Мазер

(51)5 Н 1 02 ГОСУДЛРСТВЕНЬ)Й КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКЬТ СССР ИЗОБР Т СА ИДЕТЕЛЬСТВУ, Квантовы ое радио. 71,.: Советс ег 7: ггезтег Р.А. ет е. Яее заУУ оМ Арр. Р)уз, 1961, У. 32, Ь 2,ре 4) МАЗЕР 7) Изобре ектронике ние относится к квантовой а именно к твердотельным лителям. Оно может найти ва Изобретениеэлектронике, а иквантовым усилите меприменение в систкосмической связи,интерферометрин,. ннии.Основным элементтеля (КУ) является актипарамагнитными ионстатическом магнитноляющем необходимоещепление их энергеРазмещается АК в элекстеме (ЭС) - резонатортеме (ЗС) или отрзависимости от типа Каллу предьявляется относитс нно к т лям (КУ 1,емах дал ьн радиоло аучном нтовои льным найти мной и радио- остроек ква вердот и може ей назе кации, прибор ых ст- лее ст(56) Штейналелители СВЧ,с. 432,ом квантового.усиливный кристалл (АК) с ами, находящийся в м поле Лс, осуществзеемановское растических уровней. тродинамической сие, замедляющей сисезке волновода в У. К активному крицелый ряд жестких ах дальней наземной ирадиолокации, раах. научном прибоизобретения является и стабильности коэф- В качестве активного ле использован алеккристалл ориентиротического магнитного ческой системе таким ежду кристаллографиитным полем Г опретвующего выражения. еход оказывается свянакачки кроссрелакм второго порядка,применение в систем космической связи диоинтерферометр ростроении, Целью повышение величины фициента усиления. кристалла в усилите сандрит. Кроме того ван относительно ста Лс в электродинами образом, что угол О м ческой осью с и магн деляется из соответс При этом холостой пер занным с переходом сационным процессе т и, в результате че.о, несмотря на о многообразие парамагнитн к в, число их, используемых в дей в онструкциях, составляет не бо и нивая перспективы создания.КУ и ысл говорить лишь о синтезируем р аллах.Важное значение наряду с выбором АК имеет режим работы - ориентация относительно поля Н, и выбор сигнального перехода и перехода (или переходов) накачки. Ориентация кр)1 стглла относительно статического магнитного поля определяется значением углов О и р - между векторомТс и кристаллографическими осями с и а соответственно. В ряде случаев с целью улучшения параметров усилителя удается использовать кросс-релаксационные процессы(КРГ 1 х При згм длл соб юденил определен.11 ых г зоТ "1 Ыснч 1 й ме:1 кду чЗСТОТами Ц 1 Отдель 1,.1 х переходов Ц еь 1 числлю 1 углы Й,ри оличины магнитный полей, и и которыхтакие процессы б;дут ил;ст 1 л",ссто,1 лзг:ссте 11 ,У. ВключзОьций е себя е кзчсствс 1 К си 1;1 стичсский изул;рд. КристаллОбладает подходящим длл сант 11 метрооогои миллиметрового диачэзо 11 ов длин волнспект,:.о;л. частота сигнэла т, о дз 1 гной кон.струкц 1 и Выбран;1 равной 37,7 ГГ 11,Недост-ткол 1 этого КУ является низкоекачесуо сиктс 1 ических крис 1 аллов изумруда. Об. Ясняется это тем, 1 то;.ост изумрударззр;б,11, н Лишь 1,;"тодо,4 "р г т 13 орз о расплзвс", 1 ьоторый 1 ге позволяет пзлучгп ь кристаллы необходимого высокого качества.Так. Измсреннал в работ ширина линииЭЛЕКтрЗ 11 НОГО ПарЗМЗГНИТНОГО реэсч 1 ЛНСЗ(ЭПР) Г Образце нсбольшоГО Обьсма составила 253 УГц, что не позволяет создать КУс достэ Гоч 1 ю с 1 сскими Г 1 ар;1 лфетрзми.Т;ке извес 1 ен КУ, вклю" зющий в себяо качсстее АК ругил (Т 102;Рс" ), расположенный в стэгицсском л 1 эгни 1 нол 1 поле Г(, Приэтом попользуется КРП 2-го порядка, соязыозкз 1 ц 11 й мжду собой холостой переход 2-6 и переходы накачки 1-3 и 3 - 5(2 ИЗ = 2135 Т 26)Недостат;:ами этого КУ яеляютсл небольшой коэ 1 фициснт усиления. нестабильность В рзСоте, Ограниченностьпришло 1 гнил гдной фиксированной частотой. 