2.3 Рубидиевый мазер с оптической накачкой

Схема сверхтонкой структуры основного электронного состояния ₈₇Rb (верхний «2» и нижний «1» мазерные уровни) и 5р возбужденного электронного состояния (вспомогательный уровень «3») показана на рисунке 4. В состоянии ТДР распределение частиц по уровням равновесное (больцмановское) (рисунок 4,а), и инверсия на переходе «2»→«1», как видно из рисунка, отсутствует.

Рисунок 4 – Распределение атомов ₈₇Rb до (а) и после включения (б) вспомогательного излучения накачки

Состояние с инверсией населенностей на переходе «2»→«1» создается, когда переход «1»→«3» вводится в насыщение за счет поглощения излучения от вспомогательного источника света. В качестве такого источника используется газоразрядная лампа с парами ₈₇Rb, излучение которой на переходах «3»→«1» и «3»→«2» пропускается через фильтр с парами ₈₅Rb. В результате этого излучение на переходе «3»→«2» поглощается фильтром и на его выходе отсутствует. В мазере смесь паров ₈₇Rb с инертным газом, находящаяся в ЗОР СВЧ, облучается описанным источником света с излучением на переходе «3»→«1», атомы ₈₇Rb совершают переход «1»→«3», в результате которого населенности уровней «1» и «3» выравниваются, и на переходе «2»→«1» с частотой ν₀=6,83ГГц (λ≈4,4см) возникает инверсия населенностей и мазерное излучение (рисунок 4,б).

3 Квантовые парамагнитные усилители свч

ЦЕЛЬ РАЗДЕЛА (МОДУЛЯ): знакомство с явлением электронного парамагнетизма и методами создания на его основе квантовых усилителей СВЧ

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, когда их молекулы между собой не взаимодействуют, т. е. в ансамбле атомов или молекул (движущихся в виде пучка). Получить в усилительных приборах с молекулярным пучком приемлемую для практики величину усиления затруднительно. Поэтому в квантовых усилителях, использующих электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), в качестве рабочего тела применяются твердые вещества с большой плотностью активных частиц.

3.1 Понятие об электронном парамагнитном резонансе

Электронным парамагнитным резонансом называют явление поглощения или излучения электромагнитной энергии парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Парамагнитными называют такие вещества, в которых под действием внешнего магнитного поля индуцируется магнитный момент, совпадающий по направлению с внешним полем.

Парамагнитными свойствами могут обладать свободные электроны в полупроводниках и металлах, центры окрашивания, примесные атомы, а также атомы и ионы, обладающие отличным от нуля собственным магнитным моментом, а также ядра атомов (см., далее, Раздел 4).

В квантовой электронике используются кристаллические вещества, парамагнетизм которых обусловлен примесными ионами элементов, принадлежащих переходным группам в периодической системе. Это – группа железа, хрома (элементы с 21-го по 30-й), группа редких земель (57—70-й) и др. Парамагнитные свойства атомов этих веществ определяются нескомпенсированными спинами электронов внутренних электронных оболочек. Например, парамагнетизм хрома в кристалле рубина (Al₂O₃:Cr³⁺), где атом Cr превращается в ион Cr³⁺, определяется одним 4s и двумя 3d электронами.

Если атом, обладающий магнитным моментом М_J, поместить в постоянное магнитное поле с индукцией В, то на него будет действовать вращающий момент, пропорциональный величине магнитного момента М_J, индукции В и углу в между векторами М_J и В. Под влиянием этих сил момент М_J будет прецессировать вокруг вектора В с ларморовой частотой

. (3)

Фактор Ланде g_J принимают равным g_J ≈2. Положение М_J во внешнем магнитном поле, как и любого другого магнитного момента, пространственно квантовано. Его проекция на направление z магнитного поля должна быть кратна целому или полуцелому числу ћ=h/2π

(4)

Магнитное квантовое число атома m_J может принимать 2J+1 значений: m_J =

= J; J–1; ... 0, ...–J, где J – полное квантовое число атома. Ориентационная энергия, запасаемая атомом с магнитным моментом m_J в постоянном магнитном поле:

(5)

Таким образом, в зависимости от ориентации момента М_J относительно вектора В появляются 2J+1 новых энергетических состояний (эффект Зеемана) (рисунок 5).

В соответствии с квантовыми законами разрешены такие изменения энергетических состояний, при которых число т_J изменяется на единицу. Таким образом, разрешенные изменения ΔЕ энергии равны:

(6)

а соответствующая частота перехода

(7)

или в удобном для практического использования виде:

Рисунок 5 – Расщепление энергетических состояний в магнитном поле	Рисунок 6 – Электронный парамагнитный резонанс при равенстве частот f = fл

При ЭПР возможны переходы между энергетическими подуровнями, принадлежащими одному и тому же уровню, т. е. состоянию с определенным значением J. Частоты этих переходов, как правило, лежат в диапазоне сверхвысоких частот.

Пусть парамагнитный атом, обладающий моментом М_J, помещен в постоянное поле В₀ и во внешнее электромагнитное поле с круговой поляризацией, ориентированное так, что вектор В магнитной индукции вращается в плоскости, перпендикулярной В₀ (рисунок 6). Результирующее магнитное поле в каждый момент времени определяется геометрической суммой векторов В₀ и В. Если направление вращения вектора В противоположно направлению прецессии момента М_J то в среднем эффект воздействия поля В будет равен нулю. Такой же результат получится и в случае совпадения направлений вращения векторов М_J и В, но при отличии частоты f электромагнитных колебаний от частоты “ларморовской” прецессии f_л.

Иной эффект наблюдается при совпадении направлений вращения и частот f = f_л . Суммарный вектор магнитной индукции, отклоняясь от направления В₀, будет прецессировать вокруг этого направления с частотой f . В результате появится постоянно действующий на вектор М_J опрокидывающий момент, и в результате вектор М_J может занять с одинаковой вероятностью одно из ближайших разрешенных состояний, соответствующих квантовым числам т_J' или т_J''. (с большей или меньшей энергией). Поскольку в более низком энергетическом состоянии находится большее число атомов, то и число возможных переходов вверх, в состояние с большей энергией, будет больше числа переходов вниз. В итоге при облучении электромагнитной энергией с частотой f = f_л парамагнитного вещества, помещенного в постоянное магнитное поле, будет наблюдаться поглощение этой энергии, т.е. будет иметь место ЭПР.