Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

201

вия, при которых резко возрастает внутренняя энергия атома за счет энергии взаимодействия между его спинами и внешним переменным полем.

3. Если вектор H1 вращается в обратную сторону по отношению к вращению магнитного момента µi, вызванного прецессией, то результирующий эффект в среднем, независимо от соотношений частот поля и прецессии, тоже будет равен 0, как и при ω не равное ωпр в первом случае.

Поле СВЧ может взаимодействовать со спинами или орбитальным магнитным моментом, если:

1.υ = υпр

2.существует H0+H~

3.направление вращения вектора H~ должно совпадать с вращением µi.

С квантовой точки зрения магнитный момент электрона равен одному магнитону Бора: µ = he/2mэ.

Энергия взаимодействия с внешним полем H0 равна εвз=- µ H0

(-µ,+ µ) (т.е. момент либо совпадает с полем H0, либо ему противоположен), ос-

Переходу между этими уровнями соответствует частота:

Таким образом, условию ЭПР отвечает равенство частоты внешнего поля H┴ частоте перехода ω21, т.е.

Здесь наблюдается мгновенный переход частиц под воздействием энергии 2H0 с одного уровня на другой с поглощением фотона при переходе “ вверх” и излучением фотона при переходе “ вниз”.

Из изложенного вытекает, почему в обычной среде ЭПР проявляется в виде поглощения энергии, а в активной среде с инверсной населенностью наблюдается усиление. Действительно, в обычной среде параллельных волчков больше, чем антипараллельных, и поэтому переходов вверх больше, чем число переходов вниз

– среда в целом поглощает энергию. В состоянии инверсии – наоборот.

Такое распределение частиц по уровням обладает свойствами устойчивого равновесия; если каким-либо способом изменить это распределение, то через некоторое время оно снова вернется в равновесное состояние из-за спин – решеточной и спин – спиновой релаксации. При равновесном распределении, когда большинство частиц обладает минимальной энергией, поглощение электромагнитной энергии всегда должно преобладать над ее излучением, что и наблюдается в ЭПР. Наблюдение ЭПР осуществляется с помощью радиоспектроскопов или радиоспектрометров.

Изменяя величину постоянного поля H0, мы изменяем положение энергетических уровней, когда расстояние между уровнями равно энергии кванта, ∆ε = hυ, то происходит резонансное поглощение СВЧ поля.

202

Если квантовая система является многоуровневой рис. 7.11, то резонансное поглощение ВЧ может иметь место при различных значениях постоянного магнитного поля H0.

В КПУ широко используются трех - и четырехуровневые схемы. Рассмотрим 3-х уровневые схемы. На рис. 7.12 показан один из вариантов

трехуровневой схемы, где частота накачки определена переходами с первого на третий уровень (υн = (ε3 – ε1)/h), частота сигнала со второго на первый (υсиг =

υ21 =(ε2 – ε1)/h).

Получение коэффициента усиления достигается путем инвертированности среды. Коэффициент инверсии (I21) определяется из соотношения разности населенностей между рабочими уровнями в возбужденном состоянии по отношению к разности населенностей этих же уровней, но находящихся в невозбужденном состоянии

Из (7.25) видно, что необходимо знать величины разности населенной между уровнями. При ее расчете используют уравнения баланса. Спонтанными переходами можно пренебречь. оставляются кинетические уравнения на основе переходов, показанных на рис. 7.12: достаточно взять изменения населенности во времени на втором уровне, т.к. для определения второго неизвестного, возьмем сумму всех частиц системы, распределенных по уровням.

dN2/dt = Г12·N1 + Г32·N3 – ( Г21 + Г23)·N2 = 0, N1 + N2 + N3 = N,

203

должны накапливаться. Если генерация соответствует частоте υ21, то здесь нижний рабочий уровень является основным. Инверсия в таком случае достигается с трудом.

Позже будут отмечены и другие недостатки.

Четырехуровневые схемы представляют больший интерес. Но и по системам накачки они тоже имеют разновидности рис. 7.13, а, б.

а) Система уровней симметрична, одновременно происходит накачка пере-

симметричности уровней.

Коэффициент инвер-

сии.

Основным параметром, определяющим мощность излучения и соответственно ге-

нерации, является коэффициент инверсии. Запишем формулу, определяющую мощность излучения:

Чтобы добиться большей мощности излучения необходимо добиться большей инверсии населенностей. На практике величинами N неудобно пользоваться, поэтому вводят понятие коэффициента инверсии:

При вычислении мощности излучения для термостатированного состояния, учитывается коэффициент инверсии:

Pизл = hυW(N2e – N 1e)I21

1. В состоянии термодинамического равновесия коэффициент инверсии равен – 1 , что легко доказать:

I21 = (N2e – N 1e)/ (N1e – N 2e) = -(N1e – N 2e)/ (N1e – N 2e) = -1;

2.В состоянии с инверсией: I21>0;

204

Чем лучше качество активного элемента, тем больше I21. В настоящее время используют активные элементы с коэффициентом инверсии порядка нескольких единиц.