1(С 1 ользоеание 1 утилз В КУ, Особснномилл 1,; т 1 с,.ОГО диапазона дл 11 н волн, весьма ззтр Днтельно В свл и с большой селичш 1 о Диэлектрической проницаеуостиР; ( ф" 170). Приходится применять Очень л 1 злые сб.,змы его. что снижает ксгффице 11 Тусиления, Кро е ТОГО, е рутиу 1 з харэкчсризуется снл 1.ной 1 тсмперзтурнсч 1 зависил 1 остью,что приводит к нестзСильности парзмс 1 роо,услож 1 яст 1 гзстройку и экс 11 луатзцию усилителя. Ъ словс выполнс 11 ия испо 11 ьзова 11 ногоо этом КУ КРП огрзнчено одной фиксированной эстотай.Наболев близким к прсдлзгасмоу.у яолястгл Г., окл очающий в ссбл В качестве АКру 1 ин (А 1.:Эз:С ), нахо ящиися о статчсз.ском магнитном поле Нс при этом использус.тся КРП. соединяющий между собойхолость 1 с переходы 2-3 и 3-4. Условие выполненл КРП в этой работе задается графической зэоисимостью з 1 1 а 1 ения угла О отчаСтОтЫ СИГНЗЛЗ Тс. В КаЧССт. Е СИГНЭЛЬНОГОис 11 ользустся переход 1-2, накачки - переход 1-3.Руб.н с 1 гнтсэирустся л 1 зт гдол 1 Чохр альского, чт: Обсспсчиезеу лу;11 ь 1 е структрнРс неод 11 ород 1 ости, Кристалл характеризуется малой шириной ли 11 ий поглощения (00 УГц), Использо 11 энис е качестве сигнального никнсго перехода 1 2 сг 1 особствует пооыше ни 1 о л 1 агнитного дс ремента, Примененный КРП 1 ГОЗВОЛ 1:Л О 1 ОйтИСЬ ОдИМ гЕНЕратОрОМ накачки.Недостатками этого КУ лолл 1 отся небольшой коэффициент усиления, нестабильность о работе и ограниченность применения узкой частью сантиметрового див Г 1 азонз длин Волн.Обычно при использовании в кзчсстос сиГнального 11 срехоДЗ 1 - 2 применястсл накачка, по переходу 1-4 или доа гснера 1 ора,насыщающие переходы 1-3 и 3-4 (так называемая "ступенчатая накачка" ). В первом случае малая разрешил 1 ость перехода 1-4 требует применения генератора значительной мощности (-1 Вт), Бо втором имеет место эначителькое усложнение конструкции, так как применяется лишь одна накачка по пе 1 рсходу 1-3, а падение коэффициента усиления частично компе 1 сируется использосэ 1 гием КРП, ььрэ 1 н 11 З 1 ощсго неселенности холость 1 х Г 1 ерсходол 2- 3 и 3-4. Однако переход 3-4. не насыщаемый отдельным источником, не связан и с псреходол 1 накачки 1-3, чтп не позволяет получить достаточно высоки 1 коэффициент усиления. Рубин имеет незначитель 11 ое начальное расщепление , у 11 оенсй (11,5 ГГц) и при использовании о коротковолновой части сантиметровых и в миллиметровых диапззогах длин волн треСует применения больших магнитных полей. При этом его спектр приближаетсл к экоидистантному, умсньша 1 отся вероятности межуровневых переходов, что в конечном счете снижает коэффициент усиления,требует до 11 ол 11 итсльного повыц 1 сния мощности генератора накачки. Как следствие, оозкикзст дополнитсльнзл 1,сустойчивость (усидиается кипе;1 ие гелия, температурный Грт 1 диснт) и п 011 ижэстсЯ стабильность усиления, Использус 11 ый КРП рс злизуется только в узкой части сантиметрового диапазона длин волн,Цель изобретения - обеспечение высокого и стабильного коэффициента усиления. ПостаВлен 11 ЗЯ цель достиГастсл тем, что о КУ, оключаюгций в геГЯ активный кристалл, находящийся В стагическом л 1 лгнитном поле Рс, о кзчсгтое АК использован алскса 11 дрит (Ф ВеО.НСГ ).Кроме того, о пр; дложсннол усилителе АК ориентирован относительно поля Нс таки "1 обрззом, ч 1 о для л 1 обой конкретной частоты С 11 г;1 элэ т"соо.