Мазер и способ его возбуждения Советский патент 1983 года по МПК H01S1/02 

2. Способ возбуждения мазера по п. 1, включающий расщепление энергетических уровней дефектов кристаллической .решетки рабочего вещества и создание инверсной н-.селенности, отличающийся тем, что для расщепления энергетических уровней воздействуют на рабочее вещество постоянным электрическим полем, а инверсию населенности создают,изменяя полярность этого поля.

, 3. Способ возбуждения мазера по п. 2, отли.чающийся -тем, что полярность электрического поля изменяют-через промежуток времени, равный времени релаксации электрических диполей .мориона.

1. Мазер, содержащий активный элемент, резонатор либо замедляющую систему и систему накачки,о т л и ч аю щ и и с я тем,что,с целью уменьшения веса и габаритов мазера, при одновременном упрощении перестройки частоты рабочего сигнала, активный элемент выполнен из мориона SiО, с изоморфизмом СО ел со

1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании твердо„тельных квантовых усилителей и генераторов СВЧ диапазона (мазеров, находящих применение в радиолокации и космической технике.

Известны мазеры, содержащие актиный элемент, резонатор и систему накачки , в качестве рабочего вещества которые могут быть использованы, например, этилсульфат лантана L( C2Hg.sO )з с примесью галодиния , кобальтцианид калия КзСО (CN), с примесью Сг, берилл (изумруд )ЛЕ,20о-63102 ЗВеО примесь -Сг, рутил Ti 02 с примесью Fe и некоторые другие. Ионы примесей образуют внутри кристаллической решетки рабочего вещества- магнитные диапольные моменты (спины), положение энергетических уровней которых определяется как расщеплением во внутренних кристаллических полях, так и их взаимодействием с внешним магнитным полем, под влиянием которого произвольно ориентированные магнитные дипольные моменты, приобретают вполне определенные разрешенные дискретные ориентации и распределяются по соответствующим ориетации дискретным энергетическим уровням.

Основным недостатком указанных мазеров является то, что основные элементы их выполняются из материалов с неудовлетворительными механическими свойствами, гигроскопичных, растворимых в воде (этилсульфат лантана, кобальтцианид калия ), со слишком высокой диэлектрической проницаемостью при существенной зависимости диэлектрических свойств от температуры (рутил ) и для возбуждения их требуется громоздкое оборудование.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является мазер, включающий активный элемент, резонатор либо замедляющую систему

,и систему накачки 2, причем активный элемент выполнен в нем из рубина.

Возбуждение данного мазера осуществляют за счет расщепления энергетических уровней дефектов внешним 5 постоянным-магнитным полем и создания инверсной населенности внешним переменным электромагнитным полем.

Основным недостатком данного мазера является то, что для возбуждения 10 рабочего вещества требуется сложное, громоздкое, тяжелое и дорогостоящее оборудование, а именно, мощный электромагнит с напряженностью магнитного поля между его полюсами Э, 5 имеющий сложную систему стабилизации тока при регулируемой напряженности магнитного поля. Габаритные размеры такого оборудования составляют более 0,5 м, а вес - более 100 кг,

Перестройка частоты рабочего сиг нала при этом связана с определенными трудностями, причиной которых является сложность создания стабильных регулируемых магнитных полей - высокой напряженности. Кроме того, необходимость использовать для возбуждения рабочего вещества переменное электромагнитное поле с частотой, отличной от частоты рабочего 0 сигнала, требует использования многомодового резонатора, что усложняет его конструкцию и затрудняет перестройку частоты.

Целью изобретения является уменьшение веса и габаритов мазера при одновременном упрощении перестройки частоты рабочего сигнала.

