Способ создания активного состояния рабочего вещества квантового парамагнитного усилителя

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 $1/02

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4725223/25 (22) 02,08.89 (46) 23.09.92. Бюл. М 35 (71) Казанский государственный университет им. B.È;Óëüÿíîâà (Ленина) (72) А.Х.Хасанов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1568839,кл. Н 01 $ t /02, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N. 1376877,кл. Н 01 S 1/02, 1986, . Ы2 1764481 А1

2 (54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ АКТИВНОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА КВАНТОВОГО ПАРАМАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ (57)Использование; квантоваязлектроника.

Сущность изобретения: в кристалле, содер(жащем два тйпа"парамагйитйых ионов, излучением накачки ионы типа 1 с магнитным ядром переводят в состоянйе с пониженной температурой резервуара спин-спиновых взаимодействий и ориентацию кристалла относительно магнитного поля выполняют с определенным условием, 17644S1

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 CT переходов спектра ЭПР ионов с магнитным ядром. В способе, в котором роль усиливающей среды выполняет зеемановская подсистема ионов другого типа с немагнитным ядром в инверсном состоянии, возникающем вследствие его теплового контакта со спин-спиновым резервуаром с температурой Тз< О, необходимо условие теплового .контакта, выполняемое за счет выбора ориентации кристалла в поле Н, ограничивает максимальную допустимую частоту усиливаемого излучения v> величиной

2AI, где I и А- соответственно ядерный спин и константа CT структуры спектра ЭПР ионов с магнитнйм ядром.

От указанного недостатка свободен ближайший аналог предлагаемого изобретенйя, отличающийся от вышеописанного

- способа тем, что в нем используют кристалл с однотипными рабочими ионами, накачку осуществляют с охлаждением спин-спинового резервуара (0< Тз<ТО, To — равновесная температура кристалла), что приводит к. обрЖованию инверсии населенностей на CT переходе с наименьшей из имеющихся частот таких переходов v>«> 2AI, а ориентацию кристалла подбирают с выполнением условия А (3-10) д, обеспечивающего расширение спектральной полосы усилия за счет концентрационного увеличения ширины линии д активного CT перехода с частотой умин.

Ближайший аналог значительно уступает, однако, предыдущему по достигаемой магнитной восприимчивости il на частоте

v>, îïðåäåëÿþùåé величину коэффициента усиления G йа единицу длины активного элемента КПУ. Главной причиной этого является малый получаемый коэффициент инверсии J ы 1/2, от которого il (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 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 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 накачкй с частотой рр, удовлетворяющей неравенству

30 ,руцщ < Рр <,р, гдер ин — наименьшая частота в спектре CT структуры ионов первого типа, v1 — частота перевода между двумя

35 основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов первого типа, а ориентацию кристалла относительно направления нало- . женного магнитного поля осуществляют с

ВЫПОЛНЕНИЕМ уСЛОВИя Vs =1ф - рмин - А, ГдЕ м - частота усиливаемого излучения, v1 — частота перехода между двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов второго типа, А —. константа CT структуры ионов первого типа, Разделение функций поглощения энергии излучения накачки и парамагнитного усиления между рабочими ионами двух типов создает возможность увеличения параметра

G 1А (v>) I J I р! за счет использовав 2 ния ионов второго типа с более высоким

55 значением магнитного момента р активного перехода в направлении магнитной составляющей усиливаемой волны. При этом сохраняетея 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 А (ю) активной среды с параметром 1 - 3/2.

