Мазер

 

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 кроссрелаксационным процессом второго порядка.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАБИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕ)НЫЙ КОМИТЕТ

0О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ i KhT СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (5!)5 Н 01 S 1/02

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4471159/25 (22) 03.08.88 (46) 07.01.92. Бюл. % t (71) Институт радиофизики и электроники

АН УССР (72) С.К. Кондрашин (53) 621.375.8(088.8) (56) Штейншлейгер В.Б. и др. Квантовые усилители СВЧ. — M. Советское радио. 1971, с. 432.

Forrester Р.А. ет el. See saw maser

operations Арр!. Phys. 1961. v. 32, Ь 2, р. 317: (54) МАЗЕР (57) Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным квантовым усилителям. Оно может найти

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

Основным элементом квантового.усилителя (КУ) является активный кристалл (АК) с. парамагнитными ионами, находящийся в статическом магнитном поле IT, осуществляющем необходимое зеемановское расщепление их энергетических уровней.

Размещается AK s электродинамической системе (ЭС) — резонаторе. замедляющей системе (3C) или отрезке волновода в зависимости от THAB КУ. К активному кристаллу предьявляется целый ряд жестких. ЯХ 1704205 А1 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

IT< в электродинамической системе таким образом, что угол О между кристаллографической осью с и магнитным полем IT< определяется из соответствующего выражения.

При этом холостой переход оказывается связанным с переходом накачки кроссрелаксационным процессом второго порядка. требований, в результате че о, 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 Н, и выбор сигнального перехода и перехода (или переходов) накачки.

Ориентация кр 1стг лла относительно статического магнитного поля определяется значением углов О и р — между вектором IT u кристаллографическими осями с и а соответственно. В ряде случаев с целью улучшения параметров усилителя удается использовать кросс-релаксационные процессы

170420 ;1

10

20

35

55 (КРГ!к При эг.>м д. л соблюдения определсч1ных r „01! ILIOtий ме;! .Ду чзстотал1!1 ц! ОТДЕЛЬ! к!Х ПврЕХОДQB Ц В.! !ИС: ЛЮ1 УГЛЫ А, ри в::л! «;и >мап итный полей, при I:0TOpët; такие процессы б;дут vt .От! л",осто.

Ызг:остеtl КУ. Г1ключа!Ощий L себя в к3 честв" I К си! ! Отический изул! р1Д. Кристалл обладает подходящим для сантиметрового и миллимет!>ОВОГО диа l330I!ОВ длин l .Îëн спект,:.0;л. ".çcòoòý сигнэлз 1 EI дз>н;ой конструкции выбран; равной 37.7 ГГц, Н дост-:.:твом этого КУ является низкое качес1 О синтетических крисlаллов изумруда. Об. ясняется это тем, то; ост изумруда р 13p б Он лишь I iÐтодом р "Г- твО!1з в раc плзвс", OTOpült не позволяет пзлуч!Гть кристаллы !!е бходимого высокого качества.

Так. Изморе«!.зя в работ» ширина nt;!I!;i<

ЭЛЕКтрЗННОГО ПарЗМЗГНИТНОГО розов!Л!!Са (ЭПР) - образце небольшого ооьема составила 253 УГц. что не позволяет создать КУ с достз r01I:L1 с !сокими пар;!Метрами.

Т;-;>::e извес !ен КУ, вклге .зющ!|й в себя

9 I в качсстве И ру Гил (Ti0z.j-е" ), расположенный в ста и !веком магни1«ом пеле Г(с. При этом и:1ользуется КРП 2-го порядка, cвязыва !.",Ий м жду собой холостой переход 2-6 и переходы накачки 1-3 и 3 — 5 (2vI3 = 21 з " T zc)

Не,г,остат;:ами этого КУ являются небольшой коэ фициснт усиления. нестабиль;.Ость в работе, ограниченность при..!е !ения гдной фиксированной чаг.тоТо L Кс! Ольза.;а«ие рутилз в КУ, особенно милл! . . i! 0 01 О д! Впазонз длин Волн. весь ма эатр дн«тельно в связи с большой гелич.»ic:. Диэлектрической про!!Ицае!.-:ости