В состоянии термодинамического равновесия по закону Больцмана:

N2e/ N1e = exp(-hυ21/kT).

где Тэ – эффективная спиновая температура.

Если N2> N1, то Тэ<0 (состояние инверсной населенности), т.е.

Тэ = - |Тэ|, тогда выражение (7.28) можно переписать следующим образом: N2/ N1 = exp(hυ21/k|Tэ|).

В диапазоне СВЧ hυ всегда < kТ и следовательно < k|Тэ|. Тогда, используя

Качество усилителя будет тем выше, чем ближе |Тэ| к нулю.

Таким образом, коэффициент инверсии и эффективная спиновая температура Тэ тесно связаны и любая может быть использована для характеристики усилителя.

Инверсия населенности для трехуровневых схем достигается на переходах, на которых выполняется условие:

Аналогично проводится расчет для 4-х уровней схемы. В результате получим выражение для коэффициента инверсии:

Пример: Рассмотрим случай υн = 3υc: Для 3-х уровней I21 = 0.5; Для 4-х уровней I = 2;

Для 4-х уровневой схемы коэффициент усиления в 4 раза больше, чем для 3- х уровневой схемы.

Изучение ЭПР осуществляется с помощью спектрометров ЭПР, которые по устройству близки к квантовым парамагнитным усилителям (КПУ), поэтому более подробно остановимся на рассмотрении КПУ.

7.2.4. Устройство квантового парамагнитного усилителя

205

На рис. 7.14 показана схема квантового парамагнитного усилителя с отражательным резонатором. Сигналы, распространяющиеся в противоположных направлениях, разделяют при помощи циркулятора – устройства, пропускающего электромагнитные волны между двумя соседними плечами только в одном направлении. Входной сигнал попадает в циркулятор, а из него в резонатор с парамагнитным кристаллом.

В резонаторе происходит усиление, и усиленный отраженный сигнал через циркулятор поступает на приемник сигнала. Шумы, излучаемые вхо-

дом приемника, а также отраженная от него мощность при плохом согласовании приемника и источника сигнала могут попасть через циркулятор на вход резонатора. Для устранения этого нежелательного явления вслед за приемником к циркулятору подключают согласованную нагрузку. Нагрузку следует охлаждать, поскольку ее шумы поступают на вход усилителя.

Специфическим является требование 2-х частотности резонатора, т.е. способности его резонировать на частоте сигнала υс и накачки υн. Парамагнитный кристалл помешают в пучности магнитных полей сигнала и накачки с учетом требуемой ориентации оси кристалла и постоянного магнитного поля.

Генератор накачки насытит какой-либо переход (1-3). Тогда на переходе (3- 2) или (2-1) будет инверсия населенности.

Подавая в резонатор слабый сигнал с hυ32 или hυ21, будем иметь его усиле-

ние.

Можно использовать схемы и с проходными резонаторами. Особенность такого усилителя в наличии отдельных передающих линий для входного и выходного сигналов. Для прохождения усиливаемого сигнала

входного и выходного сигналов. Для прохождения усиливаемого сигнала только в одном направлении применяются ферритовые вентили.

Применение многорезонаторных схем улучшает некоторые из параметров парамагнитных усилителей. Пассивные резонаторы изменяют форму частотной характеристики усилителя так, чтобы сделать ее максимально плоской, т.е. наиболее близкой к оптимальной прямоугольной форме. Так, например, при усилении 10дБ добавление 1-го пассивного резонатора позволяет более чем вдвое расширить полосу усилителя. Так, в диапазоне см. волн 2-х резонаторного усилителя на рубине при К0 = 100 имеет полосу пропускания ∆υ ~ 40МГц, при ширине спек-

тральной линии ∆υмакс ~ 60МГц.

Парамагнитные усилители бегущей волны применяются, когда необходимо увеличение усиления. В них усиление происходит за счет применения замедляющих систем. Замедляющие системы замедляют групповую скорость Vгр, обеспечивая при этом длительное взаимодействие и наращивание коэффициента усиле-

206

ния. Замедляющую систему помещают в волновод накачки или объемный резонатор с резонансной частотой равной частоте накачки.

7.2.5.Особенности квантового парамагнитного усилителя и области применения

КПУ СВЧ реализованы в большом диапазоне частот 300 МГц (λ=1м) до 9600 МГц (λ=3,1м). С их помощью получено значительное увеличение чувствительности радиолокаторов, систем глобальной и космической связи.

