8.1.   Мазеры. Квантовые парамагнитные усилители

Исторически первыми квантовыми приборами были усилители и генераторы СВЧ-диапазона, созданные в середине 50-х годов XX века.

Мазеры (от начальных букв слов Microware Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн с помощью индуцированного излучения) – это квантовые усилители и генераторы СВЧ-радиодиапазона, т.е. приборы, работающие в области длин волн больше 1 мм. Расстояние между рабочими энергетическими уров­нями активной среды должно быть мало (менее 1 мэВ). Мазеры были первыми приборами, работающими на квантовых принципах. Хотя в современной технике мазеры используются реже, чем приборы оптического диапазона, они сыграли принципиально важную роль в развитии квантовой электроники и до сих пор с успехом применяются в радиофизике, радиоастрономии, мет­рологии.

Квантовые приборы радиодиапазона обладают двумя существенными достоинствами по сравнению со своими клас­сическими аналогами:

1) низким уровнем собственных шумов, что позволяет их использовать в качестве первых, наиболее важ­ных каскадов СВЧ-приемников (квантовые парамагнитные уси­лители);

2) высокой стабильностью частоты, что определяет их применение в качестве стандартов частоты (пучковые мазеры).

Квантовый парамагнитный усилитель (КПУ) – это квантовый усилитель СВЧ диапазона, использующий в ка­честве усиливающей среды парамагнитные вещества, возбуж­даемые электромагнитным излучением «накачки» от внешнего источ­ника (магнетрона, клистрона, ламп бегущей или обратной волны) с частотой, превышающей частоту усиливаемого сигнала. Создание необходимой системы энергетических уров­ней и настройка частот квантовых переходов на частоту усиливаемого сигнала и частоту «накачки» производят за счёт расщепления энергетических уровней парамагнитных при­месей внешним постоянным магнитным полем (эффект Зеемана).

Уси­ление в КПУ возникает в результате взаимодействия излучения сигнала с парамагнитными примесями, находящимися в состоянии инверсии населённостей. Необходимая для ра­боты КПУ инверсия населённостей достигается под дей­ствием излучения «накачки», вызывающего эффект насы­щения по переходу «накачки» при низких температурах (обычно при температурах жидкого гелия 1,4 – 4,2 К). Иначе говоря, работа КПУ основа­на на усилении слабых СВЧ-сигналов вынужденным излучением, вызванным электронными переходами между энергетическими уровнями парамагнитных ионов в диэлектриках, расщепленными внешними или внутренними полями. При этом используются квантовые переходы между зеемановскими подуровнями пара­магнитных ионов в кристаллах во внешнем магнитном поле.

Под действием внешнего магнитного поля происходит квантование магнитного момента атома, в резуль­тате чего каждый из уровней с определенным квантовым числом J расщепляется на (2J + 1) подуровней с разными значениями проекции  на направление поля: магнитное поле расщепляет вырожденные по квантовому числу  уровни. Расщепле­ние

пропорционально внешнему магнит­ному полю (В) и магнитному моменту атома (). Между этими уровнями в дипольном приближении разрешены переходы, удов­летворяющие следующим правилам отбора:

; .

Переходы с  и  попадают в оптическую область спектра и определяют сущность эффекта Зеемана. Пере­ходы между подуровнями одного уровня с  и  лежат в СВЧ-радиодиапазоне и определяют сущность элект­ронного парамагнитного резонанса.

В качестве парамагнитных веществ для КПУ используются диамагнитные диэлектрические кристаллы корунда (Al₂O₃), рутила (TiO₂), вольфрамата цинка (ZnWO₄) и ряд других, содер­жащих небольшую примесь (~0,05 %) парамагнитных ионов Cr³⁺ , Fe^{3+ p>, Gd3+. В большинстве получивших практическое применение КПУ активной средой служит рубин (Al₂O₃ с примесью ионов Cr3+).}

В отличие от изолированных атомов в кристаллах типа NaCl, Аl₂О₃ и т.п. орбитальные и спиновые моменты отдельных атомов связаны и взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего такие кристаллы являются диамагнетиками. Если в эти кристаллы ввести ионы с незаполненными внутренними оболоч­ками (элементы группы железа: V³⁺, Сг³⁺, Mn²⁺, Со²⁺, Fe³⁺ … или редкоземельные элементы – лантаноиды), то появятся не­скомпенсированные магнитные моменты (нескомпенсированные спины), и кристаллы становятся парамагнетиками. Именно такие кристаллы используются в качестве активных элементов КПУ.

