17.4.2. Материалы

Выбор материалов, пригодных для мазеров, требует осторожности [622], Материалы для мазеров с двумя уровнями должны обладать большой плотностью спинов и большим временем спин-решеточной релаксации. К материалам, используемым в мазерах со многими уровнями, предъявляется требование существования ненулевой вероятности магнитнодипольного перехода между используемыми уровнями. Хорошая смесь состояний получается в том случае, когда частота перехода между расщепленными уровнями при нулевом поле сравнима с частотой сигнала. Для сохранения эффективного числа спинов высоким предпочтительно иметь малый спин основного состояния, а ядерный спин должен отсутствовать. Следует избегать водородосодержащих материалов, так как в противном случае кроме большого ядерного магнитного момента, неблагоприятно влияющего на в составе водных окислов (гидратов) присутствуют и протоны, что приводит к химической неустойчивости и большим диэлектрическим потерям. Для уменьшения спин-спинового взаимодействия активные ионы необходимо рассеивать с концентрацией порядка в кристаллической решетке или в материале «хозяине», которой по возможности должен быть свободен от ядерных магнитных полей.

Хотя было предложено пользоваться в мазерах уровнями сверхтонкой структуры [60, 136, 295, 463] в большинстве практических усилителей используются спиновые уровни. Имеются данные об электронно-спиновом резонансе для ряда кристаллов, содержащих ионы с пятью группами переходов: железо, палладий, редкоземельные элементы, платина и группа актинидов, обладающие непарными электронами соответственно на уровнях Большинство ионов из группы дает наблюдаемый спектр, но в группах химическая стабильность, по-видимому, связана с диамагнитной связью (диамагнитными свойствами). Серии (кроме обладают очень малым временем релаксации и, кроме того, решетки очень дороги и радиоактивны. К пригодным ионам группы железа относятся

Предложено [45] использовать последний ион в кремниевофтористом соединении цинка, но успешной работе мазера мешает неоднородное уширение линии. Сообщалось [27] об измерениях спин-резонансных свойств в решетке В некоторых мазерах применен в кристаллической решетке Этот материал обладает четырьмя низкими энергетическими уровнями; расщепление уровней при нулевом поле соответствует частоте при этом обеспечивается хорошая смесь состояний. Величина для составляет около 200 мсек при температуре 1,25° К [397].

В качестве решетки-хозяина полезно применять корунд, хотя при строгих допусках его очень трудно обрабатывать; к его преимуществам относятся химическая стабильность, высокая теплопроводность при низких температурах и малые диэлектрические потери. Одиночная ячейка содержит два неэквивалентных уровня для ионов со спином 3/2 или менее эти два уровня магнитно эквивалентны, но для спина 2 или более они становятся различимыми. Использование в качестве активного иона дает [262] шесть уровней энергии и расщепление уровней при нулевом поле, соответствующее частотам могут также вводиться и другие ионы [511], такие, как Время спин-решеточной релаксации в таком замещенном корунде довольно благоприятно вследствие того, что активный ион окружен шестью атомами кислорода, а вторым ближайшим соседом является алюминий. При введении образуется рубин, который оказался [240, 296] очень хорошим материалом для мазеров общего применения. Измерения на различных частотах показывают [169, 297, 506], что константы в спиновом гамильтониане равны По этим данным можно вычислить [386] диаграмму энергетических уровней; пример для случая, когда поле находится под углом 90° коси с [304], приведен на рис. 17.16, а. В температурном диапазоне кривые обнаруживают лишь небольшие изменения. На рис. 17.16,б приведены в функции от магнитного поля составляющие определенные в уравнении (17.69) и вычисленные для различных переходов. Индексы у переходов обозначают связанные с ними уровни: составляющие и с обозначены соответственно пунктирной, штрих-пунктирной и сплошной линиями. Описан метод [164] для определения условий одновременного резонанса в рубине.

Наблюдался спектр содержащегося в монокристалле (рутил) с концентрацией Резонансы, измеренные при различных значениях и ориентациях приложенного поля на частотах можно описать спиновым гамильтонианом, у которого Ширина резонансных линий лежит в пределах и зависит от частоты и используемого перехода; наблюдалась также сверхтонкая структура из четырех линий, обусловленная наличием который содержится в природном в количестве 9,55%. Значения измеренные

методом насыщения на непрерывных колебаниях, составляли 40 мсек при 4,2° К и 0,4 мсек при 77° К. При мощности насыщения падающей на резонатор с добротностью около 1000, был получен параметр насыщения, равный единице при 77° К и 100 при 4,2° К.

Очень прочным материалом является титан, температура Дебая которого при 4° К составляет около 758° К. Он может выдерживать большие изменения температур, не подвергаясь разрушению. В направлении, перпендикулярном оси, диэлектрическая проницаемость, равная при комнатной температуре 88, увеличивалась до 121 при 77° К.

