Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Так, например, в рубине наибольшая вероятность индуцированных переходов и наибольшее усиление наблюдается для излучения, плоскость поляризации которого перпендикулярна оптической оси, т. е. когда оптическаяось кристалла перпендикулярна оси резонатора. Излучение лазера в этом случае будет поляризованным в плоскости перпендикулярной оптической оси кристалла. Для излучения, поляризованного в этой плоскости, условие самовозбуждения выполняется в первую очередь. Именно это излучение и :~юзникаетв лазере.
В оптических линиях связи использование поляризационной модуляции позволяет увеличить, по сравнению с амплитудной, дальность действия системы за счет уменьшения потерь света при модуляции.-@-------il Контрольные1./3опросы1-I- - - - - - - -Что такое инверсия населенности и каковы методы ее получения?2.3.Каковы свойства индуцированного и спонтанного излучений?Каковы особенности создания инверсной населенности втрех- и четырехуровневых квантовых системах?4.Назвать и объяснить причины уширения контура спектральных линий.Каковы механизмы усиления волн в квантовых системах?5.6.7.Активные среды и их характеристики.8.Типы резонаторов и их параметры.9.Спектр излучения лазера и свойства излучения.Как формируется спектр собственных колебаний резонатора?10.У словил генерации в лазерах.11.Чем определяется направленность и поляризация излучения в лазерах?12.Виды переходов в квантовых системах и их свойства.Раздел 5.
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ540---------11Глава 18- 1- - - - - -КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА (МАЗЕРЫ)18.1. Активноевещество твердотельных мазеров.Парамагнитные уровни энергииВ1954-1955 гг.Н. Г. Басову и А. М. Прохорову в СССР иЧ. Таунсу, Дж. Гордону и Х. Цайгеру в США удалось независимо друг от друга осуществить усиление и генерацию электромагнитных волн на частоте23 870 МГц(СВЧ-диапазон) за счет использования инвертированных состояний колебательных уровнейпучка молекул аммиака. Американцы назвали это устройство«мазер», что является аббревиатурой английского словосочетания:« microwave amplificationtion» 1.Ьуstimulated emission of radia-Мазер на пучке молекул аммиака, отличающийся строгимпостоянством частоты, вскоре юuпел важное применение в качестве сверхстабильного стандарта частоты (атомные часы). В1956 г.Н.
Бломбергеном (США) был предложен работающий в непрерывном режиме трехуровневый твердотельный мазер, в котором используется электронный парамагнитный резонанс. В1957 г.впервые был создан действующий СВЧ-усилитель с рекордно малымуровнем шумов. Кроме того, созданньi:й мазер имел все достоинства перестраиваемого СВЧ-усилителя~ работающего в непрерывном режиме и усиливающего сигналы в широкой полосе частот.Основной особенностью парамагнитных материалов является наличие атомов или ионов, обладающих постоянным магнитным моментом. Это свойство присуще только некоторым типаматомов, в основном атомам переходной группы периодическойсистемы элементов, которые по своей природе являются парамагнитными, что обусловлено преимущественно нескомпенсированным спиновым магнитным моментом электронов.Магнитные свойства атомов.
Объяснение магнитных свойстввеществ с классических позиций базируется на планетарноймодели атомов, в соответствии с которой электрон вращается1 Английская аббревиатура соответствующего словосочетания, в которомcrowave»(микроволновое) заменяется н,а«light»(свет), есть«laser»«mi-(лазер).Глава18.Квантовые приборы СВЧ-диапазона (мазеры)вокруг ядра по орбите радиуса541r и обладает орбитальным моментомИмпульса (количества движения)(18.1)где т-масса электрона,roe -угловая скорость его движенияпо орбите (псевдовектор, направлен вдоль оси вращения).Движущийся по круговой орбите электрон образует замкнутый круговой ток, который представляет собой магнитный диполь с моментом(18.2)Минус в(18.2)обусловлен отрицательным зарядом электрона и указывает на то, что магнитный момент противоположенпо направлению вектору момента импульса.(18.1) и (18.2) следует связьИз выражениймежду орбитальным механическими магнитным моментами электрона:е ~µz = -2т l.В рамках классических представлений вза:Имодействием магнитных моментов электронов атома с внешним магнитным полем можно объяснить парамагнитные свойства вещества.