остстгу 1 о цсй члсуоте пс,"вход 1-2, и угла р л 1 ежду крисгзт 1 логра. -0,7 Зб 10 -4,2 10 1 б 10 17 10 4,4 10 По анализу патентной и научно-технической литературы автору не известен КУ. в 15котором в качестве активного кристаллаиспользуется александрит (А 2 Ве 04:Сг ).Кроме того, неизвестен КУ, в котором активный кристалл ориентирован относительное магнитногополя Н таким образом, 20что для любой конкретной частоты сигналаъс, соответствующей частоте перехода 1-2,и величины угла рмежду кристаллографической осью а активного кристалла имагнитным полем Рс. Угол Омежду кристаллографической осью с и полем Б определяется из выражения 1),Использование в качестве АК александритаА 2 ВеО:Сг ). которыйимеетбольшее, 30зчем в рубине, началькое расщепление и значительную аксиальную асимметрию спектра ЗПР, обеспечивает большую величинуматричных элементов операторов межуровневых переходов. А это позволит повысить 35коэффициент усиления и реализоватьпредложенный КУ в более коротковолновом диапазоне, понизить мощностьгенератора накачки. При этом повышаютсястабильность и другие техкико-экономические показатели усилителя. Кроме того, ориентация АК относительно статическогомагнитного поля Нс таким образом, что длялюбой конкретной частоты сигнала ,. соответствующей частоте перехода 1 - 2, и угла р между кристаллографической осью аактивного кристалла н магнитным поле 4,угол О между кристаллографической осью с,и подем Н определяется из выражения 1),позволит использовать для повышения инверсии на сигнальном переходе КРП второго порядка связывающий л 1 ежду собойхолостой переход 3 - 4 и переход накачки 1 - 3(1 ю 1 з = 2 Мм), Аэто, всвое очередь, еще болееповысит положительный эффект. 55На фиг. 1 представ",ена частотная расстройка пароходов 1-2 и 3-1; на фиг. 2 -графическое представление заа;симости.-ъфической осью а активного кристалла и магнитным полем Йс, угол И между кристаллографической осью с и полемТс определяется из выражечия Предложенный КУ может быть реализован в виде любого из трех типов, Он состоитиз АК - александрита(А 2 ВеОа:Сгз ), находящегося в статическом магнитном полем Лси помещенного в электродинамическую систему ЭС), которая в зависимости от типаусилителя будет представлена замедляющей системой (ЗС), резонатором или отрезком волновода, При этом АК ориентирован0 относительно поля ГГ, таким образом, чтодля любой конкретной частоты сигналаРс, соответствующей частоте перехода 12, и величины угла рмежду.кристаллогра+фической осью а активного кристалла имагнитным полем Гс угол О между кристаллографической осью и полем 1 с определяется из выражения 1),Предложенный КУ работает следующимобразом.В результате действия статическогомагнитного поля Гс основной уровень Сгв александрите полностью расщепляется,образуя систему четырех уровней. По сигнальному волноводу к АК подводится сверхвысокочастотное СВЧ) поле сигнальнойчастоты, соответствующей частоте перехода 1 - 2. По волноводу накачки к АК подводится СВЧ-поле накачки, частота которогосоответствует частоте перехода 1-3, создающее инверсию населенностей на переходе1 - 2. Вследствие выбоанной ориентации АКотносительно поля Нс в предложенном КУмежду частотами переходов 1-2 и 3-4 имеетместо соотношениеР 1 з = 21 з, Р)Благодаря этому переходы 1-3 и 3 - 4оказываются связанными между собойКРП 2-го порядка и генератор накачки попереходу 1-3 способствует насыщениюперехода 3-4. Таким образом в предложенном усилителе с одним генераторомреализуется эффективныйежим накачки,аналогичный "ступенчатой накачке", осуществляемой двумя генераторами. При этомдостигается высокий коэффициент инверсии на переходе 1-2 и реализуется высокийкоэффициент усиления.