Способ генерации колебаний гиперзвуковых частот

 

Изобретение относится к физике и может найти применение в квантовой акустике для изучения взаимодействия квантов упругих возмущений с электронами, магнонами и другими элементарными возбуждениями в кристаллах. Сущность изобретения: в качестве среды используют кристалл с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниям решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот. 3 ил.

Изобретение относится к физике и может найти применение в квантовой акустике для изучения взаимодействия квантов упругих возмущений с электронами, магнонами и другими элементарными возбуждениями в кристаллах.

В настоящее время известен способ генерации колебаний УСВЧ диапазона частот, включающий в себя возбуждение пьезоэлектрических кристаллов высокочастотным электромагнитным полем [1], для чего СВЧ-радиоизлучение направляют, например, через преобразователь на основе пленки ZnO на кристалл LiNbO.

Известен способ генерации звуковых колебаний с помощью вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, заключающийся в облучении среды мощным световым потоком, например от лазера, сфокусированным в небольшую область внутри образца [2].Однако для достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна необходимы значительные мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ возбуждения акустических колебаний УСВЧ диапазона частот и нижней части диапазона гиперзвуковых частот под воздействием электромагнитного излучения, интенсивность которого имеет пространственную периодичность в объеме среды [3] . Звуковые колебания с длиной волны, равной периоду интерференции двух, падающих на среду световых пучков, возникают за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции.

Недостатком способа является необходимость использования для облучения среды когерентного электромагнитного излучения, невозможность создания одинакового пространственно-периодического распределения плотности излучения во всем объеме среды и, следовательно, сложность получения когерентных звуковых колебаний, а также невозможность получения достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот в диапазоне 10¹⁰-10¹³ Гц за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции.

Целью изобретения является снижение требований к когерентности электромагнитного излучения, воздействующего на среду, и обеспечение возможности получения достаточно мощных когерентных звуковых колебаний вплоть до диапазона 10¹⁰-10¹³ Гц.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве среды используют кристалл с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниям решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот.

Изобретение поясняется на фиг. 1-3.

Возможная схема квантового генератора гиперзвуковых частот показана на фиг. 1. На ней обозначены: 1 -кристалл квантового генератора с активатором, 2 - отражающее зеркало резонатора электромагнитного излучения, 3 - обработанный торец кристалла, отражающий электромагнитное излучение и излучение гиперзвуковых частот, 4 - обработанный торец кристалла, отражающий излучение гиперзвуковых частот, 5 - источник оптической накачки, 6 - согласующие пленки.

В квантовом генераторе гиперзвуковых частот с помощью источника оптической накачки 5 осуществляют облучение кристалла с активатором (примесями) электромагнитным излучением. Излучение накачки, поглощающееся частицами активной среды, переводит их в возбужденное состояние. При этом подобранный спектральный состав излучения источника накачки и определенное соотношение между вероятностями поглощения на переходах, ведущих к заселению и обеднению уровней активного вещества, приводит к преимущественному заселению верхних уровней. При наличии резонатора электромагнитного поля, образованного отражающим зеркалом 2 и торцом кристалла 3, в результате стимулированного электромагнитным полем резонатора переходом частиц с верхнего лазерного состояния на нижнее лазерное состояние генератор через зеркало 2 излучает электромагнитное поле, частота которого не совпадает с частотой излучения накачки. В процессе излучения электромагнитного поля при достаточно большой интенсивности излучения поля накачки наряду с преимущественным заселением верхнего лазерного состояния будет иметь место и преимущественное, по сравнению с основным состоянием, заселение нижнего лазерного состояния, совпадающего с возбужденным состоянием примесь-решетка кристалла, расположенном выше основного состояния.

Последующий неоптический стимулированный переход атомов, других частиц или их систем, вызванный колебаниями решетки кристалла на частоте резонатора гиперзвуковых частот, образованного торцами кристалла 3 и 4, приводит к резонансным колебаниям решетки и излучению гиперзвуковых волн через согласующие пленки 6.

При отсутствии согласующих пленок 6 возникающие резонансные колебания кристалла могут приводить к его разрушению, что практически часто и имеет место в твердотельных оптических квантовых генераторах.

Наиболее вероятно излучение гиперзвуковых волн можно получить в кристаллах с активаторами, имеющими четырехуровневую схему рабочих состояний.

На фиг. 2 в качестве примера показана диаграмма энергетических уровней двухвалентного редкоземельного иона D²_y⁺ в кристалле CaF₂ [4], на которой стрелками показаны основные процессы, приводящие к заселению и обеднению уровней. На них обозначены: W_н - плотность излучения накачки; B₁₄ - коэффициент Энштейна, соответствующий поглощению электромагнитного поля накачки; B₄₁ - коэффициент Энштейна, соответствующий излучению электромагнитного поля накачки; Ni - населенности i-го состояния; γ_i - суммарная вероятность обеднения i-го состояния.

Накачка генератора на CaF₂:D²_y⁺ обусловлена, главным образом, полосой 4f - 5d вблизи длины волны 0,9 мкм, совпадающей с областью излучения ксенонового разряда. Инфракрасное излучение, имеющее место в квантовом генераторе на CaF₂:D²_y⁺ обусловлено переходом ⁵I₇-⁵I₈ расположенным приблизительно на 90 см^-1 выше основного состояния. Этот переход и может быть использован для создания гиперзвуковых волн в кристалле на длине λ ≈ 100 мкм.

Действительно, систему исходных кинетических уравнений для процессов, имеющих место при накачке кристалла электромагнитным полем, можно записать в виде: N₁ + N₂ + N₃ + N₄ = N Известное решение данной системы уравнений позволяет представить зависимости населенности состояний от плотности излучения накачки в виде:
В данных уравнениях символ γ обозначает суммарную вероятность объединения i-го состояния, A = γ₃γ₂γ₄, Г = 2γ₂γ₃+γ₄₂γ₃+γ₄₃γ₂+γ₃₂γ₄₃. .

Возможный вид этих зависимостей показан на фиг.3. Из этих зависимостей видно, что при плотности накачки

населенность уровня 2 будет превышать населенность уровня 1.

Неоптический переход системы из возбужденного состояния примесь-решетка в основное состояние при наличии в квантовом генераторе резонатора гиперзвуковых волн, образованного обработанными торцами кристалла, приведет к резонансным колебаниям решетки и генерации достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот.

Формула изобретения

Способ генерации колебаний гиперзвуковых частот, включающий воздействие на среду электромагнитным излучением, отличающийся тем, что в качестве среды используют кристалла с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн, и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты, создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниями решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3