Резонатори квантових приладів
Резонатор є одним з важливих елементів будь-якого квантового приладу - мазера або лазера.
Основне призначення резонатора - створення збудженої квантової системи з електромагнітним полем, тобто таких умов, при яких індуковане випромінювання, що виникає у квантовій системі під дією поля резонатора в результаті відбиттів, багаторазово проходить скрізь систему.
Резонатор має забезпечити позитивний зворотній зв'язка за рахунок поверненої назад, у робочу речовину, частини індукованого випромінювання, яке поширюється між поверхнями дзеркал, що відбивають.
Резонатор у значній мірі визначає спектральний склад, когерентність, спрямованість, потужність випромінювання.
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
В електроніці довгохвильового та НВЧ діапазонів визначальною характеристикою є частота. Значення частоти задається резонансним контуром.
Розміри відповідних резонансних контурів набагато менші ніж довжина хвилі, що суттєво зменшує втрати на випромінювання.
Для передачі НВЧ енергії використовуються коаксіальні, полі металеві, полоскові, діелектричні та інші хвилеводи. Замкнені на себе та просторово організовані хвилеводи, у відповідності до електродинаміки НВЧ, і є резонаторами НВЧ.
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
Найбільш поширеними у квантових приладах НВЧ є металеві об'ємні резонатори, які мають високі значення добротності при високих коефіцієнтах відбиття від металевих стінок.
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
2 E k 2 E 0,2 H k 2 H 0;
|
|
E n , |
Hn 0, |
ТЕМ mnq , ЕМ Ez , H z 0 TM , E Ez 0
TE, H H z 0
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
Теоретичне дослідження електромагнітного поля в резонаторі показало, що його можна представити у вигляді подовжньої й поперечної структури й розкласти в ряд за деякою системою функцій хвильових рівнянь, що мають індекси m,n,q однозначно пов'язаних з певною системою координат.
Відмінністю закритих об'ємних резонаторів є невеликі значення індексів m,n,q.
Мода резонатора являє собою стаціонарну конфігурацію електромагнітного поля, що задовольняє як рівнянням Максвелла, так граничним умовам.
E(r ,t) E(r ) exp(i t)
Індекси m,n,q для кожного коливання відповідають кількості півхвиль, які укладаються в напрямках координат x,y,z, якщо резонатор прямокутний або по колу і довжині, якщо резонатор круглий.
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
Для об'ємного резонатора, що є прямокутним паралелепіпедом з розмірами ребер L1, L2, L3, довжини хвиль власних типів коливань визначається
співвідношенням:
де m,n,q -- цілі числа, що визначають кількість півхвиль уздовж сторін L1, L2, L3.
Круглий або циліндричний резонатор є відрізком круглого хвилеводу довжиною L і радіусом R0, що замкнений на кінцях двома площинами з малим
опором. Для такого хвилеводу власні довжини хвиль мають вигляд
де mn -- n-й корінь функції Бесселя m-го порядку.
Резонатори квантових приладів
Резонатори НВЧ
Особливістю тороподібних резонаторів можна вважати концентрацію електричного поля НВЧ в зазорі між пластинами.
Діелектричні резонатори виконуються на основі діелектриків з великою проникністю, малими втратами та високою термостабільністю.
Мають форму паралелепіпедів, кругового циліндру (дискові та стрижневі циліндричні резонатори), сфери та кілець.
Їм притаманні:
висока власна добротність, малі розміри та маса,
простота та технологічність виготовлення , концентрувати електромагнітну енергію в малому об'ємі