Александрит характеризуется значительной аксиальной асимметрией спектра -сопз 1 Е в спин-гамильтониане составляет24 от содзт О, Это должно способствоватьлучшему перемешиванию спиновых состояний в отдельных уровнях и увеличитьвероятности межуровневых переходов, отодвинуть явление возникновения эквидистантности уровней в более высокиемагнитные поля, Каантово-механическийрасчет матричных элементов о операторовмежуровневых переходов - подтверждаетэто, Уе=лче(Ие г;1 с( На;ього переходаувели(Г значение ма ГитцОГО декремси;воэр;тгет кг.,-ф(,(1 эцт усилеил. Увеличение г,3 ПРрехода а, (.и поэвол(1 т примени(, генератор (1 ецьшей мод(нос(и, 5г(ов 1(сить ст."б 1(льнссть увилои 1.Нао (е, про,",лоКон ая в заявке ориентац;я алексадрита сгносительно магНИТНОГО ПОЛЯ Лс ОЗСОЛИТ ИСПОЛ ЬЗОВЭТЬКРП, сгяэцвающ(й г ереходы 1-3 и 3 - 4, что 10повысит инаерсю ца О;1 г(;эльном переходе,Такой р, жим работы стал возможным блаГодаря а "сиальной ас("1 метрии спектра, поэполив ,сй пр выполне1 И ссотношения2) добиться неравенства чэстот переходов 151 - 2 и 3 - 4. Автором заявки было проведеноэнергетическое обоснование предложенного реж(ма. На фиг, 1 приведены зависимости частотцой расстройки Л переходов 1-2и 3-4 Я =-13 с - 11 з ) От сигнальной частоты 1, дя нескольких зцац ний угла р, Длнисключения вэаимцого гзияния переходовнеобходимо, чтс бы отстрсйка по частоте составляла несколько шириц гц 1 нии ЭПР в кристалле. ".4 сходя иэ этого 1(эбодания можно 25соглас(.(о фиг. 1 выбра 1 Ь необходимое значение уг.а р. Выполнение соотношения (2)задается условием (,1), графические звлсимости угла 8 изображены ца фиг. 2.ПрочедецныЙ анал(1 э показывает, чтопредло:.Овнов техническое решеие реализуемо,Расс 1 о грим и ре имущества предлагаемого изображен(1 я по сравнению сизвесткь(м, аличе у александрита значительной аксиальной асимметрии спектраОбусловгцвзет боьу(О по срзвнени(о с руби ом веги(чину мэтрчнь(:; элементов операторо( межуровневых пароходов, Этопозвали 1(свысть коэффи(.,1 снт усиления и 0поизить (:.О(цйость Генератора акз(к(1, топовысит стабильность рабо,ы усилителя. При этом посятсл и дру Ие технико.экоцо(, ические цоказатсли, например время непрерывной работы от одной залигки жидкого гслия, Большие величицы начальоо расщепления и вероятностей межуроэнавых переходов в александрите позволят применить предложенный КУ в более коротковолново(л диапазоне, Использование предлагаемой ориентации АК позволит с помощью КРП эффсктивно увели(ить коэффициент усиления и использова 1 ь генератор нана ,ки меньшей мощности. Предлагаемый режим работы КУ может быть реализован в шроком интервале сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Формула изобретения Мазер, вкл(оча(ощий активный кристалл, помещенный между пол(осами магнита с величиной найрлженности магнитного поля Нс, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с ель(о повышения величины и стабильности коэффициента усилсния, в качестве активного кристалла использован александрит, ориентированнь(й так. что угол О межд кр.сталлографической осью с и полем определяется иэ выражения=О /=Огде- 0,73,6 10фс - частота сигнала; у 7 - угол между кристаллографическойосо а активного кристалла и магнитнымполем Й."Патент", г. Ужгород, ул.Гага Производственно-издательский ком 10 каэ 66 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5