Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Пирс Дж. -> "Квантовая электроника" -> 21

Квантовая электроника - Пирс Дж.

Пирс Дж. Квантовая электроника — М.: Мир, 1967. — 138 c.
Скачать (прямая ссылка): kvantovayaelektronika1967.djvu
Предыдущая << 1 .. 15 16 17 18 19 20 < 21 > 22 23 24 25 26 27 .. 46 >> Следующая


Напряженность магнитного поля

Фиг. 10.

Мы уже знаем, что сильное электромагнитное поле подходящей частоты вызывает много переходов между энергетическими уровнями. В трехуровневом мазере на твердом теле как раз и используется такого рода сильное поле, называемое полем накачки. Частота его выбирается такой, чтобы ей соответствовала разность энергий между первым и третьим уровнями. Поэтому такое поле вызывает много переходов между этими уровнями (как с нижнего на верхний, так и с верхнего на нижний) в результате поглощения и излучения соответствующих порций энергии. Короче говоря, количества ионов на первом и третьем уровнях одинаковы.

61 А что же будет происходить на втором уровне? Лишь небольшое число ионов будет совершать спонтанные переходы с третьего уровня на второй и небольшое число— со второго уровня на первый. Ведь при температуре близкой к абсолютному нулю тепловая энергия будет очень редко вызывать переходы с одного уровня на другой. Как показывает теория, на втором уровне может быть меньше ионов, чем на первом и на третьем, где их число одинаково. Средний промежуток времени, в течение которого хотя бы один ион со второго уровня совершит переход на первый уровень, отдавая при этом энергию колебаниям атомов кристалла, меньше среднего промежутка времени, в течение которого хотя бы один ион перейдет с третьего уровня на второй. Вообще можно заметить такую тенденцию: спонтанные переходы между уровнями, сильно отличающимися по энергии, происходят чаще, чем между уровнями, близкими по энергии.

Для нас прежде всего важно то, что при правильном подборе электромагнитного поля накачки можно добиться такого состояния, в котором на более высоком, третьем уровне собирается больше ионов, чем на втором, более низком уровне. Такое состояние в корне отлично от того, что наблюдается в кристаллах, находящихся при положительной температуре и не испытывающих воздействия электромагнитных полей. Для кристаллов при положительных температурах всегда справедливо больцманов-ское распределение, указывающее, что хотя и ненамного, но все-таки более вероятно обнаружить ион (как и атом, и молекулу) на уровне с меньшей энергией, чем на уровне с большей энергией. Что же касается весьма необычного состояния кристалла, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше ионов, чем на нижнем, то оно названо обращением заселенности. Это состояние в физике условно характеризуется соответствующей отрицательной температурой (именно такой, при которой, согласно больцмановскому распределению, на верхних энергетических уровнях должно быть действительно больше ионов, или атомов, или молекул, чем на нижних).

Добившись обращения заселенности, чтобы на более высоком, третьем уровне было больше ионов, чем на втором уровне, можно уже, как и в случае мазера на аммиаке, просто поместить кристалл в резонансную полость или

62 в подходящую конструкцию, поддерживающую бегущую волну1, чтобы получить либо генерацию, либо усиление. Правда, при попытке осуществить эту задачу на практике, мы сталкиваемся с весьма сложными проблемами.

Трудности, связаные с практическим изготовлением мазера

Одна из трудностей практического изготовления мазера, использующего обращение заселенности для усиления и генерации излучения, заключается в том, что сконструированная схема должна эффективно работать как на частоте усиления, или генерации, так и на частоте накачки. Это особенно важно для тех участков схемы, куда поступает электромагнитная энергия поля накачки, создающего обратную заселенность.

Предположим, что наїм удалось встроить рубин в схему, пропускающую бегущую электромагнитную волну, которую мы собираемся усилить, и что мы сумели приложить к рубину поле накачки, имеющее другую частоту. Наш прибор будет усиливать волну, распространяющуюся в нем в обоих направлениях. Однако такое ненаправленное усиление нежелательно, потому что небольшая часть усиленной волны может оказаться отраженной обратно к входу прибора и, повторяя этот путь неоднократно, раз от раза усиливаться. Ясно, что усилитель, усиливающий волны в обоих направлениях, склонен к самовозбуждению.

Другая важная задача — добиться достаточно широкой полосы пропускания у такого усилителя. В лучших ма-зерных усилителях бегущей волны электромагнитные волны движутся вдоль сложной конфигурации типа изображенной на фиг. 11. Как видно из фиг. 11, на одной узкой стенке прямоугольного металлического канала, или, как его называют, волновода, укреплен ряд металлических стержней, наподобие зубьев гребешка. Дело в том, что электромагнитные волны достаточно высокой частоты легко проходят сквозь прямоугольный волновод, однако волны меньших частот не могут в нем распространяться. Размер волновода в мазере выбирают так, чтобы поле с

1 Когда волна, изображенная на фиг. 2, движется, например, вправо, она как раз и представляет собой бегущую волну. Такая волна может двигаться в свободном пространстве или вдоль провода либо распространяться в трубе (которая называется волноводом).

63 частотой накачки (которая больше частоты подлежащей усилению волны) могло распространяться по волноводу, даже если бы стержни этого металлического «гребешка»
Предыдущая << 1 .. 15 16 17 18 19 20 < 21 > 22 23 24 25 26 27 .. 46 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

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

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed