Квантовые парамагнитные усилители

Усиление электромагнитной волны в квантовых приборах СВЧдиапазона реализуется при взаимодействии ее с частицами активного парамагнитного вещества, в котором в результате накачки создана инверсная населенность. Для эффективного взаимодействия волны со средой необходимо увеличивать плотность потока индуцирующего излучения, поскольку вероятность вынужден;

Рис. 18.2.

ных переходов прямо пропорционально спектральной плотности потока излучения (см. п. 17.1). В квантовых парамагнитных усилителях (КПУ) плотность потока индуцированного излучения увеличивается или за счет многократного прохождения волн через среду (резонаторные усилители, рис. 18.2, а, б), или вследствие замедления волны (усилители бегущей волны, рис. 18.2, в).

Резонаторные квантовые парамагнитные усилители (РКПУ).

Различают несколько типов РКПУ: усилители проходного типа (см. рис. 18.2, а), отражательного (циркуляторного) типа и многорезонаторные, как правило, циркуляторного типа (рис. 18.2, б). Основные элементы перечисленных усилителей практически одинаковы. Устройство проходных и отражательных усилителей различается способами разделения входных и выходных трактов.

Для устранения самовозбуждения в проходном КПУ на входе и выходе включаются вентильные элементы. В КПУ циркуляторного (отражательного) типа входной и выходной сигналы проходят по одному и тому же волноводу (или коаксиальной линии). Для развязки входной и выходной цепей в этом случае используется циркулятор 1 (см. рис. 18.2, б). Входное плечо I циркулятора подключается к антенне; сигнал, пройдя первое плечо, поступает во второе, а затем в резонатор. Усиленный за счет индуцированного излучения в парамагнитном кристалле сигнал возвращается через тот же волновод в циркулятор и направляется в плечо III и далее к нагрузке. Такие направления входных и выходных сигналов обеспечиваются за счет невзаимного элемента циркулятора, представляющего чаще всего феррит, находящийся во внешнем магнитном поле. Это устройство с малыми потерями пропускает только сигналы определенной поляризации и направления, а поскольку входные и выходные сигналы в плече II имеют противоположные направления и поляризацию, то они распространяются указанным образом. Шумы, отраженная неоднородностями часть мощности сигналов и другие паразитные колебания, попадающие с выхода по плечу III в циркулятор, поглощаются в согласованной нагрузке 2.

Основным элементом КПУ является резонатор с активным веществом (парамагнитным кристаллом), одна из мод которого настроена на частоту сигнала, а другая — на частоту накачки.

Инверсия населенностей создается за счет облучения кристалла электромагнитной волной накачки, имеющей частоту, большую частоты сигнала.

На рис. 18.2 не указаны криогенные системы охлаждения. Без них КПУ не может работать из-за наличия спин-спиновой и спин-решеточной релаксации, которые непрерывно стремятся восстановить тепловое равновесие спиновой системы с кристаллической решеткой (спиновой системой называется в этих условиях ансамбль из возбужденных парамагнитных ионов хрома). Магнитная система, необходимая для получения зеемановских уровней, обозначена на рисунке вектором В.

Рассмотрим более подробно процессы в парамагнитном кристалле, связанные с получением инверсии населенностей и усилением сигнала.

На рис. 18.3, а, б, которые аналогичны по смыслу схемам, показанным на рис. 18.1, изображены энергетические диаграммы иона хрома в решетке рубина. В отсутствие накачки и сигнала распределение населенности всех уровней будет равновесным и подчиняется закону Больцмана (штриховая экспоненциальная (падающая) кривая на рис. 18.3, б), согласно которому.

п₁/п_} = е ^А'^)/(/гТ). в отличие от «орбитальных» энергетических уровней разность энергий (Е₁ — Е^) между парамагнитными уровнями обычно меньше характерной величины тепловой энергии кТ.

Рис. 18.3.

Будем считать, что квант электромагнитной волны накачки, облучающей кристалл рубина, имеет энергию Л/ = Л/₁₃, где /₁₃ — частота перехода с уровня 1 на уровень 3.

Под действием энергии накачки ионы хрома возбуждаются и переходят с уровня 1 на уровень 3. Будут и обратные переходы, однако на начальном этапе населенность уровня 3 растет, а уровня 1 уменьшается из-за его большей заселенности в равновесном состоянии. Этот процесс продолжается до тех пор, пока населенности этих уровней не сравняются (п_х = л₃), как показано на рис. 18.3, б вертикальной штриховой прямой. При этом в обоих направлениях будет происходить примерно одинаковое число переходов, так что, пока на систему действует достаточно сильное излучение накачки, она будет удерживаться в состоянии, далеком от теплового равновесия, при этом говорят, что переход 1 —• 3 насыщен.

В процессе насыщения перехода 1 — 3 населенности уровней 2 и 4 могут несколько измениться, так как изменение населенностей уровней 1 и 3 влияет на релаксационные процессы, в которых участвуют уровни 2 и 4. Однако можно считать, что эти изменения населенностей уровней 2 и 4 незначительны и ими можно пренебречь. После насыщения перехода / —* 3 устанавливается распределение населенностей между четырьмя уровнями, показанное на рис. 18.3, б, из которого видно, что при п_х = п_л населенность второго уровня больше первого, т. е. п₂ > п_х. Следовательно, переход 2 —• 1 характеризуется «отрицательной температурой», или инверсией населенностей (наклонная штриховая прямая между уровнями 1 и 2). Если теперь на парамагнитный кристалл (кристалл рубина) поступает слабый сигнал с частотой /₁₂ такой, что Л/₁₂ = Е₂ — Е₁₉ то вследствие индуцированного перехода с уровня 2 на уровень 1 произойдет усиление этого сигнала. В реальном кристалле число возбужденных ионов хрома в спиновой системе достаточно велико, поэтому среднее число переходов в единицу времени, вызываемое приходящим сигналом, практически постоянно, а процесс усиления происходит непрерывно, несмотря на то что переход любого отдельного спина, индуцированный приходящим сигналом, представляет собой случайный процесс. Можно говорить о том, что отдельный спин совершит переход с некоторой вероятностью под воздействием приходящего сигнала. Поскольку вероятность индуцированного излучения прямо пропорциональна спектральной плотности энергии излучения (см. п. 17.1), то число излучательных переходов в единицу времени прямо пропорционально начальному уровню мощности усиливаемого сигнала. В определенном диапазоне мощностей входного сигнала процесс квантового усиления можно считать линейным.

Существует несколько методов, позволяющих повысить инверсию населенности по сравнению с рассмотренным случаем использования трехуровневой системы. Прежде всего при высоких частотах сигнала инверсию желательно получать путем накачки на более низкой частоте, поскольку генераторы накачки на более высоких частотах менее выгодны с различных точек зрения.

В парамагнитной спиновой системе квантового усилителя с четырьмя или большим числом рабочих уровней инверсию населенностей можно повысить за счет одновременной накачки на двух или более переходах, причем иногда для этих целей можно использовать один и тот же источник накачки. Наибольшее распространение получили методы с многократной накачкой, поясняемые рис. 18.4, особенно первый из них на рис. 18.4, а (метод пушпульной накачки) и разновидность его на рис. 18.4, г. Под воздействием накачки происходит одновременный переход спиновых систем (ионов хрома) с уровня 1 на верхний сигнальный (рабочий) уровень 3 и с нижнего сигнального уровня 2 на уровень 4, т. е. в этом случае на рабочем переходе происходит заселение верхнего рабочего уровня с одновременным освобождением нижнего, что и приводит к увеличению инверсии.

Расчеты показывают, что коэффициент инверсии при такой накачке пропорционален ^f_н/f_c) — 1, а в трехуровневой системе этот коэффициент пропорционален (/_н/2/_с) — 1, где /_н, f_c — частоты накачки и сигнала соответственно. Для рубина симмет;

Рис. 18.4.

ричная схема энергетических уровней (см. рис. 18.4), необходимая для пушпульной накачки одним источником, автоматически реализуется при угле 0 между вектором В и осью кристалла, равным 0 = 54°44'.

На рис. 18.4, б и 18.4, в показаны две схемы пушпушной накачки. В отдельных частных случаях коэффициент инверсии для этого случая совпадает с соответствующим выражением для мазера с пушпульной накачкой, но в любом случае он больше, чем для трехуровневого мазера.

К другим методам повышения инверсии относятся: использование явления кросс-релаксации; сокращение времени релаксации; накачка на более низких частотах (например, f_и = «12 ^< /32 (^см* Р^ис* 18.4, г)) гармоническая накачка, связанная с одновременным насыщением двух переходов (см. рис. 18.4, г).

Кросс-релаксация представляет собой процесс обмена энергией между двумя магнитными переходами, которые принадлежат к многоуровневой системе спинов.

Для усиления широкополосных сигналов эффективность однорезонаторных усилителей оказывается недостаточной из-за малой полосы пропускания. Многорезонаторные усилители и усилители бегущей волны позволяют существенно увеличить частотную полосу усиливаемых сигналов. Использование таких усилителей дает увеличение эффективности в несколько раз, а в последовательно-параллельной схеме — в десятки раз. На рис. 18.2, б представлена блок-схема усилителя с двумя связанными резонаторами (контурами). Активное вещество может располагаться как в верхнем, так и нижнем резонаторе, но предпочтительным является последнее расположение. На практике используется также сложная схема из четырех последовательно-параллельно соединенных резонаторов.

Мазеры бегущей волны (МБВ).

МБВ имеют лучшие параметры, чем многорезонаторные усилители. Усиление в МБВ получается за счет длительного взаимодействия усиливаемого сигнала с активным веществом. Полоса пропускания усилителя бегущей волны ограничена полосой пропускания замедляющей системы и шириной контура спектральной линии рабочего вещества. В качестве замедляющей системы (см. п. 13.3) часто применяется гребенчатая структура, при использовании которой однонаправленное излучение достигается без заметного усложнения конструкции прибора. Чтобы получить однонаправленное усиление, т. е. устранить отражения, вызванные рассогласованием на входе и выходе, вводят специальный поглотитель обратной волны и определенным образом располагают активное вещество по отношению к замедляющей системе (см. рис. 18.2, в). На рис. 18.2, в введены следующие обозначения: 1 и 2 — входной и выходной штыри связи соответственно с источником сигнала и нагрузкой; 3 — активное вещество (рубин);

• 4 — невзаимный элемент (обычно феррит в магнитном поле);
• 5 — гребенчатая замедляющая система; 6 — волновод.

Замедляющая система, активное вещество и невзаимный элемент размещаются в отрезке волновода 6_У который одновременно является низкодобротным резонатором.

Накачка может быть осуществлена с использованием волноводного переходника или специального штыря, дополнительно введенного в секцию волновода. На рис. 18.2 опущены такие элементы конструкции МБВ, как магнит (электромагнит) и криогенное устройство для охлаждения активного вещества.