Мазер и способ его возбуждения

 

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

CQ}03 СОВЕ1 СНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„80„„791153

3(5}) Í 01 S 1/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ (21) 2748323/18-23 (22) 04.04.79 (46) 23.06.83. Бюл. 9 23 (72) И.В. Матяш, A.H. Брик и A.Ñ. Литовченко (71) Институт геохимии и физики минералов AH Украинской ССР (53) 621.375.8(088.8) (56) 1.A.Сигнен,Мазеры.М., "Мир", 1966, с. 436.

2. Там же, с. 440. (54) МАУЗЕР И СПОСОБ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ. (57) 1. Мазер, содержащий активный

1 элемент, резонатор либо замедляющую систему и систему накачки,о т л и ч аю шийся тем,что,с целью уменьшения веса и габаритов маэера, при одновременном упрощении перестройки частоты рабочего сигнала, активный элемент выполнен иэ мориона .S102 с изоморфизмом Si4+- я (3.+

791153

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 по1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании твердотельных квантовых усилителей и гене- . раторов СВЧ диапазона (мазеров ), находящих применение в радиолокации 5 и космической технике.

Известны мазеры, содержащие активный элемент, резонатор и систему накачки (1 ), в качестве рабочего вещества которые могут быть использованы, например, этилсульфат лантана L{С2H

КЗСО (СИ)6 с примесью Сг 3", берилл (йзумруд )Л t> O ° 6Si 02 ЗВеО с пРимесью

-Сг +, рутил Т 0> с примЕсью F e + и некоторые другйе. Ионы примесей образуют внутри кристаллической решетки рабочего вещества. магнитные

1 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 ориентации дискретным энергетическим зр уровням.

Основным недостатком указанных мазеров является то, что основные элементы их выполняются из материа- 35 лов с неудовлетворительными механическими свойствами, гигроскопичных, растворимых в воде (этилсульфат лантана, кобальтцианид калия ), co слишком высокой диэлектрической про- 4р ницаемостью при существенной зависимости диэлектрических свойств от температуры (рутил )и для возбуждения их требуется громоздкое оборудование. 45

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является мазер, включающий активный элемент, резонатор либо замедляющую систему лем, а инверсию населенности создают; изменяя полярность этого поля.

3. Способ возбуждения мазера по п. 2, о т л и .ч а ю шийся .тем, что полярность электрического поля изменяют через промежуток времени, равный времени релаксации электрических диполей .мориона., и систему накачки (2g, причем активный элемент выполнен в нем из рубина.

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

Основным недостатком данного мазера является то, что для возбуждения рабочего вещества требуется сложное, громоздкое, тяжелое и дорогостоящее оборудование, а именно, мощный электромагнит с напряженностью магнитного поля между его полюсами 1 0 -1 0 Э, 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 сигнала 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 сигнала, требует использования многомодового резонатора, что усложняет

его конструкцию и затрудняет перестройку частоты.

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

Цель достигается тем, что в мазере, включающем активный элемент, резонатор либо замедляющую систему и систему накачки, активный элемент выполнен из мориона SiOg с изоморфизмом Si -э А(+, а в способе его возбуждения, включающем расщепление энергетических уровней и создание инверсной заселенности, расщепление энергетических уровней осуществляют, воздействуя на активный элемент постоянным электрическим полем, а

791153

20

60 б5 инверсную неселенность создают, изменяя полярность этого поля, причем полярность электрического поля изменяют через промежуток времени равный времени релаксации электрических динолей мориона. горнон, из которого в мазере изготавливается активный элемент, является кристаллической модифика—

Я месью А У . Это широко распространенная в природе и легко доступная разновидность кварца. глорион (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 испольэовать его в качестве рабочего вещества квантовых усилителей и генераторов обусловлены наличием в его кристаллической решетке дефектных тетраэдров, образованных в результате замещения некоторых атомов Si4+ атомами АГ и имеющих на одном из атомов кислорода электронную "дырку".

Пары А1з -О 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 дискретно изменяет свою ориентацию по направлению химических ,связей.

Каждому положению дырки на одном из ионов кислорода дефектного тетраэдра соответствует i-Tûé электрический уровень, энергия которого определяется выражением

Е1=Р; Е =p. cosL, (1) где P„ — вектор электрического дипольного момента;

Š— вектор напряженности внешнего электрического поля;

О ; — угол между направлениями электрического диполя и внешнего электрического поля.

В условиях термодинамического равновесия населенности уровней распределяются в соответствии с законом

Больцмана, убывая по мере возрастания энергии уровня.

Создавая тем или иным способом инверсию населенностей энергетических уровней, можно привести морион в активное состояние.

Это можно сделать либо обычным способом, насыщая один из переходов многоуровневой системы полем накачки либо путем изменения полярности внешнего постоянного злектрическог 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 восстановлеf5 ния больцмановского распределения населенностей, поддерживают морион в активном состоянии.