Р; (" 170). Приходится пр .1л1енйть Очень л1злые 05.,змь! его. что сни;-;ает ксгффиц ICIIT усилен.; —,. Кр0 е того, крутила xài>»rT»pllýóется с;л i!oil тсмперзтурно11 зависимостью, что пр".Lодит t; нестзСильности парзме1pOD, услож! >-,OT зстройку и экс, IyaT3tj»to усилителя. >словно выполнения 1!Споl!ьзОВЗ!(НОГО в это I i,"> КРП огра>гичено одной фиксированной !Зстотай.

Наибoлea близким к предлзгаемому являетгя КУ, вкл О .alOLI»!й в себя s качестве АК руоин (Ч.:Эз:С J, нахо яиjt ècÿ D статиче.з ском мзг>-,ИТНОм по".å l. при этом использу.тся КРП. соединяющий между собой холость!е переходы 2-3 и 3-4. Условие выполнен:. я КРП в этой работе задается графической зависимостью 3!!а !ения угла О от частоты сигнь!а Т . В ка locTве сигнзль!:Ого ис!1ользустся переход 1-2. Накачки — переход 1-3.

Руб.. н с!!«т эиг1уется мзтгдс м Чохральского, по обеспечивз»1 л13>!!:!е структ рнь е неод!!Ород! ости, Кристалл характеризуется малой LUèðvI,Oé ли!!Ий пÎглîUjCtièë (00 MГц), !

1спользо!1ание в качестве сигнального ни>„него перехода 1 2 сг!Особствует повыше ни!о маги iTII0r0 дс! ремента. Приме!1Онный

КРП !Гозвол!:л о! Ойтись одним генератором накачки.

Недостатками этого КУ явля!Отся небольшой коэффициент усиления, нестабильность в работе и ограниченность применения узкой частью сантиметрового дизГ1аэонз длин волн.

Обычно при использовании в кз !ccTве сигнального !!ерехода 1-2 применяется на",à;êà, по переходу 1-4 или два генерз!ора, насыщающие переходы 1 3 L1 3--4 (так называемая "ступон !атая накачка" ). В первом случае малая разрешил;ость перехода 1-4 требует применения генератора значительной мощности (1 Вт), Во втором имеет Место энзчителькое усложнение конструкции, так как применяется лишь одна накачка по переходу 1-3, а падение коэффициента усиления ласти !Но компе! сируется использов;!Ние! КРП, ьь!рэ>!Ига.ощсго неселенности холостых пер»ходов 2- 3 и 3-4. Однако переход 3-4. не насыщаемый отдельным источjIиком, не связан и с пареходол1 накачки 1-3, Tri не позволяет получить достаточно высоiì;l коэффициент усиления. Рубин имеет неo"начительное начальное расщепление, у!>Овней (11,5 ГГц) и при использовании в

КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧЗСТИ СЗНТИМЕ!РОВЫХ И В миллиметровых диапазонах дл:!и волн треСует применения больших магн".òíûõ полей. При этом его спектр приближается к эквидистантному, уменьша!Отся вероятности межуровневых переходов, что в конечном счете снижает коэффициент усиления, требует доilîë«ительного повыUlåèèÿ мощности генерзтора накачки. Как следствие, возкик-"ет дополнительная !,Оустойчивость (усил .1вается кипе; !ие гелия, температурный градиен-} и по!1Ижоется стабильность усилени». используе!1ь!й КРП рс злизуется только в узкой части сантиметрового диапазона длин волн, Цель изобретения — обеспечение высокого и стабильного коэффициента усиления.

Поставленная цель достигаг тся тем, что в V>r, включаю ций в гебя активный крисТалл, находящийся в статическом лпгнитН0! поле Рс, в качегтве АК использован алекса!!Дрит (ФЗВеО.I:Cr ).

