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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 259

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Из-за непостоянства углевой скорости вращения Земли понадоби­ лось принципиально новое решение проблемы, позволяющее получить шкалу времени, не зависящую от вращения Земли. Это решение было найдено с созданием квантовых стандартов частоты, позволивших по­ высить точность службы времени за последние 10 лет, по крайней мере, в 100 раз.

В основе квантовых стандартов частоты лежит тот факт, что часто­ та перехода между энергетическими уровнями частицы (атома, моле­ кулы и т. д.) строго постоянна. Наблюдение спектральных линий, соот­ ветствующих этим переходам, позволяет точно фиксировать частоту ѵ перехода, а следовательно, периода колебаний Т = 1/ѵ, т. е. времени.

В гл. 2 мы уже познакомились с одним из видов квантовых стан­ дартов частоты — атомнолучевым стандартом частоты на пучке атомов Cs. В основе его лежит цезиевый репер частоты. Цезиевый репер ча­

стоты носит название п а с с и в н о г о

р е п е р а , так

как спек­

тральная линия в нем наблюдается в результате воздействия

внешнего

электромагнитного излучения на атомную систему.

 

Выше было показано, что пучковые квантовые генераторы радио­ диапазона (молекулярный и водородный генераторы) генерируют высокомонохроматическое излучение с частотой, очень близкой к ча­ стоте молекулярного или атомного перехода. Эта частота также может быть использована (и используется) в качестве реперной частоты. Поскольку квантовые генераторы сами генерируют излучение, ча­ стота которого служит реперной, в отличие от цезиевого репера часто­

ты квантовые генераторы носят называние а к т и в н ы х

р е п е ­

р о в . Пассивные и активные реперы составляют основу

квантовых

стандатов частоты.

 

 

Хотя вопросы измерения времени составляют одно из основных

приложений квантовых

стандартов частоты, однако область их при­

менения гораздо шире.

Они эффективно используются в

навигации,

особенно в космической навигации, где положение корабля, самолета и т. д. определяется очень точно по определению времени распростра­

нения радиосигналов

от нескольких

радиопередающих

станций,

а также в различных

геодезических

и картографических

работах.

Квантовые стандарты частоты незаменимы в системах дальнейшей космической радиосвязи. Поскольку мощности передатчиков, уста­ новленных на борту космического корабля, а также размеры приемных антенн малы, надежную дальнюю космическую радиосвязь можно осу­ ществить лишь в чрезвычайно узких каналах. Для этого необходима высокая стабильность сигнала передатчика, осуществляемая с помо­ щью квантового стандарта частоты.

Литература для углубленного изучения материала

1. О р а е в с к и й А. И. Молекулярные генераторы. Изд-во «Наука»,

1964.

2. Г р и г о р ь я н ц В. В., Ж а б о т и н с к и й M. Е., 3 о л и н В. Ф.

Квантовые стандарты частоты. Изд-во «Наука», 1968.

Г Л А В А 7

ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Начиная с этой главы, мы переходим к новому классу установок квантовой электроники — лазерам (оптическим квантовым генерато­ рам и оптическим квантовым усилителям).

В табл. 7.1 приведены длины волн оптических квантовых генера­ торов (лазеров) и вещества, на которых они работают. В таблице выделены три группы лазеров: лазеры на газах, полупроводниковые лазеры на р-я-переходах и лазеры на ионных кристаллах и стеклах. Каждая из этих трех групп имеет свои специфические особенности, и в дальнейшем будет разобрана отдельно. Начнем с лазеров на ион­ ных кристаллах и стеклах.

§7.1. Активные среды для лазеров на ионных кристаллах и стеклах

Активными средами для лазеров на ионных кристаллах и стеклах являются кристаллы или стекла с введенными в них ионами активного вещества. Концентрация этих ионов обычно невелика (от единиц до

долей

процента).

 

 

 

 

 

В

главе,

посвященной

парамагнитному резонансу,

упоминалось

о

том,

что энергетические

уровни свободного иона и этого же иона

в

кристалле

значительно

отличаются

(см. в качестве

примера ион

Си2 + в § 3.8).

 

 

 

 

 

 

Прежде всего у иона

в кристалле

уровней

может

быть больше,

а

положение

их другое, чем у свободного иона.

Внутрикристалличе-

ские поля могут приводить также к уширению энергетических уров­ ней иона. Иногда даже вместо узкого уровня появляется целая энер­ гетическая полоса. В результате спектр поглощения света лазерными кристаллами состоит не только из отдельных линий, но и из целых полос.

189

0,3

0,1 0,5

0,6

0,8

1

1,5

г

 

 

 

Ч

5

Б

 

I 1

I 1

I

1

I 1

I

газах

 

 

 

 

 

 

"1—I

 

Лазеры

 

на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хе

 

I

I

И Н Н !