Для наблюдения явлений, подтверждакдих наличие у мориона физических свойств, позволяющих использовать его в качестве рабочего вещества квантовых усилителей или генера.торов и подтверждающих электро-дипольную природу этих свойств, про25 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, перпендику35 лярную кристаллографической оси третьего порядка (с ), структурная ,схема дефектного тетраздра, в кото ром атом Si + замещен атомом

A e3+, буквой Lz обозначена кристал40 лографическая ось второго порядка, буквами А,Б,В,à — кристаллографические позиции, занятые атомами кислорода, E — вектор внешнего постоянного электрического поля, Р— век45 тор 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 ис пользовать 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 о„, расположенный о между полюсами электромагнита 2 и соединенный с СВЧ генератором 3

;(клистроном трехсантиметрового диапазона) и с регистрирующим блоком 4

791153 посредством двойного СВЧ моста 5, к свободному плечу которого присоединена согласованная нагрузка б, В резонансной полости СВЧ резонатора 1 размещен исследуемый образец мориона 7 — многокристалла длиной

9 мм и диаметром сечения 1,5 мм. исследуемый образец 7 закреплен на фторопластовом держателе (не показан ) с возможностью вращения вокруг кристаллографической оси третьего порядка L3, совпадающей с осью цилиндрического резонатора 1, и размещен между двумя находящимися в резонансной полости плосконаправленными электродами 8, соединенными 15 посредством переключателя 9 с источником высокого напряжения 10. Электрическое поле между электродами 8 перпендикулярно оси „з кристалла 7.

Электроды, имеющие размер 10 х 2 мм, 2р и электрические вводы ориентированы вдоль магнитных силовЫх линий. СВЧ поля резонатора 1, вследствие чего они практически не искажают конфигурацию поля. 25

Возбудив с помощью СВЧ генератора

3 резонатор 1 водной типа Т Е р„„ и плавно изменяя пропорциональйо напряжению горизонтальной развертки регистрирующего блока 4 напряженность магнитного поля электромагнита 2, наблюдают на экране регистрирующего блока 4 две линии поглощения СВЧ мощнбсти резонатора 1 и их поведение при воздействии на образец (,кристалл мориона ) 7 постоянного 35 электрического поля. Это линии ЭПРспектров от "дырок", локализованных . на атомах кислорода в центрах A и Б дефектных тетраэдров (см. фиг. 1 ). .Сигналы, соответствующие локали- 40 зации "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 пози- 45 циях В и Г и соответственно более низкой населенностью этих уровней.

На фиг. 3,4,5 по оси абсцисс (вдоль линии горизонтальной развертки )отложены значения -напряженности 5ц магнитного поля Н, а по оси ординат (вдоль линии вертикальной развертки ) — интенсивность поглощения

ЭПР-спектров Р/Р, т.е. значения . мощности поглощения, нормированные . по мощности поглощение при Г = О, где Š— напряженность внешнего

1 постоянного электрического поля между электродами 8.

На фиг. 3 отображена каРтина, 50 наблюдаемая на экране регистрирующего блока 4 при Е = О, т.е при отключенном источнике напряжения 10, а также при таком положении исследуеюлого образца при, E 4 О, когда

Е) 42 @= 0i Й = 180, где Я угол между вектором Е и кристаллографической осью второго порядка (.2 (см. фиг. 1 ); на фиг. 4 — соответствует условиям: Е +б .10З кв/м, Е i L >, В = 90О фиг. 5 — соответствует условиям: Е= — 6.103кв/и

Е 1 L<, Я = 270О на фиг. б — отражена зависимость интенсивности линий

ЭПР-спектров для центров A и Б от ориентации исследуемого образца относительно вектора напряженности внешнего постоянного электрического поля, создаваемого электронами 8.

На фиг. 7 и 8 отражена зависимость интенсивности линий ЭПР-спектров для центров A и Б от напряженности внешнего постоянного электрического поля при 6 = 90 (фиг. 5а) и при 8 = 270О, т. е. при измененной полярности внешнего постоянного электрического поля (фиг. 56) .

На фиг. 9, 10 и 11 показано изменение во времени 4 интенсивности P/Pp линий поглощения ЭПР-спектров от "дырок", локализованных в центрах A (фиг. 10 )и Б (фиг. 11) при периодическом изменении полярности внешнего электрического поля (фиг. 9) ь — время релаксации электрических диполей, т.е. время, в течение которого после переключения полярности . восстанавливается больцмановское распределение населенностей дискретных 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 энергетическими уровнями, расщепление которых осуществляется под воздействием постоянного электрическо-" го 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 по-.

791153 стоянного электрического поля (при отсутствии магнитного поля, Н = 0 ) 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 описайия изобретения, морион обладает всеми необходимыми механическими, химическими и физическими свойствами, позволяющими,использовать его в качестве рабочего вещества твердотельных квантовых уаилителей 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 кван.товых усилителях и генераторах позволяет значительйо уменьшить стоимость, .вес и габариты оборудования, приводящего рабочее вещество в активное

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

Зз усилителей и генераторов (мазеров ) в космической технике.

Кроме того, использование мориона в квантовых усилителях и генераторах позволяет значительно упростить

4Q процесс перестройки частоты рабочего сигнала, осуществляемый изменением величины напряжения, подводимого к электродам, между которыми помещен рабочий кристалл.

791153

Ме Ф ф

Фиг. 12

ВНИИПИ Заказ б620/3 Тираж 590 Подписное

Филиал ППП ".Патент", .r, Ужгород,. Ул. П овктная 4