Кроме того, f) пр, д!1Оженнол1 усилителе

AK орив тировзн относительно поля Р таким г бр .30M, t I 0 для л!Обой конкретной i3- . стоты с!!г«ала T соо.ветстгу!о цей час1оте пс,"".ход» 1-2, и угла р между крис гаг!логра1704205

Ь фической осью а активного кристалла и магнитным полем К,, угол И между кристаллографической ось(о с и полем Н» определяется из выражечия з

«(9 = g вц(ь(д((«(i")9 (=о I=-о где

- -0,7

3.6 10

-42 . 10

1.б - 10

50 10

-2,5 . 10

30 106

1,3. 10

9,9 10

° — f,9 ..

В()= 1,7. 10

44 10

По анализу патентной и научно-технической литературы автору не известен КУ. в котором в качестве активного кристалла используется александрит (А!",Ве04. Сг ).

Кроме того, неизвестен КУ, в котором активный кристалл ориентирован относительное магнитногополя Н» таким образом, что для любой конкретной частоты сигнала

v,, соответствующей частоте перехода 1-2. и величины угла рмежду кристаллографической осью а активного кристалла и магнитным полем 1-(». Угол О между кристаллографической осью с и полем Н» определяется из выражения (1).

На фиг. 1 представ",ена частотная расстройка переходов 1-2 и 3- 1; на фиг. 2— графическо. и pеqставлeние зав;(с((л(ости.

Использование в качестве АК александритз (А!2Ве04:Сг ). который имеет большее, з чем в рубине, началькое расщепление и значительную аксиальную асимметрию спектра ЭПР. обеспечивает большую величину матричных элементов операторов межуровневых 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 AK относительно статического магнитного поля Н» таким образом. что для любой конкретной частоты сигнала il соответствующей частоте перехода 1-2, и угла р между кристаллографической осью а активного кристалла н магнитным поле!4, угол О между кристаллографической осью с. и полем 0< определяется из выражения (1), позволит ис((ользсвать для повышения инверсии на сигнальном переходе VPfl второго порядка связывающий л(ежду собой холостой переход 3 — 4 и переход накачки 1 — 3 ((3 = 2Мр). Аэто, всвое очередь, еще более повысит положительный эффект.

Предложенный КУ может быть реализован в виде любого из трех типов, Он состоит из AK — александрита (А!2ВеОа Cr ), находящегося в статическом магнитном полем IT

5 и помещенного в электродинамическую систему (ЭС), которая в зависимости от типа усилителя будет представлена замедляющей системой (3C), резонатором или отрезком волновода, При этом АК ориентирован

10 относительно поля Д» таким образом, что для любой конкретной частоты сигнала (», соответствующей частоте перехода 12, и величины угла рмежду.кристаллограЮ. фической осью а активного кристалла и

15 магнитным полем К» угол О между кристаллографической осью и полем Г!» определяется из выражения (1).

Предложенный КУ работает следующим образом.

20 В результате действия статического магнитного поля Г!» основной уровень Cr в александрите полностью расщепляется, образуя систему четырех уровней. По сигнальному волноводу к АК подводится сверх25 высокочастотное (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, созда30 ющее инверсию населенностей на переходе

1 — 2. Вследствие выбранной ориентации АК относительно поля Н» в предложенном КУ между частотами переходов 1-2 и 3-4 имеет место соотношение

35 1з =21 з . (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

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

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

Александрит характеризуется значительной аксиальной асимметрией спектра—

50 const Е в спин-гамильтониане составляет

247 от const D. Это должно способствовать лучшему перемешиванию спиновых состояний в отдельных уровнях и увеличить вероятности межуровневых переходов. ото55 двинуть явление возн((кновения эквидистантности уровней в более высокие магнитные поля, Квантово-механический расчет матричных элементов о(! операторов межуровневых переходов !-j подтверждает

1 7042>05 это, у е ILР>е>!!".е О12 el! lto.:ь! !О> o пе!Захода у ели-!! !Г значе>>ие f. Г!>ИтноГО декремснт,>, воэр: !т» T ко-ф ;.:циэнт уси>";е>>ил. Увеличение,3 перехода >>а .а->>,н поэвол!!т пр>1мени > ь Ге>>ераTO>t >1е>!вшей мо!"!носill, 5

nQltf le!1òü ст.„"б, льн" ть cLI!>offf ë.