I IIIIII 11 I I

 

 

 

 

 

 

КГ

 

 

I U I I

II

IIIIII

I

I ID

 

 

 

 

 

Ar

 

 

n i

ni M Ii min

 

пни

 

 

Ne •

 

I

 

•

I

DM и mi

mu I

il

•

— I V -

 

D

I

I

 

CU

 

 

CS

 

 

 

 

 

 

 

D C

 

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

I

1 Hfl "

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Br

 

S N j l i ,

He

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

M

I i i

I

t

 

 

к

 

 

 

Полупроводниковые

 

лазеры

с

p-n

-

 

переходами

 

 

GaAs,.KPx

 

GaAs ІпР

 

IrV5a,.xAS

I

n A

s

I n S

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лазеры

на

ионных

кристаллах

и

 

стеклах

 

 

 

 

 

Sm 2+

Тт 2+

Z+

Лу2+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

7.

1

7 8

9 10

 

15

20

30

W

50

SO

ВО 100

I I I I

 

 

 

 

~ г

1 — I — г

 

I

I

I

I I

I

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I I

 

 

i

l

 

I

 

 

 

 

liai 1 1

и 1 1

1 1 и I

I и

I I mil11 I

11

 

 

CS

I

I Одна длина Волны

. Две или долее 5лизко располо­ женных длин волн

n

Полоса длизка

располо -

u

женных длин

волн

Eu3 + Cr3 *

N d

 

 

U 3 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

II

I

IQ II

II

I

пи

 

 

 

 

 

J L

I I I

0,6

' . I

1,5

2

1 L

J

I

I

I I I

15 23

0,3 0,Ц- 0,5

0,8

I

3

Ц-

5 В

7

в Э 10

30 40 50 50 80 100

Длина волны, мкм

Разберем

особенности

активных сред для твердотельных лазеров,

опираясь на

конкретный

кристалл — рубин, широко используемый

в оптических

квантовых

генераторах.

Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия А12 03 , в ко­ тором часть атомов алюминия замещена ионами трехвалентного хро­ ма (Сг3 + ). Это и есть ионы активного вещества. Концентрация их не­ велика. Стандартные кристаллы рубина — бело-розовый рубин— содержат всего 0,05% ионов Сг3+ (1,6-1019 ионов в 1 см3 кристалла). Каждый ион Сг3 + окружен шестью образующими октаэдр ионами О 2 - ,

создающими

сильное

кристалличе­

 

 

ское поле тригональной симметрии.

 

 

Рубин

обладает большой

твер­

 

 

достью

и

высокой

теплопровод­

 

 

ностью,

показатель

преломления

 

 

рубина 1,76. Кристалл имеет ром­

 

 

боэдрическую

симметрию,

причем

 

 

ось

симметрии

третьего

порядка

 

 

совпадает

с оптической осью

кри­

 

 

сталла

(ось с).

 

 

 

 

 

 

 

На

рис. 7.1

приведена

диа­

 

 

грамма

энергетических

уровней

 

 

иона

Сг3 +

в

рубине.

Эти уровни

 

 

появляются

в

результате взаимо­

 

 

действия электронной

оболочки 3d

 

 

иона Сг3 + с внутрикристалличе-

 

 

ским полем и сильно отличаются

 

 

от энергетических

уровней свобод­

 

 

ного

иона.

 

 

 

 

 

 

 

 

На диаграмме показаны рабочие

 

 

уровни

рубина; 2Е

(верхний

уро­

 

 

вень) и M а (нижний уровень). Уровень 2Е расщеплен на два близких

подуровня 2А и Е, лежащие на расстоянии 29 см~г.

_

Линия

люминесценции,

соответствующая переходу с уровня Е

на уровень М 2 , обозначается

Rx (X =

0,6943 мкм), а линия, соот­

ветствующая

излучению с

уровня 2Л на уровень 4 Л 2 , — R2

(К =

= 0,6929 мкм). Длины волн линий Rx

и R2 в скобках даны для ком­

натной

температуры.

 

 

 

 

 

Следует отметить, что уровень М 2 тоже расщеплен на два очень близко лежащих подуровня (расстояние между подуровнями 0,38 см-1), поэтому каждая из линий Rx и R2 является дублетом. Но так как рас­ стояние между компонентами такого дублета всего 0,38 см-1, а шири­ на линий Rx и R2 значительно больше (линия Rx имеет при комнатной температуре ширину 11 см-1), то дублетной структуры линий Rx и R2 (при комнатной температуре) нельзя заметить.

Полезно вспомнить, что парамагнитному резонансу соответствуют переходы между подуровнями, на которые расщеплен уровень М 2 . В магнитном поле эти два подуровня расщепляются на четыре, и пе-

191

Смотрите также файлы