Рис. 17.16. Свойства типичного материала со многими уровнями. Кривые относятся к Магнитное поле приложено под углом к оси с. (См. [479].)

Благодаря столь благоприятным свойствам титан, легированный является очень полезным материалом для мазеров. Были вычислены [167] диаграммы энергетических уровней для различных режимов работы. Гексагональный кристалл берилла, содержащий две молекулы на кристаллическую ячейку, обладает очень хорошей химической стабильностью: при частичном замещении на образуется изумруд. Электрическое поле в такой кристаллической решетке обладает тройной симметрией, а резонансный спектр описывается спиновым гамильтонианом

где а ось параллельна оси с. Измерения, выполненные на дали [170]. Расщепление уровней при нулевом поле для исключительно велико, что делает изумруд очень удобным материалом для мазеров миллиметрового диапазона.

Существует класс веществ [40], у которых в отсутствие поля имеются четыре вырожденных уровня, которые подчиняются линейному эффекту Зеемана, но не обязательно одинаково разнесены друг от друга, когда приложено магнитное поле. В таких веществах есть разрешенные переходы, причем не обязательно между соседними уровнями. Примером может служить ион в котором один из -электронов под влиянием внутрикристаллического поля дает «квартет» из четырех низких уровней энергии. Переходы могут индуцироваться высокочастотным полем, перпендикулярным которое может иметь линейную или круговую поляризацию, причем в последнем случае направление перехода зависит от знака поляризации.

Некоторые материалы обладают достаточным числом удобно расположенных энергетических уровней для того, чтобы сделать возможным работу и при нулевом магнитном поле. К преимуществам такого мазера относится устранение необходимости в монокристаллах и магните; в то же время обеспечивается возможность применения сверхпроводников для цепей сверхвысокой частотьь Согласно теореме Крамера [263] число отдельных энергетических уровней для спина целое число плюс половина не должно превышать

К материалам, пригодным для использования при нулевом поле, относятся с тремя уровнями, с четырьмя и с пятью уровнями. Кристалл-хозяин должен обладать значительными вероятностями переходов, соответствующих частотам сигнала и накачки.

Наблюдаемое на опыте время спин-решеточной релаксации [691 для резонанса при индуцированном излучении в известковом шпате составляло 3 мин и 5 мсек при температуре соответственно 1,6 и 77° К. Облучение электронами с энергией для получения дозы создавало плотность спинов Эти центры угасали при комнатной температуре через несколько часов, а при 77° К — через несколько дней. Сильный резонанс вблизи при поле дает величину коэффициента равную 2, которая не зависит от частоты и почти не зависит от ориентации поля. Полную инверсию можно получить путем адиабатического быстрого прохождения при достаточно низкой скорости изменения частоты порядка гц/сек 2 и при использовании высокочастотной мощности около в этом случае больше сек. Наблюдаемая ширина линий составляла около что соответствует порядка сек, так что линии имели заметное неоднородное уширение.

В квантовомеханических усилителях можно применять [31] полупроводники; имеются [163] предложения по применению уровней Ландау в субмилл и метровой области. Весьма интересна мысль [274] об использовании парамагнитных пьезоэлектрических кристаллов, у которых расположение энергетических уровней зависит не только от внутрикристаллического поля, но и от приложенного извне электрического поля; в этом случае становится возможным создание мазера, перестраиваемого напряжением. Пригодным

для этого материалом может служить легированный

Успешная работа мазера была впервые получена [389] на в кристалле Так как то в присутствии магнитного поля этот материал обладает 8 зеемановскими уровнями, поэтому резонансный спектр содержит семь линий, как показано, на рис. 17.17 для частоты

Рис. 17. 17. Спектр электронного резонанса, иллюстрирующий явление самолегироваиия и постороннего легирования. Частота Кристалл-хозяин—этил-сульфат лантана. (См. [387].)

Этот материал интересен также и тем, что путем легирования [152] можно изменять время спин-решеточной релаксации.

Так, в точке А частоты для переходов 4—5 и 7—8 совпадают и в результате спин-спинового взаимодействия происходит эффективное удвоение концентрации ионов. Такое самолегирование в кристаллах с содержанием примесей 0,5% приводит к уменьшению для перехода 4—5 в 5 раз [387]. Легирование посторонними примесями дает возможность лучше осуществлять контроль за степенью влияния примесей.

Добавление давало «условие легирования» для перехода, показанного пунктирной линией, при этом в точке В уменьшалось в 10 раз. Достаточно эффективным оказалось и легирование рутила [602]. Подобный метод, возможно, будет пригоден и для других кристаллов-хозяев, если в парамагнитном кристалле создавать дефекты, химические или другие, или центры окрашивания посредством гамма или нейтронного облучения.