процессы

VJ

О

Ьь

ю о ел

(КРП;. При этом дл соблюдения определенных соотношений между частотами Щ отдельных переходов 1-J вычисллкл углы О, в /;мчпки магнитный полой, при которых такие процессы будут иметь место.

Известен КУ. включающий и себя п ка честно ЛК сипгстичсский изумруд. Кристалл обладает подходящим для сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн спектром, частота сигнала vt о данной конструкции выбрана равной 37,7 ГГц.

Н&дастатк.ом этого КУ является низкое качество синтетических кристаллов изумруда. Объясняется это тем, что рост изумруда рязрзбс ган лишь методом р:.-г;тпора о расплаве, кото.оый не позволяет получить кристаллы необходимого высокого качества. Так. измеренная в работа ширина линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и образце небольшого объема составила МГц, что не позволяет создать КУ с достаточно высокими параметрами.

изоестен КУ, включающий в себя п качссгие АК ру сил ( ), рзспопожен- ный в статическом магнитном поле l-fc. При этом используется КРП 2-го порядка, связывающий между собой холостой переход 2-6 и переходы накачки 1-3 и 3-5 (2113 2 Г35 12б).

Недостатками этого КУ являются небольшой коэффициент усиления, нестабильность в работе, ограниченность применения одной фиксированной частотой. Использование рутила в КУ, особенно ммлли - Јтрсвого диапазона длин волн, сесь- мз затруднительно в связи с большой се- личино : диэлектрической проницаемости к( 170). Приходится применять очень малые сбъзмы его. что снижает коэффициент усиления. Крог- е того, с рутила характеризуется сильной температурной зависимостью, что приеодчт к нестабильности пзрзметроо, усложняет настройку и эксплуатацию усилителя. Условно выполнения использованного в этом КУ КРП ограничено одной фиксированной частотой.

Наиболее близким к предлагаемому является КУ, включающий в ссил в качество АК рубин (. Сг34), находящийся о статическом магнитном поле ТТС. при этом используется КРП. соединяющий между соОой холостые переходы 2-3 и 3-4. Условие выполнения КРП в этой работе задается графической зависимостью значения угла О от частоты сигнала vc. В качестве сигнального используется переход 1-2. накачки - переход 1-3.

Руб.я- синтезируется методом Чохрзль- ского, что оЕеспечиоя(Л мапые структурные

неоднородности. Кристалл характеризуется малой шириной линии поглощения (80 МГц). Использование в качестае сигнального нижнего перехода 1 2 способстоует повышению магнитного декремента. Примененный КРП позсолмл обойтись одним генератором накачки.

Недостатками этого КУ являются не- .большой коэффициент усиления, нестаОильность о работе и ограниченность применений узкой частью сантиметрового диапазона длин волн.

Обычно при использовании в качестве сигнального перехода 1-2 применяется накачка, по переходу 1-4 или два генератора, насыщающие переходы 1-3 и 3-4 (так называемая ступенчатая накачка). В первом случае малая разрешимость перехода 1-4 требует применения генератора значительной мощности (1 Вт). Во втором имеет ме- сто значительное усложнение конструкции, так как применяется лишь одна накачка по. переходу 1-3, а падение коэффициента усиления частично компенсируется использссанисм КРП, вырзнипающего населенности холостых переходоп 2-3 и 3-4. Однако переход 3-4. не насыщаемый отдельным источником, не связан и с переходом накачки 1 -3, чтп не позволяет получить достаточно высокй;1 коэффициент усиления. Рубин имеет незначительное начальное расщепление .уровней (11,5 ГГц) и при использовании в коротковолновой части сантиметровых и в миллиметровых диапазонах длин волн требует применения больших магнитных полей. При этом его спектр приближается к эквидистантному, уменьшаются вероятно- сти межуровнсвых переходов, что в конечном счете снижает коэффициент усиления,

требует дополнительного повышения мощности генератора накачки. Как следствие, возникает дополнительная неустойчивость (усиливается кипение гелия, температурный градиент)и понижается стабильность усиления. Используемый КРП реализуется только в узкой части сантиметрового диапазона длин волн.