Основное характерное достоинство КПУ – низкий уровень собственных шумов. В этом смысле у КПУ единственный конкурент – п/п параметрические усилители, имеющие при охлаждении Тш=20-30° К, но являющиеся менее стабильными. В КПУ Тш=5-10° К.

Для сравнения у ЛБВ Тш=1000° К.

КПУ применяются: наземная радиолокация; лабораторные измерения; космическая связь; радиолокация планет; радиоастрономия.

Особенно важно применение КПУ в радиоастрономии. КПУ без увеличения антенн повышают чувствительность приемного устройства во много раз.

207

ГЛАВА 8.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ

Освоение новых диапазонов более высоких частот электромагнитного спектра является постоянно действующим закономерным процессом в резонансных, вычислительных, информационных, радиоэлектронных системах, таких как системы связи, локации, навигации, бытовая радиоэлектроника и др. Уже десятилетия ведутся активные научные и опытно-конструкторские работы в области создания новых систем в оптическом диапазоне. Имеются немалые достижения в этой области, однако значительных результатов предстоит достичь в ближайшем будущем. В настоящее время оптический диапазон широко используется на практике для такого рода систем. Отсюда следует, что современные радиоинженеры должны знать основы радиоэлектроники оптического диапазона.

8.1.Диапазон оптических волн и его особенности

Диапазон оптических волн. Оптическими волнами называют электромагнитные волны, длина которых лежит в пределах от 0,01 до 1000 мкм. Этим волнам соответствуют колебания с частотами от 3·1016 до 3·1011 Гц.

ν [ Гц] = 3 ×1014 [ мкм]−1

λ

По физическим свойствам и техническим особенностям полученных электромагнитных волн весь этот спектр частот не является однородным. Принято делить весь оптический спектр на поддиапазоны, в которых указанные свойства более однородны (см.таблицу 8.1).

Освоение оптического диапазона обусловлено, в первую очередь, ростом экономических и культурных потребностей общества, а так же требованиями обороны.

Следует отметить, что одним из замечательных явлений в истории наук XX века было возникновение квантовой электроники – нового раздела физики и тех-

208

ники. Наука, изучающая усиление, генерацию и преобразование электромагнитных волн.

Внастоящее время на базе квантовой электроники формируется оптическая радиоэлектроника как область техники. Оптическая радиоэлектроника, аналогично технике радиодиапазона, СВЧ включает в себя описание закономерностей распространения оптических волн, описание законов, устройств излучения и приема этих волн, анализ процессов генерации, модуляции, усиления, детектирования и т.д.

Всякая система радио-, СВЧ диапазона включает в себя электронные приборы (лампы, полупроводниковые приборы и др.) и пассивные электрические линейные элементы цепи (резисторы, конденсаторы, колебательные контуры разного вида и др.).

Воптическом диапазоне волн радиосистема также имеет квантовые электронные приборы (лазеры, мазеры, ФЭУ и др.) и линейные устройства в виде оптических линз, зеркал, телескопических систем, оптических фильтров, модуляторов и др.

Особенности оптического диапазона волн. До появления лазеров или оп-

тических квантовых генераторов в оптическом диапазоне волн отсутствовали источники когерентного монохроматического излучения. Принципиально нет никакой разницы между квантовыми приборами СВЧ и оптического диапазона. Для получении инверсии необходимо, чтобы число частиц на верхнем уровне было больше, чем на нижнем. Однако в оптическом диапазоне имеется ряд особенностей, которые существенно влияют на конструкции лазеров и их выходные характеристики.

Первой особенностью квантовых генераторов оптического диапазона является то, что у веществ используются возбуждённые уровни, разделённые друг от друга и от уровня основного состояния оптическими переходами.

По закону Больцмана практически населённым является только уровень основного состояния. Населённости верхних возбуждённых уровней будут практически равны нулю.

Второе отличие состоит в способе накачки. Несмотря на то, что в настоящее время появились достаточно мощные монохроматические источники накачки (полупроводниковые лазерные диоды), накачка производится либо немонохроматическими источниками, либо применяются другие методы возбуждения.

Третье отличие состоит в том, что резонаторы оптического диапазона отличаются от обычных объёмных резонаторов СВЧ. В оптическом диапазоне используют открытые резонаторы.

Наконец, в оптическом диапазоне нельзя не учитывать спонтанные переходы, т.к. вероятность спонтанных переходов пропорциональна кубу частоты.

Тепловые (безызлучательные) переходы, как правило, для рабочих уровней можно не учитывать, но для холостых переходов их вероятности могут быть очень велики [3,5].

квантовых приборах лазеров

Оптические квантовые генераторы по различным признакам могут быть разделены на определенные группы. По агрегатному состоянию вещества различают:

—газовые лазеры;

—лазеры на твердом теле;

—полупроводниковые оптические квантовые генераторы (п/п лазеры);

—жидкостные лазеры.