Коли-,чественное описание этих эффектов дает квантовая механика, всоответствии с основными законами которой механический момент электрона квантуется, т. е. может принимать лишь дискретный ряд значений, пропорциональных постоянной Планкаh== h/2n:111= Jl(l + 1) h.Здесь l -орбитальное квантовое число, которое может принимать только целые значения (в том числе и ноль). При достаточно больших знаЧениях l»1 приближенная формула квантованиямомента импульса имеет вид111 ::::: lh.Таким образом, физический смысл орбитального квантовогочислаlсостоит в том, ·что оно приближенно определяет модульмомента импульса орбитального движения электрона в единицахh.Раздел 5.
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ542Соответственно квантуется и орбитальный магнитный момент:li:i 11= ;~Jl(l+ 1)=/3Jl(l+ 1),(18.З)где /3 = ;~ = 9,27 • 10-24 А· м 2 - магнетон Бора.Для объяснения целого ряда экспериментальных фактовквантовая физика учитывает наряду с орбитальным также собственный, или спиновый момент электрона (спин).Спиновый магнитный момент электрона, определяемый его спином, в соответствии с квантовой теорией равен(18.4)гдеs = 1/2 -спиновое квантовое число для электрона.Для атома в целом сцраведливы соотношения между суммарными орбитальными и спиновыми моментами импульса L и S исоответствующими магнитными моментами j:iL и j:i 8, как и дляэлектрона 1 , т.
е.(18.5)Ориентацию векторовL и S для атома нельзя рассматриватьнезависимо, поскольку в сумме они должны всегда давать полный момент импульса атомаJ=L + S,который квантуетсяj:iL и j:i 8 связаныопределенным образом. Аналогично векторыдруг с другом таким образом, что в сумме получается полныймагнитный момент атомаj:iJ.Эта связь приводит к следующемусоотношению между полным магнитным моментом атомаj:iJиполным моментом импульса J:(18.6)гдеgJ (g-фактор Ланде) принимает значения от нуля до двух.Если преобладает орбитальный момент, т. е.~1,в противоположном случае, т. е. приµJ~µ8 ,µJ~µи тоgJ ~фактор gJ ~2.Зеемановское расщепление уровней.
Хорошо известно, что если магнитный диполь, в рассматриваемом случае это атом, поместить в постоЯнное магнитное поле, то энергия диполя будет1Сложение орбитальных и спиновых моментов электрона осуществляется в соответствии с правилами квантовой механики и зависит от типа связи (см., например,[37], § 8).Глава18.Квантовые приборы СВЧ-диапазона (мазеры)543зависеть от его ориентации во внешнем магнитном поле. Назовем эту энергию ориентационной. Ориентационная энергия магнитного диполя в магнитном поле с индукцией В равнаЕм= \µJ. В\= µJB \cos е\ = µZB,(18.7)где е - угол между векторами µJ и в.Вектор J, а значит, и вектор µJ в соответствии с квантовой теорией могут иметь только некоторые разрешенные (по отношениюк вектору В) ориентации, определяемые магнитным квантовым чисMJ, принимающим 2J + 1 значений, где J - квантовое числоломполного момента импульса атома.
В силу этого ориентационная энергия Ем может принимать тоже только соответствующие дискретные значения (всего их 2J + 1). Если принять, что вектор В направлен вдоль оси Z и учесть.выражение (18.6), то ориентационнуюэнергию можно записать следующим образом:(18.8)Соотношение(18.8) определяет разрешенные уровни энергииатома в магнитном поле.
В отсутствие магнитного поля (Виз(18.8)=О)следует, что Ем= О, т. е. все квантовые состояния, определяемl:d:е различными ориентациями векторат. е. любому разрешенному значениюµzµJ,вырождены,соответствует одна и таже энергия.Наложение магнитного поля приводит к снятию вырожденияэтих квантовых состояний. Это означает, что в соответствии с(18.8)каждому значению квантового числаMJ,определяющему разрешенную ориентацию магнитного момента атома, соотносится свое определенное значение энергии Ем, т. е. состояния сразными ориентациями вектораµJимеют разные ориентационные энергии. Следовательно, в магнитном поле происходит расщепление уровней парамагнитных атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