На о .е„, npa,",t .oõà! I>ая в заявке ориентац;я алекса>!дрита о;носительно магнитнОГо поля FTt; >!Озсолит t!fctloët!ÇooýTü

1:РП, свяэывак: ц«й Г!ереходы 1-3 и 3-4, что 10

Г!Оы!с!1т !1неерс!!>О на с11г!,« >льном !>ереходе.

Такой р жим работы стал возможным блаГодаря а* сиальн01 ас1- мметрии спектра, поз олив ьчсй пр выполне:Ië1 соотношения

{2) доб!1ться ftcравенстса чэстот переходов 15

1 — 2 и 3 — 4. Автором заявки было проведено энергетическое обоснова,>ие предложенного реж !ма. На фиг, 1 приведены завис«мости «acтотной расстройки Л переходов 1-2 и 3-4 Я == 134 — 1 13 ) Oт сигнальной часто- 20 тЫ 1, Д:;я НЕСКОЛЬКИХ ЗначЭН«й УГЛа Р. ДЛН и ключения взаимного вл«яния перехсдов необходимо, чтг бы отстрсйка по частоте составляла пескont ro шиt>«„n:ÿttè ЭПР в кристалле. "."сходя иэ этого 1р бования можно согдаct to фиг. 1 выгэра1ь необходимое значение уг.а р. Выпо",Heние соотно ве,ftft (2) задается условием {1), графические зависиf.1ocTè угла 8изображены на фиг. 2.

ПЙО >еде>!ныЙ анал!!1З показывает, !то предло:конное техн! веское реше>!ие реалиЗУЕмО, Рассмо.гр«м преимущества предлагаемого изображения по сравне>>ию с известн,.!м. Иал!1ч!1е у александрита зна- 35 читель>>c t аксиальнoй ас!1>!метрии спектра обуслов>;. !>Зет боль!>>> Io по срэвнени>о с рубино>1 ге э;!чину матр!1чнь>:; эле! .ентов оператороь межуровневых пароходов. Это позвал;1э >свыс!1ть коэффициент усилен!1я и по!!изить !.1oitptocTb Генератора накзчк!1, !то псвысит стабильность работы усилителя.

При этом по IctITcë и другие технико-эконоl.!!1ческ11е показатели, например время непрерывной работы от одной заливки х;,дкого гслия, Большие величины начальft0t о расщепления и вероятностей межуроэнавых переходов в александрите позволят применить предложенный kY в более коротковолново!л диапазоне. Использование предлагаемой ориентации AK позволит с помощью КРП зффсктивно увели >ить коэффициент усиления и использова1ь генератор

fte a,ки меньшей мощности. Предлагаемый режим работы КУ может быть реализован ft широком интервале сантиметрового и милли:-,етрового диапазонов длин волн.

Формула изобретения

Мазер, включа!Ощий активный кристалл, помещенный между пол>осами магнита с величиной найрлженности магнитного поля Нс, о тit и ч а ю шийся тем, что. с цель>о повышения величины и стабильности коэффициента уси>", >ния, в ка >естве активного кристалла использован александрит, ориентированнь!й так. что угол О межд кр!.сталлографической осью с и полом

oпределяется иэ выражения з

f !

П(O) =-,>. g, БI:(In(p)) (Iп(1 с)), 1=O I -=O где

5,0 10

-2,5 10

3,0 10

-1,3 10

i99 10

-1,9

В1= 1,1,7 10-2 -4,4 10 — 0,7

3.6 10

-4,2 10

1,6 10 т с — частота си гн ала;

p — угол между кристаллографической осью а активного кристалла и магнитным полем Й .

Ю фиъ. 2

Составитель С. Кондрашин

Редактор H. Лазаренко Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С. Шевкун

Ъ

Заказ 66 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101