Цель изобретения - обеспечение высокого и стабильного коэффициента усиления.

Поставленная цель достигается тем, что в КУ, включающий в себя активный кристалл, находящийся в статическом магнитном поле , в качестве АК использован александрит (ЛЬВеОо. Сг3).

К-роме того, в пред /южен ном усилителе АК ориентирован относительно поля таким образом, что-для любой конкретной ча- стоты сигнала гс, соответствующей частоте переход:: 1-2. и угла if между крисгаллографической осью а активного кристалла и магнитным полем ЬГС. угол 0 между кристаллографической осью с и полемТГс определяется из выражения

In О -2 Ј ВчрпИ/Пгф с)}1 (1)

1-Оj-О

где .

v3

Вц

i-2

-0.7 3.6

-4.2 Iff 1.6 10

г4

гб

По анализу патентной и научно-технической литературы автору не известен КУ, в котором в качестве активного кристалла используется александрит (. Cr J. Кроме того, неизвестен КУ, в котором активный кристалл ориентирован относительное магнитного поля Не таким образом, что для любой конкретной частоты сигнала vc, соответствующей частоте перехода 1-2. и величины угла у между кристаллографической осью а активного кристалла и магнитным полем ЙГС, угол 0 между кристаллографической осью (Г и полем ТТС определяется из выражения (1).

Использование в качестве АК александрита (Al2BeO i:Cr ). который имеет большее, чем в рубине, начальное расщепление и значительную аксиальную асимметрию спектра ЭПР. обеспечивает большую величину матричных элементов операторов межуров- невых переходов. А это позволит повысить коэффициент усиления и реализовать предложенный КУ в более коротковолновом диапазоне, понизить мощность генератора накачки. При этом повышаются стабильность и другие технико-экономические показатели усилителя. Кроме того, ориентация АК относительно статического магнитного поля РТс таким образом, что для любой конкретной частоты сигнала vc. соответствующей частоте перехода 1-2, и угла ip между кристаллографической осью а активного кристалла и магнитным поле Н, угол 0 между кристаллографической осью с и полем Не определяется из выражения (1). позволит использовать для повышения инверсии на сигнальном переходе КРП второго порядка связывающий между собой холостой переход 3-4 и переход накачки 1 -3 (vis 2)и). А это, в свою очередь, еще более повысит положительный эффект.

На фиг. 1 представлена чпстотная расстройка переходов 1-2 и 3--1; на фиг. 2 - графическое представление зависимости.

Предложенный КУ может быть реализован в виде любого из трех типов, Он состоит из АК - александрита (AlaBeO Cr3), находящегося в статическом магнитном полем Ffe

и помещенного в электродинамическую систему (ЭС), которая в зависимости от типа усилителя будет представлена замедляющей системой (ЗС). резонатором или отрезком волновода. При этом АК ориентирован

относительно поля Нс таким образом, что для любой конкретной частоты сигнала vc. соответствующей частоте перехода 1- 2, и величины угла у между.кристаллогра- фической осью гГактивного кристалла и

магнитным полем Нс угол 0 между кристаллографической осью и полем ТС определяется из выражения (1).

Предложенный КУ работает следующим образом.

В результате действия статического магнитного поля ТТС основной уровень Сг3+ в александрите полностью расщепляется, образуя систему четырех уровней. По сигнальному волноводу к АК подводится сверхвысокочастотное (СВЧ) поле сигнальной частоты, соответствующей частоте перехода 1-2. По волноводу накачки к АК подводится СВЧ-поле накачки, частота которого соответствует частоте перехода 1-3, создающее инверсию населенностей на переходе 1-2. Вследствие выбранной ориентации АК относительно поля Кс в предложенном КУ между частотами переходов 1-2 и 3-4 имеет место соотношение

-vis 2 . (2)

Благодаря этому переходы 1-3 и 3-4

оказываются связанными между собой

КРП 2-го порядка и генератор накачки по

переходу 1-3 способствует насыщению

перехода 3-4. Таким образом в предложенном усилителе с одним генератором реализуется эффективный i ежим накачки, аналогичный ступенчатой накачке, осуществляемой двумя генераторами. При этом

достигается высокий коэффициент инверсии на переходе 1-2 и реализуется высокий коэффициент усиления.