Для накачки и получения индуцированного излучения в газовых лазерах могут использоваться энергетические уровни атомов, молекул и ионов. В соответствии с этим газовые лазеры подразделяют на атомарные, молекулярные и ионные.

Атомарные лазеры следует рассматривать как источники главным образом инфракрасного (ИК) излучения небольшой мощности. Их спектр содержит небольшое число линий излучения в видимой и ближней инфракрасной областях. Основное число линий сосредоточено в интервале 1 – 25 мкм.

Ионные оптические квантовые генераторы излучают в основном видимые и ультрафиолетовые электромагнитные колебания, а молекулярные лазеры являются источниками мощного ИК излучения с длинами волн, превышающими 5 мкм.

Если в атомарных и молекулярных лазерах «рабочими» излучателями являются электрически нейтральные частицы (атомы и молекулы), то в ионных – заряженные частицы (ионы).

По типу резонансной системы лазеры подразделяются на линейные и кольцевые. Кольцевые оптические квантовые генераторы называют также оптическими квантовыми генераторами бегущей волны. В кольцевых лазерах луч света распространяется по замкнутому контуру В зависимости от режима работы различаются лазеры непрерывного излучения и импульсные.

Исторически сложилось так, что первые образцы лазеров на твердом теле и полупроводниковые оптические квантовые генераторы работали только в импульсном режиме, а первые газовые лазеры– лишь в непрерывном. В настоящее время от генераторов всех классов получен как импульсный, так и непрерывный режим работы.

В зависимости от частоты излучения различают лазеры инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов волн.

По положению двух энергетических уровней, между которыми совершается рабочий переход атомов активного вещества, лазер можно подразделять на трехуровневые и четырехуровневые (см. рис.6.4, 6.5).

Деление оптических квантовых генераторов на трех- и четырехуровневые весьма условно, так как конечный уровень «2» может быть незначительно удален от основного. Принято считать лазер четырехуровневым, если E2 ³ 8kT [2].

8.3. Структурная схема оптико-электронного квантового прибора

На рис.8.1. представлена обообщенная структурная схема, являющаяся основной практически любого оптико – электронного квантового прибора (ОЭКП) [9]. Краткое рассмотрение ее во введении позволяет показать назначение основных и вспомогательных элементов ОЭКП и систематизировать их по

210

функциональному назначению. Назначение системы накачки 2, получающей энергию от источника питания 1, – обеспечить возбуждение рабочей среды (лазера) 3, создать в ней условия для поддержания неравновесного состояния с инверсией населенностей. Оптический резонатор, представляющий собой систему минимум из двух параллельных друг другу отражателей 4 и 5, является частотно и пространственно-селективным устройством положительной обратной связи, а также в значительной степени определяет и энергетические характеристики лазера. Предельно достижимые частотные, временные и пространственные характеристики излучения получаются в ОЭКП с помощью помещенных внутрь резонатора селектора мод 6 и модулятора 7, а также с помощью внешней по отношению к резонатору оптической системы формирования излучения, состоящей из внешнего селектора мод 8, внешнего модулятора (временных характеристик излучения) 9, устройства управления излучением в пространстве 10 (устройства отклонения луча). Для стабилизации параметров излучения (мощности излучения Pвых, его частоты νген, положения оси лазерного луча в пространстве, а также систем автоматической юстировки отражателей резонатора и т.п.) служит устройство 11, функционально связанное с элементами резонатора и источника накачки 2. Для ОЭКП связного, локационного назначения, для технологических ОЭКП необходима взаимная связь между объектом исследований, передающей частью ОЭКП и его информационной частью. Эту связь, чаще всего непосредственно через излучение (прошедшее через объект, отраженное от него и принятое приемной частью ОЭКП 13), осуществляет устройство обработки информации 14 и решающее устройство 15, в котором на основе полученной информации принимается решение об изменении режима работы лазера, об осуществлении требуемого закона сканирования или его изменения, а также о дозировании во времени энергии (мощности), падающей на объект. Этот блок непосредственно связан с элементами передающей части ОЭКП и управляет их работой. При необходимости устройства 14 и 15 снабжаются блоком памяти 16, где хранится информация о законах управления всем устройством и возможном ее изменении в зависимости от поступления в процессе функционирования новой информации.

Рис. 8.1.Обобщенная структурная схема ОЭКП

Представленная схема не претендует на исчерпывающую полноту. Возможны ее дальнейшая детализация и дополнение. Однако рассмотренные элементы структурной схемы являются в значительной степени обязательными для большинства ОЭКП независимо от тех задач, которые они призваны решать [9].

Как следует из рис. 8.1 важнейшим элементом лазера как и квантового генератора радиодиапазона является резонатор.