Способ создания активного состояния рабочего вещества квантового парамагнитного усилителя Советский патент 1992 года по МПК H01S1/02 

у

te

Использование: квантовая электроника. Сущность изобретения: в кристалле, содержащем два типа парамагнитных ионов, излучением накачки ионы типа 1 с магнитным ядром переводят в состояние с пониженной температурой резервуара спин-спиновых взаимодействий и ориентацию кристалла относительно магнитного поля выполняют с определенным условием.

VI

О

t

00

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании квантовых парамагнитных усилителей (КПУ), применяемых в радиоприемных устройствах дальней космической связи и радиоастрономии.

Известны способы создания активного состояния, основанные на возбуждении спин-спинового резервуара с преобладающей энергией сверхтонких (СТ) взаимодействий парамагнитных ионов рабочего вещества, заключающиеся в следующем. Кристалл рабочего вещества, содержащий парамагнитные ионы с двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии, охлаждают, ориентируют относительно наложенного статического магнитного поля -

Н и воздействуют излучением накачки на один из СТ переходов спектра ЭПР ионов с магнитным ядром. В способе, а котором роль усиливающей среды выполняет зеема- новская подсистема ионов другого типа с немагнитным ядром в инверсном состоянии, возникающем вследствие его теплового контакта со спин-спиновым резервуаром с температурой Ts 0, необходимо условие

теплового контакта, выполняемое за счет

-

выбора ориентации кристалла в поле Н, ограничивает максимальную допустимую частоту усиливаемого излучения vs величиной 2AI, где I и А- соответственно ядерный спин и константа СТ структуры спектра ЭПР ионов с магнитным ядром.

От указанного недостатка свободен ближайший аналог предлагаемого изобретения, отличающийся от вышеописанного способа тем, что в нем используют кристалл с однотипными рабочими ионами, накачку осуществляют с охлаждением спин-спинового резервуара (0 , Т0 - равновесная температура кристалла), что приводит к об- ра ованию инверсии населенностей на СТ переходе с наименьшей из имеющихся частот таких переходов VMHH 2AI, а ориентацию кристалла подбирают с выполнением условия А {3-10)6, обеспечивающего расширение спектральной полосы усилия за счет концентрационного увеличения ширины линии 5 активного СТ перехода с частотой VMUH.

Ближайший аналог значительно уступает, однако, предыдущему по достигаемой

магнитной восприимчивости Я на частоте vs /определяющей величину коэффициента усиления G на единицу длины активного элемента КПУ. Главной причиной этого является малый получаемый коэффициент инверсии J о, 1 /2, от которого A (vs) зависит прямо пропорционально.

Цель изобретения состоит в увеличении

коэффициента усиления с одновременным расширением спектральной полосы усиления.

Эта цель достигается тем, что в способе,

включающем охлаждение рабочего вещества на основе кристаллов, содержащих пара- магнитные ионы двух типов с двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии, причем ядра ионов первого типа обладают магнитным моментом, а ядра ионов второго типа имеют нулевой магнитный момент, наложение на кристалл рабочего вещества статического магнитного поля, воздействие на кристалл излучением накачки с частотой, соответствующей одному из переходов СТ структуры ионов первого типа и ориентацию кристалла относительно направления наложенного магнитного поля, на кристалл воздействуют излучением накачки с частотой vp , удовлетворяющей неравенству VMMH vp vi, где VMHH - наименьшая частота в спектре СТ структуры ионов первого типа, vi - частота перевода между двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов первого типа, а ориентацию кристалла относительно направления наложенного магнитного поля осуществляют с выполнением условия vs vz - -А, где Vs- частота усиливаемого излучения, vi - частота перехода между двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов второго типа, А - константа СТ структуры ионов первого типа. Разделение функций поглощения энергии излучения накачки и парамагнитного усиления между рабочими ионами двух типов создает возможность увеличения параметра

G I A (vs) I J I за счет использования ионов второго типа с более высоким

значением магнитного момента р активного перехода в направлении магнитной составляющей усиливаемой волны. При этом сохраняется преимущество, заключающееся в возможности концентрационного расширения спектральной полосы усиления.

Предлагаемый способ поясняют фигуры 1 и 2, на первой из которых показаны расположение и неравновесные населенности рабочих энергетических уровней, а на второй

- соответствующая функция A (v) активной среды с параметром 1 - 3/2.

