1) travelling-wave maser
(1)行波微波激射(2)行波微波激射器
3) maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation)
(1)微波激射(2)微波激射器
5) Micromaser
微波激射器
1.
Properties of the injected atomic inversion in the micromaser;
微波激射器注入原子的反转特性
6) traveling-wave maser
行波量子放大器,行波微波激射管,行波脉塞
补充资料:微波激射器
利用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互作用,在微波波段获得放大或振荡的量子器件。对于原子(或分子)的某两个能级,若其布居数是处于粒子数反转的状态,即上能级的布居数大于下能级的布居数,则与入射电磁波相互作用后总的表现为原子辐射相干电磁波,从而使入射电磁波的能量增加,这就是量子放大。如果入射电磁波的频率为微波频率,则利用这种原理制成的放大器称为微波量子放大器。若再加上适当的反馈装置,则微波量子放大器就可以变成为微波量子振荡器。微波激射器是微波量子放大器和微波量子振荡器的统称。
在微波激射器中,为了加强原子与电磁波的相互作用,往往把工作物质放在一个微波谐振腔中,谐振腔的谐振频率正好等于原子的跃迁频率。有的微波量子放大器用慢波结构来代替谐振腔。谐振腔本身又是一个反馈装置,原子辐射出的电磁波能量的一部分留在腔内,再次作用于原子上构成正反馈作用。当谐振腔的Q值足够高,原子辐射的功率足够大时,微波量子放大器就变成微波量子振荡器。
造成原子某两个能级粒子数反转的方法很多,最常用的是选态法和三能级(或四能级)抽运法。选态法常用在原子束(或分子束)中,当原子束通过一个不均匀磁场(或电场)时,处在不同能级上的原子因受力不同其运动轨迹就不同。这样,就可把处在某一对能级的上能级的原子选出来,然后让它进入一个谐振腔。三能级(或四能级)抽运法常用于气体、液体、固体的工作物质。先用某一频率的电磁波,把原子从最低能级抽运到一个高能级上,从而可以造成该高能级与另一个较低能级之间的粒子数反转,或者造成另一个较低能级与最低能级之间的粒子数反转。
微波量子放大器的优点是它具有特别低的噪声。因为在微波波段,可能成为噪声源的自发辐射可以忽略,如果把放置工作物质的谐振腔再放入液氦中,则它的噪声温度只有几开尔文,非常接近于无噪声的理想放大器。微波量子振荡器的优点是振荡频率可以做得非常稳定。因为它决定于原子能级的稳定性,只要选择合适的能级使能级位置对各种外界宏观条件不敏感即可。
在微波量子放大器方面,常用的是固体微波量子放大器,适于在极低温度下工作,从而可获得极低的噪声温度。在射电天文方面,微波量子放大器在天线仰角较大(输入噪声小)时,可用于微弱微波信号放大。用红宝石作工作物质的微波量子放大器如图1,W为能量值,D为半零场分裂值。红宝石中Cr离子基态能级图如图1a。此图对应其晶轴和外磁场的夹角为54.7°,在磁感应强度B=0.42T(特)时,抽运频率为24.2吉赫,可同时引起在能级1与3间及能级2与4间的跃迁,只要抽运功率足够大,就可以造成能级2与3间的粒子数反转。能级2与3间的跃迁频率,就是工作频率(9.4吉赫)。图1b是这种量子放大器结构的示意。红宝石放在一个双频谐振腔中。此腔同时对24.2吉赫和 9.4吉赫频率谐振,整个腔置于液氦中冷却到4.2K以下。
氨分子振荡器是在1954年建成的世界上第一种微波量子振荡器。频率稳定度较高,可达10,故可制成氨分子钟。但它已被氢原子量子振荡器所代替。氢原子量子振荡器是量子振荡器中长期频率稳定度最高的(达10数量级),可以作为频率和时间的标准(图2)。图2a是氢原子基态能级图(W为能量值hv0为零场分裂值,μ0为玻尔磁子)。其中F=1,mF=0态和F=0,тF=0态两个能级在弱磁场下对外磁场变化不敏感,不易受?獯懦〉母扇哦鼓芗兑贫?,其间的跃迁频率也就非常稳定,因而被选作为频率标准。图2b是它的结构示意图,原子束中的氢原子经过磁铁选态,可以把处在F=1,тF=0态的原子集中到谐振腔内的储存泡中;而把处在F=0,тF=0态的原子偏离开。只要原子数足够多,谐振腔Q值足够高,就可以产生微波量子振荡。
参考书目
J.R.Singer,Masers,John Wiley and Sons,New York,1959.