Цель достигается тем, что в мазере, включающем активный элемент, 0 резонатор либо замедляющую систему - и систему накачки, активный элемент выполнен из мориона Si02 с изоморфизмом - А 1 , а в способе его возбуждения, включающем расщепление с энергетических уровней и создание инверсной заселенности, расщепление энергетических уровней осуществляют, воздействуя на активный элемент постоянным электрическим полем, а инверсную неселенность создают, изменяя полярность этого поля, причем полярность электрического поля изменяют через промежуток времени равный времени релаксации электрических динолей мориона. Морион, из которого в мазере изготавливается активный элемент, является кристаллической модификацией двуокиси кремния Si02 с примесью ДЕ,. Это широко распространенная в природе и легко доступная разновидность кварца. Морион (марион ) .имеет твердость по минералогической шкале 7, плотность 2650 кг/см, электрически прочен, его диэлектрические свойства слабо зависят от частоты и температуры, химически стоек, негигроскопичен, нерастворим в воде. Физические свойства мориона, позволяющие использовать его в качест ве рабочего вещества квантовых усил телей и генераторов обусловлены нал чием в его кристаллической решетке дефектных тетраэдров, образованных в результате замещения некоторых атомов атомами и имеющих на одном из атомов кислорода элект ронную дырку. Пары Ai -O представляют собой электрические диполи. Электронная дырка может локализоваться на том или другом ионе кислорода. При перескоке дырки с одного иона кислорода на другой электрический диполь дискр етно изменяет свою ориен тацию по направлению химических ,связей. Каждому положению дырки на одно из ионов кислорода дефектного тетраэдра соответствует i-тый электрический уровень, энергия которог определяется выражением ,-г..Е rpj-cosin- (i; где Р,- - вектор электрического ди польного момента; Е - вектор напряженности внеш него электрического поля; oi - угол между направлениями электрического диполя и внешнего электрического поля. В условиях термодинамического равновесия населенности уровней ра пределяются в соответствии с закон Больцмана, убывая по мере возраста ния энергии уровня. Создавая тем или иным способом инверсию населенностей энергетичес них уровней,можно привести морион в активное состояние. Это можно сделать либо обычным способе, насыщая один из переходо многоуровневой системы полем накач либо путем изменения полярности внешнего постоянного электрическог поля, воздействующего на кристалл. При мгновенном изменении полярности внешнего электрического поля, от направления которого, как видно из уравнения ( 1 ), зависит энергия дискретных уровней, энергия уровня с большей населенностью превосходит энергию уровня с меньшей населенностью. Периодически изменяя полярность внешнего электрического поля, через интервалы времени, близкие времени релаксации электрических диполей, т.е. времени восстановления больцмановского распределения населенностей, поддерживают морион в активном состоянии. Для наблюдения явлений, подтверлщаюлих наличие у мориона физических свойств, позволяющих использовать его в качестве рабочего вещества квантовых усилителей или генераторов и подтверждающих электро-дипольную природу этих свойств, проведены эксперименты, использующие явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Использовать для этой цели явление ЭПР позволяет тот факт, что заряд на ионе кислорода в дефектных тетраэдрах кристаллической решетки мориона обусловлен электроном с нескомпенсированным спиновым моментом. На фиг. 1 представлена спроектированная на плоскость, перпендикулярную кристаллографической оси третьего порядка (оСз структурная схем§ дефектного тетраэдра, в котором атом Si замещен атомом Аб, буквой i.2 обозначена кристаллографическая ось второго порядка, буквами А,Б,В,Г - кристаллографические , занятые атомами кислорода, Е - вектор внешнего постоянного электрического поля, Р - вектор электрического дипольного момента . На фиг. 2 представлена блок-схема экспериментальной установки для регистрации спектров поглощения СВЧ мощности; на фиг. 3-12 - графики,, подтверждающие наличие у мориона физических-свойств, позволяющих использовать его в качестве рабочего вещества квантовых усилителей и генераторов и подтверждающие электродипольную природу этих свойств. Экспериментальная установка собрана по стандартной схеме регистрации спектров ЭПР. Она содержит СВЧ резонатор 1, например цилиндрический с водной типа ТЕ Q, расположенный между полюсами электромагнита 2 и .соединенный с СВЧ генератором 3 ;(клистронсм трехсантиметрового диапазона ) и с регистрирующим блоком 4 посредством двойного СВЧ моста 5, к свободному плечу которого присоединена согласованная нагрузка 6. 8резонансно полости СВЧ резонатора 1 размещен исследуемый образец мориона 7 - многокристалла длиной 9мм и диаметром сечения 1,5 мм. Ис следуемый образец 7 закреплен на фт ропластовом держателе (не показан) с возможностью вращения вокруг крис таллографической оси третьего порядка L , совпадающей с осью цилиндрического резонатора 1, и раз мещен между двумя находящимися в резонансной поЛости плосконаправлен ными электродами 8, соединенными посредством переключателя 9 с источ ником высокого напряжения 10. Электрическое поле между электродами 8 перпендикулярно оси L, кристалла 7 Электроды, имеющие размер 10x2 мм и электрические вводы ориентированы вдоль магнитных силовцх линий- СВЧ поля резонатора 1, вследствие чего они практически не искажают конфигурацию поля, Возбудив с помощью СВЧ генератор 3 резонатор 1 водной типа ТЕ Q-J и плавно изменяя пропорционально напряжению горизонтальной развертки регистрирующего блока 4 напряженность магнитного поля электромагнита 2, наблюдают на экране регистрирующего блока 4 две линии поглощеНИН СВЧ мощности резонатора 1 и их поведение при воздействии на обра-. зец кристалл мориона 7 постоянног электрического поля. Это линии ЭПРспектров от дырок, локализованных на атомах кислорода в центрах А и Б дефектных тетраэдров (см. фиг. 1). -Сигналы, соответствующие локализации дырок в позициях В и Г, значительно слабее, чем сигналы от дырок в позициях А и Б, что обусловлено более высоким уровнем энергий электрических диполей в позицинк В и Г и соответственно более кизкой населенностью этих уровней. На фиг. 3,4,5 по оси абсцисс (вдоль линии горизонтальной разверт ки /отложены значения напряженности магнитного поля н а по оси ординат (вдоль линии вертикальной развертки ) - интенсивность поглощения ЭПР-спектров Р/РО, т.е. значения мощности поглощения, нормированные по мощности поглощение при Е О, где - напряженность внешнего постоянного электрического поля меж ду электродами 8, На фиг. 3 отображена картина, наблюдаемая на экране регистрирующе го блока 4 при f О, т.е при отклю ченном источнике напряжения 10, а также при таком положении исследуемого образца при , Е т О, когда /kj/ 0° а 180 где в угол меншу вектором Б и кристаллографической осью второго порядка 1,2 (см. фиг. 1) на фиг. 4 - соответствует условиям: Е +6-10 кв/м, Е1 L2, & 90° фиг. 5 - сортветfTBysT условиям: Е-- , 1 (-2,6 270° на-фиг. 6 - отражена зависимость интенсивности линий ЭПР-спектров для центров А и Б от ориентации исследуемого образца относительно вектора напрях енности внешнего постоянного электрического поля, создаваемого электронами 8. На фиг. 7 и 8 отражена зависимость интенсивности линий ЭПР-спектров для центров А и Б от напряженности внешнего постоянного электрического поля при е 90°(фиг. 5а} и при © 270°, т.е. при измененной полярности внешнего постоянного электрического поля (фиг. 56. На фиг. 9, 10 и 11 показано изменение во времени -fc интенсивности Р/Рд линий поглощения ЭПР-спектров от дарок, локализованных в центрах А (фиг. 10 ) и Б (фиг. 11 при . периодическом изменении полярности внешнего электрического поля (фиг. 9JС - время релаксации электрических диполей, т.е. время, в течение которого после переключения полярности . восстанавливается больцмановское распределение населенностей дискретны энергетических уровней, обусловленных взаимодействием электрических диполей, дискретно ориентированных вдоль линий химических связей с..внешним электрическим полем. Учитывая, что интенсивность линий погложения ЭПР-спектров пропорциональна количеству дырок в соответствующих кристаллографических центрах, из результатов проведенных экспериментов, отраженных на фиг. 311, -МОЖНО делать следующие выводы: 1) морион обладает дискретными энергетическг ми уровнями, расщепление которых осуществляется под воздействием постоянного электрического поля И зависит как от величины напряженности, так и от его ориентации относительно кристаллографических осей кристалла/ что свидетельствует об электродипольной природе этих дискретных энергетических уровней ; 2 ) изменяя полярность постоянного электрического поля воздействующего на кристалл, можно создать и поддерживать инверсию населенностей дискретных энергетических уровней и тем самым приводить морион в активное состояние. Для непосредственного наблюдения поглощения СВЧ мощности образцом мориона при воздействии на него постоянного электрического поля (при отсутствии магнитного поля, Н О и для оценки величины напряженности этого поля, необходимой для создания энергетического зазора между уровнями, соответствующего частоте резонатора 1, плавно изменяют пропорционально напряжению горизонтальной развертки регистрирующего блока 4 напряжение источника высокого напряжения 10 и соответственно напряженность постоянного электрического поля между электродами 8 при отключенном электромагните 2 (Н 0 При этом на экране регистрирующего. блока 4 наблюдают линию поглощения СВЧ мощности образцом мориона 7 (см, фиг. 12). Интенсивность поглощения при приближении образца к пучности электрического поля резонатора возрастает, достигая максимума в пучности электрического поля, что подтверждает электродипольную природу дефектов, имеющих дискретные энергетические уровни и свидетельствует о том, что переходы между энергетическими уровнями осуществляются за счет энергии электрического поля.

