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

ір, или времени спин-спиновой релаксации Т2. Но следует отметить, что увеличение УѴ одновременно приводит к уменьшению времени Т2, поэтому нельзя создавать слишком большие плотности активных ча­ стиц. Оптимальными оказываются плотности активных частиц по­ рядка 1018 \Ісмл.

Из формулы (5.35) также видно, что магнитная добротность умень­ шается с уменьшением спиновой температуры Та, т. е. с ростом ин­ версной населенности в системе рабочих уровней.

До сих пор мы формулировали общие условия усиления, пользуясь понятием магнитной добротности и не конкретизируя схему усили­ теля. Между тем существует два типа резонаторных усилителей: резонаторный усилитель с проходным резонатором и отражательный

резонаторный усилитель, и каждый из них имеет свои специфические особенности. Рассмотрим эти типы резонаторов. При написании всех нижеследующих формул этого параграфа будем предполагать, что частота излучения совпадает с частотой рабочего перехода активной среды и собственной частотой типа колебаний резонатора.

На рис. 5.1 показана принципиальная схема резонаторного уси­ лителя с проходным резонатором. Здесь с резонатором связано два волновода — входной и выходной. Показаны также ферритовые изо­ ляторы, задача которых — предотвратить отражения от нагрузки и проникновение излучения во входной волновод.

Приведем основные характеристики резонаторного усилителя: коэффициент усиления по мощности G( M ) и полосу пропускания. Если Qi и Q2 — добротности связи, Qo — добротность, определяемая ди­ электрическими потерями в веществе и в стенках резонатора, a Qm — магнитная добротность, то коэффициент усиления по мощности выра­

Обсудим это выражение. Пусть парамагнетик в резонаторе отсут­ ствует (Qm1 = 0), а сам резонатор не вносит потерь в проходящее через

146

тивном веществе и в стенках резонатора достаточно малы (Qö^C Qm1 +

Теперь о полосе пропускания резонаторного усилителя с проход­ ным резонатором. Обычно ширина резонансной линии парамагнетика значительно больше полосы пропускания нагруженного резонатора. Поэтому полоса пропускания Ву усилителя определяется полосой пропускания нагруженного резонатора и равна:

Ву = v0 [Qö1 4 Qm1 + Qr 1 + QJM - v0 (2Q;1 ~|- Qr«1). (5.37)

При выводе формулы (5.37) сделаны те же приближения, что и при выводе формулы (5.36а).

Из формул (5.36а) и (5.37) следует, что полоса пропускания и коэффициент усиления резонаторного усилителя с проходным резо­

Видно, что увеличение полосы пропускания приводит к уменьше­ нию коэффициента усиления усилителя и наоборот.

Остановимся кратко на особенностях отражательного резонатор­ ного усилителя. На рис. 5.2 приведена его принципиальная схема. Здесь с резонатором связан всего один волновод, а разделение сиг­ нала, поступающего в резонатор, и сигнала, выходящего из резонато­ ра, осуществляется, например, ферритовым циркулятором.

147

Формула для коэффициента усиления отражательного резонаторного усилителя в области, где коэффициент усиления максимален, имеет вид

торного усилителя с проходным резонатором (5.36а), но величина Q"1 в знаменателе формулы (5.39) не имеет множителя 2. Благодаря этому коэффициент усиления отражательного резонаторного усилителя выше чем у резонаторного усилителя с проходным резонатором. С физической точки зрения это легко понять, так как в проходном резонаторе излуча­ емая частицами активного вещества мощность делится между выходным и входным волноводом, а в отражательном резонаторе волновод всегда один. Вопрос о том, насколько коэффициент усиления отражательного резонаторного усилителя больше, зависит от соотношения добротностей. Например, если магнитные добротности для отражательного уси­ лителя и усилителя с проходным резонатором одинаковы, а доброт­ ности связи отличаются вдвое (Qe""oTP = 2Qe~npoX). т о сравнение формул (5.36а) и (5.39) дает G QTP = 4G„pôx, т. е. коэффициент усиления в отражательном резонаторном усилителе в четыре раза больше, чем в усилителе с проходным резонатором.

Отметим, что между коэффициентом усиления и полосой пропуска­ ния отражательного резонаторного усилителя имеется соотношение, аналогичное (5.38), а именно:

Видно, что при одном и том же коэффициенте усиления отражатель­ ный резонаторный усилитель обладает вдвое большей полосой пропу­ скания, чем резонаторный усилитель с проходным резонатором.

Теперь вернемся опять к усилителю бегущей волны.

До сих пор мы пользовались понятием магнитной добротности Qm для описания квантовых резонаторных усилителей. Однако эта ве­ личина с одинаковым успехом может использоваться и для описания свойств усилителя бегущей волны. Например, выведем формулу для коэффициента усиления по мощности G ( M ) усилителя бегущей волны, пользуясь понятием магнитной добротности. Для усилителя бегущей волны

148

В заключение этого параграфа полезно провести сравнение досто­ инств и недостатков разобранных выше усилителей, т. е. усилителя бегущей волны и усилителей резонаторного типа.

Главным достоинством усилителей бегущей волны является их большая широкополосность по сравнению с усилителями резонаторного типа. Именно поэтому они используются в широкополосных приемных системах сверхдальних линий связи, радиотелескопах и радиолокато­ рах в диапазоне длин волн 5 15 см. У этих усилителей есть и еще одно преимущество. Применяемые в них замедляющие системы имеют обыч­ но значительно большую полосу пропускания, чем ширина линии ра­ бочего вещества. Это позволяет производить перестройку усилителя на любую из частот рабочего диапазона замедляющей системы.

Но усилитель бегущей волны имеет и недостатки. Во-первых, за­ медляющие системы конструктивно сложны. Во-вторых, линейные раз­ меры рабочего вещества здесь больше, чем в резонаторных усилителях. Одним из следствий этого является необходимость создавать однород­ ное магнитное поле в большом объеме. В-третьих, мощность вспомога­ тельного излучения в усилителях бегущей волны должна быть выше, чем в резонаторных усилителях. Вследствие этого в приемных систе­ мах, где не требуется широкая полоса пропускания, применяются бо­ лее простые—однорезонаторные усилители. Кроме того, в средне- и длинноволновой частях дециметрового диапазона, а также в коротко­ волновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметро­ вого диапазонов достоинства резонаторных усилителей (меньшая мощ­ ность вспомогательного излучения, малый объем рабочего вещест­ ва, необходимость иметь однородные поля в небольших объемах, отсутствие сложной замедляющей системы) делают их иногда более удобными для применения по сравнению с усилителями бегущей волны.

Отметим также, что в последнее время значительное внимание уде­ ляется разработке многорезонаторных усилителей. Они могут быть столь же широкополосны, как усилители бегущей волны, при сохране­ нии достоинств резонаторных усилителей.

149