Министерство образования и науки Российской федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Южный федеральный университет»
Иванов И.Г.
Учебно-методическое пособие к дисциплине
КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА
Часть V
МАЗЕРЫ. КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ И ДРУГИХ ПРИБОРОВ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Ростов-на-Дону
2014
Учебно-методическое пособие разработано доктором физ.-мат.наук, профессором кафедры квантовой радиофизики И.Г.Ивановым
Печатается в соответствии с решением Учёного совета Физического факультета ЮФУ, протокол №3 от 25.03.2014 г.
Аннотация
Данное пособие является пятой частью “Учебного пособия по квантовой радиофизике”, включающего следующие части:
Часть I “Взаимодействие излучения с веществом. Поглощение и усиление света. Инверсия населённостей”;
Часть II “Открытые резонаторы оптического диапазона и режимы генерации лазеров”;
Часть III “Газовые лазеры”;
Часть IV “Лазеры на основе конденсированных сред“;
Часть V “Мазеры. Квантовые парамагнитные усилители. Ядерный магнитный резонанс. Важнейшие применения лазеров и других приборов квантовой электроники“
Пособие призвано помочь студенту в освоении материала лекционных курсов «Квантовая радиофизика», «Квантовая электроника», «Квантовая и оптическая электроника», а также–в самостоятельной работе по решению задач. Рекомендуется в качестве методического руководства для студентов, обучающихся по направлениям и специальностям: 010801–радиофизика и электроника, 010800–радиофизика, 200600–фотоника и оптоинформатика, 210700–инфокоммуникационные технологии и системы связи, и смежным физическим специальностям, может быть полезно также в качестве справочного руководства при проведении НИРС.
КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА
Часть V «Мазеры. Квантовые парамагнитные усилители. Ядерный магнитный резонанс. Важнейшие применения лазеров и других приборов квантовой электроники»
Содержание
1. Введение………………………………………………………….….….…стр. 2. Мазеры.………........………………………..……………………….……..….. 3. Квантовые парамагнитные усилители СВЧ………..……………………….. 4. Ядерный магнитный резонанс..………………..………….………………… 5. Важнейшие применения лазеров и других приборов квантовой электроники ………………………………………………………………………….. 6. Задания и упражнения …………….……..………………….……………….. 7. Вопросы для самоконтроля (тест)……………………………………………. 8. Рекомендуемая литература…..…………………….………….…………….… 9. Правильные ответы к тестам……………………………………..………….. |
3 4 10 16
18 32 33 36 36 |
1 Введение
1.1 Методические указания к изучению материала
Перед изучением материала данной части курса “Квантовая радиофизика” необходимо проработать материал Части I «Взаимодействие излучения с веществом. Поглощение и усиление света. Инверсия населённостей», Части II «Открытые резонаторы оптического диапазона и режимы генерации лазеров», Части III «Газовые лазеры» и Части IV «Лазеры на основе конденсированных сред» [1-4]: изучить теоретические вопросы, выполнить предлагаемые задания и ответить на тестовые вопросы самоконтроля.
2 Мазеры
ЦЕЛЬ РАЗДЕЛА (МОДУЛЯ): знакомство с методами создания инверсии населенностей в СВЧ диапазоне на квантовых переходах в атомах и молекулах и типами квантовых генераторов СВЧ (мазеров)
Создание генераторов СВЧ (микроволнового) диапазона–мазеров (“MASER”–аббревиатура от: “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, дословно переводимой как “усиление в микроволновом диапазоне посредством вынужденного излучения”) произошло во второй половине ХХ века на базе радиофизики и радиоспектроскопии, что и ознаменовало появление квантовой радиофизики.
1) При создании квантовых генераторов СВЧ, используемых в качестве стандартов частоты, стремятся получить возможно более стабильную частоту колебаний, для чего подбираются активные вещества с узкими спектральными линиями. Наиболее узкие спектральные линии наблюдаются у газов, поскольку расстояния между частицами велико, и взаимодействие между ними отсутствует.
2) В СВЧ диапазоне инверсия населенностей создается между квантовыми уровнями сверхтонкой структуры (СТС) основного электронного состояния атомов, а также между колебательными и вращательными уровнями молекул. Такие пары уровней в состоянии ТДР имеют по закону Больцмана близкую по величине населённость. В самом деле, для населённостей уровней: нижнего «1» N1 и верхнего «2» N2 и их разности ΔN = N1–N2 с учетом того, что E2–E1=hν0<<kT, нетрудно получить:
и ΔN=(N1–N2)
≈
(N1+N2)∙(E2–E1)
/ 2kT. (1)
И тогда в нормальных условиях ΔN ~ (10–4…10–2)·(N2+N1).
В связи с этим для создания среды с инверсией применяются методы: а)сортировки частиц по квантовым состояниям (в “пучковых” мазерах на атомах Н, на NH3 и NH3-подобных молекулах, на молекулах HCN и др., в дискриминаторе частоты на атомах Cs) б)использования вспомогательного излучения (в мазере и в дискриминаторе частоты на атомах Rb).
3) Поскольку Аik~ν3 (см., ф-лу (11) в [1] ), то в СВЧ диапазоне в газе релаксация частиц по состояниям столкновительными переходами значительно превосходит релаксацию спонтанными излучательными переходами. Поэтому чтобы не допустить неконтролируемых переходов между уровнями, в т.ч. и возврата среды из состояния с инверсией в состояние ТДР, все манипуляции со средой необходимо производить в монокинетическом бесстолкновительном пучке движущихся квантовых частиц, и поэтому все квантовые приборы СВЧ диапазона являются приборами пучкового типа.
4) В мазерах и квантовых дискриминаторах частоты СВЧ-диапазона используются закрытые объёмные СВЧ-резонаторы (ЗОР СВЧ).
5) Если квантовые частицы обладают магнитным дипольным моментом (атомы), то их сортировка по состояниям осуществляется при взаимодействии пучка с неоднородным магнитным полем, если же они обладают электрическим дипольным моментом (молекулы) – то их сортировка по состояниям осуществляется в неоднородном электрическом поле.
На рисунке 1 приведена общая схема мазера с сортировкой частиц пучка по квантовым состояниям.
Рисунок 1 – Схема основных элементов мазера
Поясним принцип работы мазеров на примерах.