Изобретение осуществляется следующим образом. Берут кристалл содержащий парамагнитные ионы, например, трехзаряд1764481 ные ионы редкоземельной группы элементов в позициях с аксиальной симметрией локального электрического поля. Определяют для них методами ЭПР спектроскопии константы СТ структуры А в и А, факторы спектроскопического расщепления g и ц, II соответствующие углам О -0 и 90 между аксиальной осью симметрии и направлением поля Н, и по известным формулам

1О р = ((р"cos О) + (gI з пО)2у)1 2, (1) параметра fp I = P gz, где gz и 0 — фактор

1 и безразмерный матричный элемент активного перехода в преимущественном наи равлении магнитной компоненты зо усиливаемой волны; и при значении угла 9, по соотношению (4) рассчитывают рабочее поле Н>. Затем кристалл охлаждают до тем35 пературы То = (1,5-4,2)К, накладывают под углом О4 поле Н величины Но, воздействуют получением накачки последовательно на все СТ переходы с частотами, лежащи40

МИ В ИНтЕРВаЛЕ ЗНаЧЕНИй От 1 мин ДО 11=о1 pH,/h, измеряя при этом инверсию йа переходе с частотой 1 2 . Измеряют также ширину линии д этого перехода, По полученным значениям коэффициента weep- 4s сии J и д оценивают ожидаемые коэффициент и спектральную полосу усиления, и при неудовлетворительном результате вышеперечисленные операции выполняют при измененном соотношении

50 концентраций рабочих ионов, подбирают другой тйп активных ионов из числа облада1

«ф ющих более высоким значением1,и! или осуществляют способ на другом подходящем

55 кристалле, Изобретение практически осуществлено на кристалле L1YF4:

Nd (0.5 ); 7 Yb (0,1 ) с известными

91 ((91 Ав созб) + {91Р з!п О) ), (2) где 1 = 1,2 — номер типа рабочих ионов, Is рассчитывают зависимости gI(6) и А(О) . С их помощью находят двумерную область значений О и Н, удовлетворяющих соотношениям (g1(8)/92(О)-1) vÚ - A(@l+ 1), (3) zo

1ЪВ= 92(О)ф Н/Ь, (4) где 1Ъ вЂ” требуемая частота усиления, Р магнетон Бора, h — постоянная Планка, Выбирают в полученной области рабочий угол

Оо, соответствующий, с учетом применяемо го е КПУ типа электродинамической системы, возможно большему значению константами ЭПР рабочих ионов первого (Nd +) и второго (Yb. ) типов. В режиме То 1,7К, @ = 17 ур - =14,3ГГц в нем на переходе гаин -А(64) - 12,2ГГц получена инверсия с коэффициентом

J 0,5. Измеренная с использованием излучения, имеющего линейно поляризованную компоненту в направлении, перпендикулярном кристаллической оси симметрии. магнитная восприимчивость активного перехода в 5 раз превышает значение аналогичного параметра в кристалле LIYF4: Nd3 (О;5®, реализующего при тех же условиях способ-прототип, причем ширины линий активных переходов в указанных кристаллах приблизительно одинаковы (д 0,2 ГГц), Формула изобретения

Способ создания активного состояния рабочего вещества квантового парамагнитного усилителя, включающий охлаждение рабочего вещества на основе кристалла, содержащего парамагнитные ионы двух типов с двумя основными уровнями электронноспиновой 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, воздействующие излучением накачки на кристалл рабочего вещества с частотой излучения, соответствующей одному из переходов сверхтонкой структуры ионов первого типа и ориентацию кристалла рабочего вещества относительно направления наложенного магнитного поля, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления с одновременным расширекием спектральной полосы усиления, на кристалл рабочего вещества воздействуют излучением накачки с частотой vp, удовлетВОРЯЮЩЕй НЕРаВЕНСтВУ М ин< Мр< V1, ГДЕ наин — наименьшая частота е спектре сверхтонкой структуры ионов первого типа, м1— частота перехода между двумя основными уровнями электронно-спиновой энергии ионов первого типа, а ориентацию кристалла рабочего вещества относительно направления наложенного магнитного поля осуществляют с выполнением условия v>p2 = Йасин -А, где уз частота, усиливаемого излучения, z — частота перехода между двумя основными уровнями электронноспиновой энергии ионов второго типа, А— константа сверхтонкой структуры ионов первого типа.

1764481

У1/2 itin/

" /2

-ь /г

Ме// ю/2

Составитель А.Хасанов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор

Редактор Т.Куркова

-"-;« -.«;=«в:аамььМ« -::=.- в

Заказ 19 = Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-иэдательск«ий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101