Мазер и способ его возбуждения

,80791153 А 3(50 Н 01 Б 1/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМ СО2748323/18-2304.04.7923.06.83. Бюл. Р 23И.В. Матяш, А.Б, БрикЛитовченкоИнститут геохимии и физикиалов АН Украинской ССР621.375.8(088.8)1.А.Сигнен,Мазеры.М., фМирс. 436.Там же, с. 440.(54) МАЗЕР И СПОСОБ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ (57) 1. Мазер, содержащий активный 1 элемент, резонатор либо замедляющуюсистему и систему накачки,о т л и ч аю щ и й с я тем,что,с целью умень- щения веса и габаритов маэера, при одновременном упрощении перестройки частоты рабочего сигнала, активный элемент выполнен из мориона 8102 с изоморфизмом 814+ А Э+791153 2. Способ возбуждения мазера по п. 1, включающий расщепление энергетических уровней дефектов кристаллической решетки рабочего вещества и создание инверсной н-.селенности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что для расщепления энергетических уровней воздействуют на рабочее вещество постоянным электрическим по 1Изобретение 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 исполь зованы, например, этилсульфат лантана Ь(С 2 НБО 4 )з9 НО с примесью галодиния Ой+, кобальтцианид калия КЗСО (СИ)6 с примесью Сг З+, берилл (йзумруд )Л 1 О б 8102 ЗВеО с примесью -Сг+, рутил Т 02 с примЕсью Ге + и некоторые другйе. Ионы примесей образуют внутри кристаллической решетки рабочего вещества магнитные 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 30 уровням. Основным недостатком указанныхмазеров является то, что основныеэлементы их выполняются из материалов с неудовлетворительными механическими свойствами, гигроскопичных,растворимых в воде (этилсульфатлантана, кобальтцианид калия ), сослишком высокой диэлектрической проницаемостью при существенной зависимости диэлектрических свойств оттемпературы (рутил )и для возбуждения их требуется громоздкое оборудование,45Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсямазер, 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 щ и й с я тем, что полярность электрического поляизменяют через промежуток времени, равный времени релаксации электрических диполей .мориона., и систему накачки 2, причем активный элемент выполнен в нем из рубина.Возбуждение данного мазера осуществляют за счет расщепления энергетических уровней дефектов внешнимпостоянным магнитным полем и создания инверсной населенности внешним переменным электромагнитным полем.Основным недостатком данного мазе.ра является то, что для возбуждения рабочего вещества требуется сложное,громоздкое, тяжелое и дорогостоящееоборудование, а именно, мощный электромагнит с напряженностью магнитного поля между его полюсами 10 -10 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 810 с иэоморфизмом 81 - А Р, 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)О 20 55 60 б 5 инверсную неселенность создают, изменяя полярность этого поля, причем полярность электрического поля изменяют через промежуток времени равный времени релаксации электрических динолей мориона.Морион, из которого в мазере изготавливается активный элемент, является кристаллической модификацией двуокиси кремния 8102 с примесью А).;3. Это широко распространенная в природе и легко доступная разновидность кварца, Морион (марион ).имеет твердость по минералогической шкале 7, плотность 2650 кг/смЗ, 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 814+ атомами АГ и имеющих на одном из атомов кислорода электронную "дырку".Пары А 1 з -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 -тый электрический уровень, энергия которого определяется выражением Я.) = рЕ = р. сов Ь ( ) ) где р - вектор электрического дипольного момента;Е - вектор напряженности внешнего электрического поля;о; - угол между направлениямиэлектрического диполяи внешнего электрическогополя.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 превосходитэнергию уровня с меньшей населенностью. Периодически изменяя полярность внешнего электрического полячерез интервалы времени, близкие времени релаксации электрическихдиполей, т.е, времени восстановле 5 ния больцмановского распределения населенностей, поддерживают морионв 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, проведены эксперименты, использующиеявление электронного парамагнитногорезонанса ( ЭПР ). Использовать дляэтой цели явление ЭПР позволяеттот факт, что заряд на ионе кислорода в дефектных тетраэдрах кристаллической решетки мориона обусловленэлектроном с нескомпенсированнымспиновым моментом.На фиг. 1 представлена спроектированная на плоскость, перпендику лярную кристаллографической оситретьего порядка (с), структурная,схема дефектного тетраздра, в котором атом Б 14+ замещен атомомА Вз+, буквой 1. обозначена кристал лографическая ось второго порядка,буквами А,Б,В,Г - кристаллографические позиции, занятые атомами кислорода, Е - вектор внешнего постоянного электрического поля, р - век тор электрического дипольного момента.