Изобретение осуществляется следующим образом. Берут кристалл содержащий парамагнитные ионы, например, трехззрядные ионы редкоземельной группы элементов в позициях с аксиальной симметрией локального электрического поля. Определяют для них методами ЭПР спектроскопии константы СТ структуры А и и А i, факторы спектроскопического расщепления д и д соответствующие углам в 0° и 90° между аксиальной осью симметрии и направлением поля Н, и по известным формулам gi - 0)2 + (grsln0),

А - gr1(gillAn cosfl)2 + (g/Aisin 0). (2) где I 1,2 - номер типа рабочих ионов, рассчитывают зависимости gi( 6) и А(0). С их помощью находят двумерную область значений в и Н, удовлетворяющих соотношениям

gi(0)/g2(0) A(3Kl+1), (3) vs g2(#)0H/h ,(4)

где vs - требуемая частота усиления, /3 - магнетон Бора, h - постоянная Планка. Выбирают в полученной области рабочий угол Во, соответствующий, с учетом применяемого в КПУ типа электродинамической системы, возможно большему значению

параметра /л /# да1 . где да1 и а - фактор и безразмерный матричный элемент активного перехода в преимущественном направлении магнитной компоненты усиливаемой волны, и при значении угла 00 по соотношению (4) рассчитывают рабочее поле Н0. Затем кристалл охлаждают до температуры Т0 (1,5-4,2)К, накладывают под -

углом во поле Н величины Н0. воздействуют получением накачки последовательно на все СТ переходы с частотами, лежащими в интервале значений от v мин до Vi gi , измеряя при этом инверсию на переходе с частотой v г . Измеряют также ширину линии д этого перехода. По полученным значениям коэффициента инверсии J и д оценивают ожидаемые коэффициент и спектральную полосу усиления, и при неудовлетворительном результате вышеперечисленные операции выполняют при измененном соотношении концентраций рабочих ионов, подбирают другой тип активных ионов из числа облада,- ,

ющих более высоким значением 1/л или осуществляют способ на другом подходящем кристалле.

Изобретение практически осуществлено

143м j3+/,

на

.174VK3+,

кристалле

LJYF

NdHO.5%): YbJ (0,1%) с известными

константами ЭПР рабочих ионов первого (143Nd34) и второго (174Yb3+) типов. В режиме То - 1.7К, во - 17°,vp - 14,ЗГГц в нем на переходе -A($j) 12,2ГГц

5 получена инверсия с коэффициентом J 0,5. Измеренная с использованием излучения, имеющего линейно поляризованную компоненту в направлении, перпендикулярном кристаллической оси

ю симметрии, магнитная восприимчивость активного перехода в 5 раз превышает значение аналогичного параметра в кристалле LlYF4:143Nd3+(0,5%), реализующего при тех же условиях способ-прототип, при 5 чем ширины линий активных переходов в указанных кристаллах приблизительно одинаковы ( 5 0,2 ГГц).

20 Формула изобретения

Способ создания активного состояния рабочего вещества квантового парамагнитного усилителя, включающий охлаждение рабочего вещества на основе кристалла, со25 держащего парамагнитные ионы двух типов с двумя основными уровнями электронно- спиновой энергии, причем ядра ионов первого типа обладают магнитным моментом, а ядра ионов второго типа имеют нулевой маг30 нитный момент, наложение на кристалл рабочего вещества статического магнитного поля, воздействующие излучением накачки на кристалл рабочего вещества с частотой излучения, соответствующей одному из пе35 реходов сверхтонкой структуры ионов первого типа и ориентацию кристалла рабочего вещества относительно направления наложенного магнитного поля, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения коэффици40 ента усиления с одновременным расширением спектральной полосы усиления, на кристалл рабочего вещества воздействуют излучением накачки с частотой vp, удовлетворяющей неравенству v, где

45 VMMH -наименьшая частота в спектре сверхтонкой структуры ионов первого типа, v i - частота перехода между двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов первого типа, а ориентацию кристал50 ла рабочего вещества относительно направ- ления наложенного магнитного поля осуществляют с выполнением условия rs -А, где vs-частота усиливаемого излучения, vi - частота перехода между

55 двумя основными уровнями электронно- спиновой энергии ионов второго типа, А - константа сверхтонкой структуры ионов первого типа.

Ц

о

W/i У0 У;

Фиг. I

ЬиЛ