17.5.3. Практические устройства

После того, как достигнута инверсия заполнения уровней, в резонаторе или в структуре бегущей волны можно осуществить взаимодействие между полем сигнала СВЧ и спиновой системой. В первом случае условие генерирования колебаний имеет вид

Это условие также определяет область сверхрегенеративного усиления [92]. Регенеративное усиление имеет место при

В мазере с двумя уровнями инверсия заполнения уровней и усиление не может осуществляться одновременно, и поэтому необходима смена режимов работы [53, 418]. Рис. 17.18, б иллюстрирует поведение: спиновой намагниченности, (11) — общей добротности и (111) — плотности излучения в полости. Инверсия происходит за время и на практике благодаря наличию поперечного магнитного момента излучение прекращается лишь через время В течение времени Та система может использоваться как усилитель; сплошная линия относится к регенеративному, а пунктирная — к сверхрегенеративному усилению. За время материал приводится к исходному состоянию за счет спин-решеточной релаксации. Этот период можно сократить, например, путем возбуждения излучения. Для ограничения спада коэффициента усиления во время усиления желательно, чтобы было большим.

В первоначальных опытах [102, 103] с двухуровневыми мазерами были реализованы условия, при которых использовалась одна треть мощности накачки, которая необходима для возбуждения колебаний. В качестве одного из материалов был применен кремний, содержащий примесь фосфора или мышьяка с концентрацией -центров порядка . Ширина резонансной линии составляла лежало в пределах от 5 до 30 сек. Образцы имели толщину и помещались у стенки прямоугольного резонатора с равным Частота равнялась , а энергия, запасенная в спиновых квантах, составляла При температуре наблюдалось [93] усиление и генерирование колебаний на монокристаллах кварца и окиси магния, содержащих парамагнитные дефекты, вводимые нейтронным облучением. Инвертирующая мощность с частотой подавалась полуваттными импульсами длительностью 100 мксек и с частотой повторения 10 гц. Через некоторое контролируемое время задержки после инверсии магнитное поле снова проходило резонансное

значение. Мощность, отраженная от резонатора, проверялась с помощью стабилизированного по частоте клистрона и супергетеродинного приемника. Для кварцевого образца, содержащего 1018 спинов, инвертированное состояние существовало 2 мсек, а регенеративное усиление имело место в течение 1,2 мсек после инверсии, причем коэффициент усиления с увеличением времени уменьшается; произведение коэффицента усиления на полосу пропускания составляло При достаточной инвертирующей мощности в момент обратного прохождения через резонанс наблюдалось возникновение колебаний в виде -милливаттного импульса длительностью 10 мксек. Для образца из с концентрацией спинов 1017 инвертированное состояние существовало в течение приблизительно 2,5 мсек.

При температурах жидкого гелия наблюдалась [217, 218, 471] инверсия спиновых переходов с для и для или Например, инверсия в рубине на была достигнута путем свипирования поля через резонансное значение за время около 50 мксек, а инвертирующий импульс СВЧ обладал мощностью около При возвращении магнитного поля к резонансному значению наблюдалось либо генерирование колебаний, либо усиление небольшого зондирующего импульса (сигнала). Рубин также использовался в опытах (442) на где инверсия достигалась как на переходах первого, так и более высоких порядков. При температуре 1,4° К были получены произведения коэффициента усиления на полосу пропускания до а выходная мощность (в режиме генерирования колебаний) была порядка 70 мквт. В работах [101, 132, 347, 654] описана другая импульсная методика и пересмотрены рабочие условия. Излучающий импульс в мазерах с двумя уровнями промодулирован по амплитуде. Это явление [151, 237, 643, 645] еще не получило полного объяснения. Одна из гипотез [439] предполагает, что это происходит благодаря наложению излучений, обусловленных различными подуровнями линий с неоднородным уширением. Другая теория [393, 394, 395] объясняет это явление за счет линеаризованной связи между системой спинов и резонатором, хотя в последующих работах предполагается [499, 500], что в мазерах с двумя уровнями это не имеет места.

Часто большие преимущества дает применение импульсного режима подачи (постоянного) магнитного поля. Например, для работы мазера было бы достаточно за время, намного меньшее адиабатически уменьшить поле до значения, в несколько раз превышающего ширину линии, неадиабатически изменить его направление на противоположное и затем адиабатически увеличить до Для минимального поля время обращения составило бы, около сек, что, вероятно, осуществимо на практике. В этом частном случае не требуется управляющее поле СВЧ. Частота повторения в обычном мазере с двумя уровнями имеет верхнюю границу, например, благодаря (конечному) времени

релаксации; однако в системе [217] на рис. 17.19, а необходимость полного возврата к термическому равновесию устранена. Предположим, что требуется получить усиление на частоте что соответствует полю Если бы магнитное поле импульсно уменьшилось до такого значения что то произошла бы инверсия уровней 2 и 3 при условии, что на частоте был бы приложен импульсный сигнал СВЧ с мощностью достаточной для насыщения перехода, соответствующего частоте Для получения усиления поле затем возвращается к значению

Рис. 17.19. Мазеры в режиме работы с импульсным полем: а — инверсия за счет насыщения; б - усиление на миллиметровых волнах. (См. [217, 158].)

В импульсном мазере рис. 17.19, б инверсия уровней 1 и 2 достигается при поле, которое импульсно уменьшается до значения Такую инверсию можно выполнить либо путем адиабатического быстрого прохождения на частоте либо насыщением на частоте При возвращении к значению получается усиление на более высокой частоте

В одном из таких мазеров был использован [158] рубин с -ной ориентацией поля, причем Резонатор был покрыт слоем серебра толщиной чтобы обеспечить однородное проникновение импульсного поля, которое получалось с помощью соленоида, питавшегося от емкости [159]. Получалось импульсное поле при напряжении 1000 в и полупериоде 3 мсек. В более поздних экспериментах [310] была достигнута частота около и огромное импульсное поле до В «лестничном» (staircase) мазере требуются более низкие поля; в нем применены (за время, меньшее двукратные или многократные инверсии. Затем на переходе более высокого порядка получается усиление; приложенное поле во всех случаях изменяется так, что проходит через нужное значение.