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

§ 6.2. Устройство молекулярного генератора на пучке молекул аммиака

Основные элементы генератора показаны на рис. 6.1. Рассмотрим его работу. Вылетающий из источника молекулярный пучок проходит через сортирующую систему, создающую избыток молекул на верхнем рабочем уровне, и через отверстие в торце резонатора попадает в резо­ натор. В резонаторе молекулы пучка излучают, переходя с верхнего уровня на нижний. Резонатор запасает энергию, излучаемую молеку-

лампы для измерения и контроля давления в источнике пучка в вакуумной камере; 13 — высоковольтные вводы

лами, и тем самым осуществляет обратную связь в генераторе. Моно­ хроматическое, когерентное излучение выводится наружу при помощи отверстия связи.

Остановимся на характеристике основных элементов молекуляр­ ного генератора.

И с т о ч н и к 7 служит для получения направленного молеку­ лярного пучка. Применение молекулярных пучков позволяет уст­ ранить влияние эффекта доплера на спектральную линию. Кроме того, в молекулярном пучке число столкновений частиц'между собой неве­ лико. В результате в молекулярных пучках удается получить наиболее узкие спектральные линии.

Источник представляет собой небольшую камеру, заполненную газообразным аммиаком N 1 4 H 3 . В стенке камеры делается одно 2 или несколько отверстий (сетка или система каналов) для формирования пучка. Линейные размеры отверстий должны быть меньше длины сво-

160

бодного пробега между соударениями молекул газа в камере, в про­ тивном случае вместо молекулярного пучка образуется гидродинами­ ческий поток молекул. Иногда для создания молекулярного пучка используют систему из длинных параллельных друг другу узких ка­ налов. Такая система позволяет получать более узкие пучки.

по энергетическим состояниям использовался также квадрупольный конденсатор, однако сейчас существуют сортирующие системы и дру­ гого типа.

Р е з о н а т о р 4. Важнейшей характеристикой резонатора яв­ ляется собственная частота и добротность типа колебаний. В моле­ кулярных генераторах на пучке молекул аммиака в основном исполь­

где Km) — я-й корень функции Бесселя порядка m, a q — число полу­ волн, укладывающихся вдоль длины резонатора.

Для эффективной работы генератора необходимо, чтобы собствен­ ная частота резонатора совпадала с частотой молекулярного перехода. Для этого надо выбрать подходящие R0nX [см. формулу (6.1)].

Чаще всего в молекулярном генераторе используется основной тип

Приравнивая эту частоту частоте молекулярного перехода ѵ, полу­

Подбором Ro и X (для типа колебаний Е01о только R0) не удается добиться достаточно точного совпадения частоты молекулярного пере­ хода и собственной частоты резонатора. Поэтому в конструкции резо­ натора предусматривается возможность перестройки его частоты. Ча­ сто, например, на резонаторе устанавливается специальный настроеч­ ный винт. При погружении винта в резонатор уменьшается объем ре­ зонатора, и его собственная частота немного сдвигается. Существуют и другие методы перестройки собственной частоты резонатора.

Для работы молекулярного генератора необходимо, чтобы пучок молекул двигался в высоком вакууме, иначе из-за столкновений с ча­ стицами газа пучок разрушится (частично или полностью). Минималь­

§ 6.3. Общая теория квантовых генераторов

В предыдущем параграфе мы познакомились с конструкцией и принципом работы первого квантового генератора на пучке молекул аммиака. Хотя квантовые генераторы существенно отличаются по кон­ струкции, принципиальные основы у них одни и те же и вопросы теории во многом решаются одинаково для^различных'квантовых'генераторов. Поэтому полезно развить общую теорию квантовых генераторов, опи­ сывающую не только работу различных генераторов радиодиапазона, но и применимую к оптическим квантовым генераторам.

162

стицы активной среды; 2) задачу о возбуждении частицами активной среды электромагнитного поля в резонаторе генератора.

При решении этих задач будем рассматривать активную среду

Для описания активной среды удобно пользоваться в е к т о р о м

С другой стороны, из квантовой механики известно, что если d — оператор дипольного момента, а р — матрица плотности частицы, то

момента, а знак Sp означает, что нужно взять сумму диагональных эле­ ментов матрицы, стоящей после него.

Оперируя понятием вектора макроскопической поляризации актив­ ной среды йГ(г, t), две поставленные выше задачи можно сформулировать так: 1) квантовомеханическая задача о вычислении вектора EPir, t)

Максвелла. Будем считать, что в активной среде под действием элект­

ля Ж с векторами электрической индукции D, магнитной индукции В и плотностью тока /, имеют вид:

Кроме уравнений (6.4)—(6.7), нужны также материальные урав­ нения. В общем случае они имеют вид:

Составляющая З0^ описывает поляризацию среды без учета актив­ ных частиц, составляющая 3й — поляризацию, связанную с актив­ ными частицами. В общем случае, если активные частицы имеют боль­ ше двух энергетических уровней, поляризация, индуцированная за счет всех других переходов, кроме рассматриваемого, также входит

тромагнитным полем возбуждается вектор макроскопической поля­ ризации, но вектор намагниченности M — 0, и уравнение для векто­ ра В имеет вид

£ = р„Ж.

Наконец, несколько слов об уравнении (6.10). В резонаторе кван­ тового генератора электромагнитное поле поглощается стенками, вы­ водится наружу, т. е. резонатор обладает некоторыми потерями. Эти

164