Александрит характеризуется значительной аксиальной асимметрией спектра const E в спин-гамильтониане составляет 24% от const D. Это должно способствовать лучшему перемешиванию спиновых состояний в отдельных уровнях и увеличить вероятности межуровкеоых переходов, отодвинуть явление возникновения эквидистантности уровней в более высокие магнитные поля. Квантопо-механический расчет матричных элементов а операторов межуровнекых переходов i-j подтверждает

ЭТО. УсСЛйчеиие СМ: из ЬПУГО ПерСХОДй

увеличит значение магнитного декремента, еозр:: :тяет коэффициент усиления. Увеличение слзперехода няк;; :м позволит применит, генератор меньшей мощности, повысить стабильность усиления.

Наконец, предложенная в заявке ориентация александрита относительно магнитного поля мозсс/шт использозэть КРП, соязьшзющий переходы 1-3 и 3-4, что повысит инеерсию на сигнальном переходе. Такой режим работы стал ЕОЗМОЖНЫМ благодаря аксиальной асимметрии спектра, по- 2полмои.;ей при в 1полнен;..;1 соотношения (2) добиться нсравемстсг частот переходоо 1-2 и 3-4. Автором заявки было проведено энергетическое обоснование предложенного режима. Нз фиг. 1 приведены зависимости частотной расстройки А переходов 1-2 и 3-4 (Д - Vis) от сигнальной часто- ты i c д/гл нескольких значений угла р. Для исключения взаимного влияния переходов необходимо, чтобы отстройка по частоте составляла несколько ил .рик ЭПР в кристалле. Исходя чз этого тробопания можно согласно фиг. 1 выбрать необходимое значение угла р. Выполнение соотношения (2) задается условием (1), графические зависимости угла ©изображены на фиг. 2.

Проведенный анализ показывает, что предложенное техническое решение реализуемо.

Рассмотрим преимущества предлагаемого изображения по сравнению с известным. Наличие у александрита зна- чительной аксиальной асимметрии спектра обуслсч Л .тпет большую по сравнению с рубином пелмчпму матричных элементов операторов межуровнесых переходов. Это позмл;п повысить коэффициент усиления и понизить мощность генератора накачки, что

пснысит стабильность работы усилителя. При этом повысятся и другие технико-экономические показатели, например время непрерывной рг.боты от одной заливки жкдкого гелия. Большие величины начального расщепления и вероятностей межуроэ- невых переходоо в александрите позволят применить предложенный КУ пболее коротковолновом диапазоне. Использование предлагаемой ориентации А позволит с помощью КРП эффективно увеличить коэффициент усиления и использовать генератор нгкачки меньшей мощности. Предлагаемый режим работы КУ может быть реализован в широком интерзале сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.

Формула изобретения Мазер, включающий активный кристалл, помещенный между полюсами магнита с величиной напряженности магнитного поля , о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения величины и стабильности коэффициента усиления, в качестве активного кристалла использован александрит, ориентированный так. что угол Э между кристаллографической осью с и полем Нс определяется из выражения

3 ,i,

ВиПпШПпО сП

vc - частота сигнала;

f - угол между кристаллографической осью а активного кристалла и магнитным полем Нс.

4-U4-Vkt/b

Ю

Фаг- 2

Составитель С. Кондрашин Редактор Н. Лазаренко Техред М.МоргенталКорректор С. Шевкун

Заказ 66Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская неб., 4У5

1704205