На фиг. 2 представлена блок-схемаэкспериментальной установки для регистрации спектров поглощения СВЧмощности; на фиг. 3-12 - графики,подтверждающие наличие у морионафизических свойств, позволяющих использовать его в качестве рабочеговещества 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 , расположенныйомежду полюсами электромагнита 2 и соединенный с СВЧ генератором 3 ;(клистроном трехсантиметрового диапазона и с регистрирующим блоком 4посредством двойного СВЧ моста 5,к свободному плечу которого присоединена согласованная нагрузка б,В резонансной полости СВЧ резонатора 1 размещен исследуемый образецмориона 7 - многокристалла длиной9 мм и диаметром сечения 1,5 мм. Исследуемый образец 7 закреплен на фторопластовом держателе (не показан )с возможностью вращения вокруг кристаллографической оси третьегопорядка .з, совпадающей с осьюцилиндрического резонатора 1, и размещен между двумя находящимися врезонансной полости плосконаправленными электродами 8, соединенными 15посредством переключателя 9 с источником высокого напряжения 10. Электрическое поле между электродами 8перпендикулярно оси з кристалла 7.Электроды, имеющие размер 10 х 2 мм 2, 2 Ои электрические вводы ориентированывдоль магнитных силовЫх линий СВЧполя резонатора 1, вследствие чегоони практически не искажают конфигурацию поля. 25Возбудив с помощью СВЧ генератора3 резонатор 1 водной типа ТЕ ри плавно изменяя пропорциональйонапряжению горизонтальной разверткирегистрирующего блока 4 напряженность магнитного поля электромагнита 2, наблюдают на экране регистрирующего блока 4 две линии поглощения СВЧ мощнбсти резонатора 1 и ихповедение при воздействии на образец кристалл мориона ) 7 постоянного 35электрического поля. Это линии ЭПРспектров от "дырок", локализованных .на атомах кислорода в центрах А и Бдефектных тетраэдров (см. фиг. 1 ).,Сигналы, соответствующие локализации "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 позициях В и Г и соответственно болеенизкой населенностью этих уровней,На фиг. 3,4,5 по оси абсцисс( вдоль линии горизонтальной развертки )отложены значения .напряженности 5 Омагнитного поля Н, а по оси ординат (вдоль линии вертикальной развертки ) - интенсивность поглощенияЭПР-спектров Р/Р, т,е, значениямощности поглощения, нормированные .помощности поглощение при Г = О,где Е - напряженность внешнегопостоянного 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 исследуеМого образца при, Е Ф О, когда 65 Е 1(2, Й= Оо Й = 180, где Ю угол между вектором Е и кристаллографической осью второго порядка Ь 2 (см. фиг. 1 ); на фиг. 4 - соответствует условиям: Е +б 10 З кв/м, Е 1 Ь 2, В = 90, фиг. 5 - соответствует условиям: Е= - б 103 кв/и Е 1 ., Я = 270 О на фиг. б - отражена зависимость интенсивности линий ЭПР-спектров для центров А 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 А и Б от напряженности внешнего постоянного электрического поля при 6 = 90 (фиг. 5 а) и при 6 = 270 О, т. е. при измененной полярности внешнего постоянного электрического поля (фиг. 56).На фиг. 9, 10 и 11 показано изменение во времени 1 Интенсивности Р/Ро линий поглощения ЭПР-спектров от "дырок", локализованных в центрах А (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 кото" рого 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. 3- 11, 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-.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 = О), 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,испольэовать его в качестве рабочего вещества твердотельных квантовых усилителей и генераторов. Благодаря егораспространенности в природе, доступности и сравнительно невысокой стоимости он с успехом может заменитьв мазерах дорогостоящий рубин. При 5 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 позволяетиспользовать для его возбужденияпостоянное электрическое поле (а не 15 магнитное, как для рубина и другихизвестных материалов спарамагнитными примесями ), которое может бытьсоздано посредством миниатюрныхэлектродов, размещаемых внутри СВЧрезонатора. При этом вес и габаритыпассивной части оборудования длявозбуждения рабочего вещества обусловлены в основном весом и габаритами СВЧ резонатора и составляют:вес - в пределах 1 кг, габаритныеразмеры - несколько сантиметров (всоответствии с длиной волны рабочегосигнала ), в то время, как вес оборудования для возбуждения известныхматериалов, посредством магнитногополя составляет около 100 кг и более, а габаритные размеры - не менее 0,5 м. Такое существенное уменьшение веса и габаритов особенноважно при использовании квантовых 35 усилителей и генераторов ( мазеров )в космической технике.Кроме того, использование морионав квантовых усилителях и генераторах позволяет значительно упростить 40 процесс перестройки частоты рабочего сигнала, осуществляемый изменением величины напряжения, подводимого к электродам, между которымипомещен рабочий кристалл.791153 Фиг. 1 Г лиал ППП "Патент", .г, Ужгород,. Ул. Пповктн ВНИИ каз б 620/3 ираж 590 Подпис