Рабочие переходы осуществляются между зеемановскими под­уровнями парамагнитного иона-активатора. Кристаллическая ос­нова, выполняя роль матрицы, со своей стороны влияет как на энергетический спектр иона-активатора, так и на процессы об­мена энергией (релаксационные процессы). Это естественно, поскольку активный ион находится под воздействием сильно­го внутрикристаллического поля. Это воздействие тем больше, чем слабее экранированы внешними электронами внутренние незаполненные 3d- или 4f-оболочки, внутри которых собственно и происходят рабочие переходы.

Накачка, обеспечивающая инверсную населенность между ра­бочими уровнями КПУ, осуществляется вспомогательным СВЧ-излучением. Как правило, работа происходит по трехуровневой схеме.

В качестве примера активного диэлектрика КПУ рассмотрим рубин, представляющий собой кристалл окиси алюминия Аl₂О₃, в котором часть атомов алюминия изоморфно замещена атома­ми хрома (Аl₂О₃ :Cr³⁺ ). Чистые бесцветные кристаллы Аl₂О₃, называемые -корундом и иногда не совсем точно сапфиром, обладают кубической симметрией. Название «сапфир» (от греч. sapphieros) обозначает синий камень. Этот цвет корунду придают ионы титана, содержащиеся в вида примесей. Минералоги прошлого использовали название «сапфир»» в более широком смысле для обозна­чения всех разновидностей драгоценных корундов, включая и рубин. Каждый ион алюминия (А1³⁺) находится в окружении шести ионов кислорода (О^2-), образующих октаэдр. Окружение иона кислорода составляют четыре иона алюминия, которые образуют тетраэдр.

Корунд – бесцветный кристалл, прозрачный в оптической области от 0,17 до 6,5мкм и в СВЧ-диапазоне. Без легирующих примесей он обладает диа­магнитными свойствами. Радиус иона хрома (0,065 нм) больше радиуса иона алюминия (0,057 нм), поэтому при легировании хромом параметры решетки изменяются. Ион хрома, замеща­ющий алюминий, оказывается не в центре октаэдра ионов О^2- решетки корунда, а несколько смещенным вдоль тригональной оси. Следствием этого является возникновение напряжений и структурных искажений, возрастающих с увеличени­ем концентрации  хрома и приводящих к понижению симметрии кристалла.

В мазерной и лазерной технике, как правило, испо­льзуется бледно-розовый ру­бин с содержанием хрома около 0,05 %, что соответ­ствует  ионов Cr³⁺ в 1 см³. Увеличение содер­жания хрома изменяет цвет кристалла до красного и ви­шнево-красного.

В отличие от -корунда кристалл рубина анизотропен и обладает ром­боэдрической симметрией. Оп­тическая ось кристалла совпадает с осью симметрии третьего порядка.

Основное состояние иона Cr³⁺ в рубине – . Под действи­ем магнитного поля оно расщепляется на четыре зеемановских подуровня (рис. 8.1, а). Это расщепление заметно отличается от простых линейных зависимостей (), что обусловлено влиянием сильного кристаллического поля. При Н = 0 это кристаллическое поле расщепляет четырехкратно выро­жденное состояние  на два двукратно вырожденных. Вследст­вие анизотропии кристаллического поля расстояние между маг­нитными подуровнями иона Сг³⁺ в рубине существенно зависит не только от величины магнитного поля, но и от его ориентации относительно оптической оси кристалла. В КПУ наиболее часто используют ор