Следует отметить, что такими физическими свойствами как морион могут обладать и другие монокристаллы, как природного происхождения, . так и полученные искусственным путем, имеющие в своей кристаллической решетке дефектные полиэдры с электрическими диполями, образованными избыточными электронами или дырками.

Таким образом, как следует из .описания изобретения, морион обладает всеми необходимыми механическими, химическими и физическими свойствами, позволяющими ,использовать его в качестве рабочего вещества твердотельных квантовых усилителей и генераторов. Благодаря его распространенности в природе, доступности и сравнительно невысокой стоимости он с успехом может заменить в мазерах дорогостоящий рубин. При

этом использование мориона в квантовых усилителях и генераторах позволяет значительйо- уменьшить стоимость, вес и габариты оборудования, приводящего рабочее вещество в активное

0 состояние, поскольку электродипольная природа дискретных энергетических уровней в морионе позволяет использовать для его возбуждения постоянное электрическое поле ( а не

5 магнитное, как для рубина и других известных материалов с парамагнитными примесями /, которое может быть создано посредством миниатюрных электродов, размещаемых внутри СВЧ резонатора. При этом вес и габариты пассивной части оборудования для возбуждения рабочего вещества обусловлены в основном весом и габаритами СВЧ резонатора и составляют:

вес - в пределах 1 кг, габаритные размеры - несколько сантиметров -(в соответствии с длиной волны рабочего сигнала /, в то время, как вес оборудования для возбуждения известных материалов, посредством магнитного поля составляет около 100 кг и более, а габаритные размеры - не менее 0,5 м. Такое существенное уменьшение веса и габаритов особенно важно при использовании квантовых

5 усилителей и генераторов ( мазеров) в космической технике.

Кроме того, использование мориона в квантовых усилителях и генераторах позволяет значительно упростить процесс перестройки частоты рабочего сигнала, ос5ществляемый изменением величины нёшряжения, подводимого к электродам, между которыми помещен рабочий кристалл.

1,0то

X

uz.2

Т I.

НО) 3ZQO

fpuz.3

Ж

/,5

0.5

JIM

3JQO

f,o

0.5

3200

3)50 Фиг.

HO)

3WO

P Pa

3150 фиг. 5

3200

0.5

15

0.5

Б .

P PO

6 Фи&. 7

15

0,5

,24 ,y .ц,

I

I

7,5f.O1.5

Puz.f2

toTtffy