在微波激射器中,为了加强原子与电磁波的相互作用,往往把工作物质放在一个微波谐振腔中,谐振腔的谐振频率正好等于原子的跃迁频率。有的微波量子放大器用慢波结构来代替谐振腔。谐振腔本身又是一个反馈装置,原子辐射出的电磁波能量的一部分留在腔内,再次作用于原子上构成正反馈作用。当谐振腔的Q值足够高,原子辐射的功率足够大时,微波量子放大器就变成微波量子振荡器。
造成原子某两个能级粒子数反转的方法很多,最常用的是选态法和三能级(或四能级)抽运法。选态法常用在原子束(或分子束)中,当原子束通过一个不均匀磁场(或电场)时,处在不同能级上的原子因受力不同其运动轨迹就不同。这样,就可把处在某一对能级的上能级的原子选出来,然后让它进入一个谐振腔。三能级(或四能级)抽运法常用于气体、液体、固体的工作物质。先用某一频率的电磁波,把原子从最低能级抽运到一个高能级上,从而可以造成该高能级与另一个较低能级之间的粒子数反转,或者造成另一个较低能级与最低能级之间的粒子数反转。
微波量子放大器的优点是它具有特别低的噪声。因为在微波波段,可能成为噪声源的自发辐射可以忽略,如果把放置工作物质的谐振腔再放入液氦中,则它的噪声温度只有几开尔文,非常接近于无噪声的理想放大器。微波量子振荡器的优点是振荡频率可以做得非常稳定。因为它决定于原子能级的稳定性,只要选择合适的能级使能级位置对各种外界宏观条件不敏感即可。
在微波量子放大器方面,常用的是固体微波量子放大器,适于在极低温度下工作,从而可获得极低的噪声温度。在射电天文方面,微波量子放大器在天线仰角较大(输入噪声小)时,可用于微弱微波信号放大。用红宝石作工作物质的微波量子放大器如图1,W为能量值,D为半零场分裂值。红宝石中Cr离子基态能级图如图1a。此图对应其晶轴和外磁场的夹角为54.7°,在磁感应强度B=0.42T(特)时,抽运频率为24.2吉赫,可同时引起在能级1与3间及能级2与4间的跃迁,只要抽运功率足够大,就可以造成能级2与3间的粒子数反转。能级2与3间的跃迁频率,就是工作频率(9.4吉赫)。图1b是这种量子放大器结构的示意。红宝石放在一个双频谐振腔中。此腔同时对24.2吉赫和 9.4吉赫频率谐振,整个腔置于液氦中冷却到4.2K以下。
氨分子振荡器是在1954年建成的世界上第一种微波量子振荡器。频率稳定度较高,可达10,故可制成氨分子钟。但它已被氢原子量子振荡器所代替。氢原子量子振荡器是量子振荡器中长期频率稳定度最高的(达10数量级),可以作为频率和时间的标准(图2)。图2a是氢原子基态能级图(W为能量值hv0为零场分裂值,μ0为玻尔磁子)。其中F=1,mF=0态和F=0,тF=0态两个能级在弱磁场下对外磁场变化不敏感,不易受?獯懦〉母扇哦鼓芗兑贫?,其间的跃迁频率也就非常稳定,因而被选作为频率标准。图2b是它的结构示意图,原子束中的氢原子经过磁铁选态,可以把处在F=1,тF=0态的原子集中到谐振腔内的储存泡中;而把处在F=0,тF=0态的原子偏离开。只要原子数足够多,谐振腔Q值足够高,就可以产生微波量子振荡。
参考书目
J.R.Singer,Masers,John Wiley and Sons,New York,1959.
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