Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

ГЛАВА 5

КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ РАДИОДИАПАЗОНА

В обычных электронных устройствах процесс усиления происхо­ дит при взаимодействии электромагнитных волн с потоками электро­ нов за счет их кинетической энергии. Но в электронных потоках существуют так называемые дробовые шумы, обусловливающие внутренние шумы всякого электронного (не квантового) устройства. Именно эти внутренние шумы ограничивают чувствительность прием­ ных устройств. Для приемников сантиметрового и дециметрового

132

диапазонов они обычно эквивалентны шумовой температуре 1500— 3000° К. Температура же внешних шумов (фон космического радио­ излучения, шумы атмосферы, тепловое излучение земной поверхно­ сти) не превышает 100° К, а иногда даже значительно меньше. На­ пример, на частоте порядка 6000 Мгц эффективная температура не­ ба в зените может составлять всего 2,5° К.

Очевидно, что снижение уровня внутренних шумов приемных устройств могло бы привести к резкому увеличению чувствительно­ сти приемной аппаратуры. Это и было достигнуто с разработкой малошумящих парамагнитных усилителей. Так как в парамагнитных уси­ лителях не используется кинетическая энергия электронных потоков, то в них нет дробовых шумов. Источником шумов здесь является спон­ танное излучение активной среды и тепловое излучение (тепловые шумы) различных элементов системы (волноводы, резонаторы и т. д.). Но спонтанное излучение в радиодиапазоне мало, а тепловое излу­ чение может быть резко уменьшено, если усилители охлаждать до низких температур. Именно поэтому квантовые парамагнитные уси­ лители обладают собственными шумами с эффективной температурой всего в несколько градусов Кельвина.

В этой главе мы постараемся изложить физические аспекты ра­ боты квантовых парамагнитных усилителей. Но прежде чем зани­ маться усилителями, полезно сделать одно замечание. В гл. 3 разби­ рались особенности ЭПР. Укажем на связь между парамагнитными усилителями и явлением ЭПР. В квантовых парамагнитных усили­ телях используются электронные спиновые уровни парамагнитных ионов в кристаллах во внешнем магнитном поле. Переходы между этими уровнями соответствуют ЭПР. ЭПР и квантовое усиление име­ ют одну и ту же природу. Но в ЭПР изучается индуцированное погло­ щение электромагнитного излучения в результате переходов между энергетическими уровнями в состоянии термодинамического равнове­ сия. В квантовых же парамагнитных усилителях используется ин­ дуцированное излучение при переходах между теми же уровнями энергии, что и в ЭПР, но приведенными в термодинамически неравно­ весное состояние.

§ 5.1. Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны

Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны в сущности представляет собой отрезок волновода, заполненный активной средой.

Прежде чем изучать основные характеристики усилителя, напом­ ним некоторые результаты, полученные при рассмотрении процесса усиления в гл. 1. Количественно процесс усиления электромагнитной волны в активной среде можно описать коэффициентом квантового усиления G, причем условие того, что активная среда является усили­ вающей, записывается так: G > 0. Если учесть потери в усиливаю­ щей среде (рассеяние и т. д.) и ввести коэффициент потерь Gn , то ус-

133

ловие того, что волна, проходящая через среду, будет усиливаться, несколько изменится и будет иметь вид G > Gu.

В гл. 1 мы написали также уравнение, описывающее изменение ин­ тенсивности волны через коэффициент квантового усиления [см. урав­ нение (1.26)]. Очевидно, это же уравнение справедливо для мощности

При этом условие того, что в среде возможно усиление, формули­ руется так:

Чтобы представить себе, что такое квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны, вычислим его основные характеристики: коэффициент квантового усиления G, полосу пропускания, уровень собственных шумов. Наконец, покажем принципиальную необхо­ димость использования замедляющих систем в квантовых парамаг­ нитных усилителях бегущей волны. Из приведенного ниже рассмот­ рения должны стать ясны преимущества и недостатки квантовых парамагнитных усилителей бегущей волны (и вообще квантовых па­ рамагнитных усилителей) по сравнению с другими усилителями ра­ диодиапазона.

Изучение квантового параматнитного усилителя бегущей волны начнем с вычисления коэффициента квантового усиления G активной среды. Для этого воспользуемся уравнением (5.1), из которого видно, что

Ясно, что если знать мощность волны, распространяющейся по среде, и ее производную в среде, то можно определить коэффициент квантового усиления G.

Пусть в усилитель поступает входной сигнал мощности У?в х . Мож­ но всегда сделать так (используя, например, ферритовые изоляторы), чтобы бегущая волна в волноводе распространялась только в одном направлении.

134

Здесь Цо — магнитная проницаемость активной среды; S n — площадь поперечного сечения волновода; vg — групповая скорость волны в волноводе, заполненном активной средой.

Для определения коэффициента квантового усиления воспользу­ емся формулой (5.4). Считаем, что излучение происходит равномерно

dP

где мощность Р в х определяется формулой (5.5), а величина Р<п> для парамагнетика вычислена в разделе I [см. формулу (3.34)]. Следует, однако, иметь в виду, чть в формуле (3.34) получено выражение для поглощаемой парамагнетиком мощности. Поэтому, как отмечалось при обсуждении формулы (3.34), если A f 2 > i V 1 , т. е. в системе уровней 2,1 создана отрицательная температура и среда не поглощает, а излу­ чает, то величина Р " становится отрицательной. Нас интересует ве­ личина излучаемой мощности, т. е. выражение (3.34) нужно брать со заком «минус», а именно:

135