Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Пирс Дж. -> "Квантовая электроника" -> 20

Квантовая электроника - Пирс Дж.

Пирс Дж. Квантовая электроника — М.: Мир, 1967. — 138 c.
Скачать (прямая ссылка): kvantovayaelektronika1967.djvu
Предыдущая << 1 .. 14 15 16 17 18 19 < 20 > 21 22 23 24 25 26 .. 46 >> Следующая


Вспомним, однако, что электромагнитное поле может переводить молекулы не только из состояния с высокой энергией в состояние с низкой, но и наоборот, из состояния с низкой энергией в состояние с высокой. Поскольку молекулы аммиака входят в резонатор, будучи на верхнем энергетическом уровне, то вначале переходы действительно наблюдаются только в одном направлении — из верхнего состояния в нижнее. Этот процесс, естественно, увеличивает энергию поля. Но если молекулы пробудут в резонаторе слишком долго, то очень многие из них перейдут на нижний уровень и поле получит возможность возвращать их обратно на уровень высокой энергии. А это приведет к тому, что молекулы уже станут отнимать энергию у поля. Таким образом, когда молекулы слишком долго задерживаются в резонаторе, общая энергия,

58 переданная электромагнитному полю, не возрастает, а, наоборот, уменьшается.

Некоторая часть энергии, отданной молекулами аммиака, отбирается из поля и растрачивается вихревыми токами в стенках резонатора (ведь стенки, конечно, не являются идеальными проводниками). Потери энергии в этом случае обусловлены теми же причинами, что и в любой резонансной цепи, имеющей сопротивление. Но основная часть энергии, пройдя сквозь отверстие в резонаторе, может поступить в волновод, как показано на фиг. 9, и, таким образом, составляет полезный сверхвысокочастотный выход.

Мазеры на аммиаке имеют очень низкие выходные мощности — всего около миллионной доли ватта. Зато частота колебаний у них чрезвычайно стабильна: отклонения частоты во времени не превышают нескольких десятков миллиардных долей основной частоты (23 870 Мгц)-Поэтому мазеры на аммиаке очень хороши в качестве особо точных стандартов частоты, или часов. Возбужденные молекулы аммиака более эффективно отдавали бы энергию не стоячей, а бегущей электромагнитной волне и, следовательно, могли бы обеспечить усиление волны. Однако они способны взаимодействовать лишь с волнами очень узкого интервала частот; такого рода усилитель работал бы в очень узкой полосе частот. И, кроме того, как мы уже отмечали, выходная мощность мазера на аммиаке очень мала.

Трехуровневый мазер на твердом теле

Нельзя ли использовать принцип действия мазера в какой-то другой форме и, преодолев указанный выше недостаток, все же построить хороший усилитель?

В 1956 г. Н. Бломберген ответил на этот вопрос, предложив принцип действия трехуровневого мазера на твердом теле, о котором мы теперь и расскажем. X. Сковил, Г. Фейер и X. Зейдель впервые сообщили об успешном запуске такого прибора в 1957 году, а в 1958 году К. Махов, Ц. Кикучи, Дж. Лэмб и Р. Терхун описали первый мазер, в котором в качестве рабочего тела использовался розовый рубин. Активным веществом в данном случае является хром, содержащийся в кристалле окиси алюминия. В рубиновом кристалле хром, как и алюминий, нахо-

59 дится в виде трехзарядных ионов — каждый атом хрома лишается трех своих электронов, передавая их атомам кислорода. Ионам хрома рубин обязан своим розовым цветом.

Вообще говоря, поведение атомов (и молекул, и ионов) в твердом теле гораздо сложнее, чем в газе, но атомы активного вещества трехуровневого мазера на твердом теле (например, ионы хрома в рубине) составляют настолько ничтожную долю общего числа атомов в кристалле, что практически они удалены один от другого на расстояния, характерные для газа, и действуют независимо друг от друга, как и молекулы газообразного аммиака в мазере на аммиаке.

В 1896 году датский физик Петер Зееман заметил, что когда вещество находится в магнитном поле, некоторые спектральные линии испускаемого им света симметрично расщепляются на пары линий, которым соответствует различная частота. Расщепление спектральной линии обусловлено, конечно, расщеплением уровня энергии атома на пару энергетических уровней. Иначе говоря, опыт Зеемана доказал, что магнитное поле вызывает расщепление уровней энергии. Вот этот-то эффект и составляет основу работы трехуровневого мазера на твердом теле. Благодаря ему появляется возможность настроить мазер так, что он будет либо генерировать, либо усиливать электромагнитные колебания на частоте, значение которой определяется величиной приложенного магнитного поля. На фиг. 10 показано, как изменяются энергетические уровни в рубиновом мазере при увеличении магнитного поля1. Разницу в энергиях между двумя верхними

плавно увеличивать, усиливая магнитное поле.

Разница в энергиях между любыми из этих четырех уровней весьма мала по сравнению с тепловой энергией ионов хрома при комнатной температуре. Поэтому между этими уровнями благодаря тепловой энергии будут происходить быстрые переходы вверх и вниз. И, согласно больцмановскому распределению, на всех этих четырех уровнях при комнатной температуре будет почти одно и

1 Точная форма кривых зависит от ориентации. осей кристалла относительно направления магнитного» поля.

уровнями, помеченными как

можно

60 то же число ионов. Зато если понизить температуру кристалла с 293° К (20° С, то есть комнатная температура) до примерно 4° К, то переходы с одного из этих уровней на другой под воздействием тепла будут происходить гораздо реже. Более того, больцмановская кривая указывает, что при такой температуре на нижних уровнях должно находиться заметно больше ионов хрома, чем на верхних.
Предыдущая << 1 .. 14 15 16 17 18 19 < 20 > 21 22 23 24 25 26 .. 46 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed