Verstärker für elektromagnetische Wellen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ver stärker für elektromagnetische Wellen und inssbeson- d-Cre einen verbesserten Verstärker vom Maser - Typ.
Die Bezeichnung Maser ist bekanntlich eine Abkürzung für Iden Ausdruck Microwave A.mplifi- aation by Stimulated Emission .of Ra@diation . Die Verstärkung durch einen Maser ist abhängig vom Vorhandensein von diskreten Energieniveiaus in einem Madium. Im .allgemeinen ist die <RTI
ID="0001.0027"> Elektronen- verteilung unter den möglichen Energieniveaus in einem Medium in einem Zustand thermischen Gleich- gewichts, so @dass die Besetzungszahlen irgend zweier Zustände der Boltzmannschen Verteilung gehorchen, welche durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückt ist:
EMI0001.0040
wo N-9 gleich der Anzahl Partikel pro Volumen einheit im Zustand höherer Energie und Ni gleich der Anzahl Partikel pro Volumeneinheit im Zu stand niedriger Energie ist, wenn sich das System im thermischen Gleichgewicht befindet, E gleich der Energiedifferenz zwischen .den zwei Zuständen,
k gleich der Boltzmann-Konstanten (1,4 X 10-1c erg/ .K) und T die ,absolute Temperatur in K des- Partikel-Systems ist.
Demgemäss sind in einem atü- maren System .höhere Energieniveaus weniger dicht besetzt als tiefere Energieniveaus. Es findet ein Austausch der Elektronenbesetzungen zwischen den Energieniveaus @statt, wenn elektromagnetische Wel len dem Medium zugeführt wenden, deren Frequenz in einer bestimmten Beziehung zur Energiedifferenz zwischen ,
zwei besonderen Energieniveaus steht. Die Beziehning zwischen der Frequenz -der e}ektroma- gnetischen Wellen und :der Energiediffe,renz zwischen den zwei Energieniveaus ist gegeben durch die Plancksche Gleichung:
EMI0001.0088
wo<I>h</I> die Plancksche Konstante, <I>f</I> die beim über- gang zwischen -den beiden Ernergleniveaus emittierte Frequenz, El die Energie des höheren Energie niveaus und E2 die Energie des tieferen Energie niveaus ist.
Ein gewisser Bruchteil der Elektronen besetzung im tieferen Energieniveau absorbiert Strah- lung und wird auf das höhere Energieniveau und ein gleich grosser Bruchteil der El<B>ek</B> tronenbesetzung im höheren Energieniveau wird inn- geregt und remittiert eine Strahlung und <RTI
ID="0001.0117"> fällt sauf das tiefere Energienivieau .ab. Im thermischen Gleich 01 wicht, bei welchem im tieferen Energieniveau eine grössere Eloktronenbesetzung vorhanden ist, gibt die elektromagniefsche Welle ,bei der Wechselwirkung mit dem Medium Energie ab, welche dem Medium zukommt,
um die Netto-Elektronenbesetzung aus Odem tieferen zum höheren Energieniveau anzuhaben. Das Netto-Engebnis besteht meiner Absorption von Energie durch das Medium laus :der elektromagneti schen. Welle.
Wenn anderseits ein Medium vorliegt, :in welchem während einer endlichen Zeit ein höheres Energieniveau eine grösswre Dichte der Elektronen besetzung aufweist Aals ein tieferes Energieniveau, kann eine Netto-Emission vorliegen, d. h.
einfallende elektromagnetische Wellen, deren Retriebsfrequenz in richtiger Beziehum.g .zur Energiedifferenz der Ener- gieniveaus steht, bewirken während :dieser endlichen Zeit, @dass .bei -der Bstriebsfrequenz eine grössere Lei- stung abstrahlt als absorbiert wird, so d ass sich :
eine Verstärkung der elektromagnetischen Wellen ergibt.
Um elektromagnetische Wellen zu verstärken, muss daher ein Medium vorliegen, in welchem idie ,Elektronenbesetzung ,des höheren Energieniveaus grö sser ist als diejenige des tieferen Energieniveaus, d. h.
es ist eine Inversion oder Umkehrung der Elektronen, :basetzung zwischen den Energieniveaus des Mediums vorhanden.
Eine solche Verteilung der Elektronen- ,besetzung befindet sich jedoch nicht im :
thermischen Gleichgewicht, und sie entspricht seinem negativen Wert der .absoluten Temperatur. Es sind bereits mehrere Verfahren verwendet worden, um eine In version der Elaktronenbesetzungszahlen zwischen Energieniveaus in einem Medium zu erzielen.
Ein solches Verfahren wind bei dem :sogenannben Zwei-Niveau-Maser !angewendet. Ein Medium, wel ches zwei Energieniveaus .aufweist, wind auf seine Temperatur abgekühlt, die einige Grade über dem absoluten Nullpunkt liegt, beispielsweise nuteinem Bad aus flüssigem Helium, mit der Absicht,
ein thermisches Gleichgewicht herzustellen, so :dass die meisten Elektronen des Mediums in das tiefere Niveau der beiden Energieniveaus :abfallen.
Um das Verhältnis der Besetzungszahlen umzukehren, wird das Medium einem Pump-signal in der Form eines Hochleistungs-lvlikrowellenimpulses unterwor fen, welcher die Elektronen kurzzeitig auf das höhere Energieniveau anhebt und dadurch ,das Me- dium in einen angeregten Zustand versetzt. In diesem angeregten Zustand wirkt das Medium :
als Verstärker für ein schwaches Mikrowellensignal, welches eine Frequenz aufweist, die in rsohtiger Beziehung zur Differenz der En rgieniveaus steht und gleich der jenigen des Pumpsignals ist. Die sich ergebende Energieverstärkung ist sntermittierend, da der er forderliche Zustand für eine Maser-Verstärkung, d. h.
der :angeregte Zustand, nur während einer kurzen. Dauer nach dem P:umpimpuls :andauert. Nach dem P:umpimpuls kehrt das Medvum langsaan durch einen Relaxationsvorgang in das thermische Gleichgewicht zurück, id. h.
das tiefere Energieniveau wird wieder- um dichter besetzt. Abgesehen von dem intermttie- renden Betrieb, welcher idieser Art von Zwei-Niveau- Maser eigen ist, erweist sich dieser Maser zu Ver- stärkerzwecken .als ungeeignet,
da die Arbeite- oder Betriebszeit gewöhnlich ein kleiner Bruchteil der Rückstellzeit ist.
Ein anderes Verfahren .zur Erzielung :der Inver sion -der Besetzungszahlen .und zur Vermeidung des Nachteils -des intermittierenden Betriebs des oben erwähnten Zwei-Niveau-Masers wird .bei Odem soge nannten Drei-Niveau-Maser angewendet. Dieser Typ von Maser macht sich den Vorteil <RTI
ID="0002.0142"> zunutze, dass in gewissen Medien drei Energieniveaus vorhanden sind. Das Medium wird wie beim ZwetNiveau-Maser :abgekühlt, um eine :grosse Besetzungsdifferenz zwi schen allen drei Energieniveaus zu erzielen. In das Medium wird ;
ein Wechselstrom-Pumpsignal einge koppelt, um zwischen mindestens zwei ider Energie- niveaus eine invertierte Elektronenbesetzung ,zu er zeugen.
Beispielsweise hebt idas Wechselstrom-Pump- signal Elektronen vom tiefsten Energieniveau :auf :das höchste Energieniveau an, und zwar so, dass sich eine .gleiche gesättigte Elektronen-Besetzung in diesen Niveaus ergibt.
In diesem Zustand hat ent weder :das höchste Energieniveau eine grössere Elek- tronenbesetzung .als das mittlere Energieniveau oder .das mittlere Energieniveau eine :grössere Elektronen# besetzung als das tiefste Energieniveau, und zwar in Abhängigkeit der Energie des .mittleren Energie niveaus.
Es kann nun seine Verstärkung elektro- magnetisch.er Wellen stattfinden, welche eine Fre quenz aufweisen, idie ider Differenz der Energie niveaus zwischen dem mittleren Energieniveau und dem höheren Energieniveau oder zwischen dem tiefe- ran Energieniveau :
und dem höheren Energieniveau entspricht, und zwar je nachdem, welches Paar von Niveaus die Inversion :der Besetzung aufweist. Unter diesen Verhältnissen kann seine kontiniuier- l:
iche Verstärkung einer elektromagnetischen Welle erfolgen, @da Elektronen vom tiefsten Energivmveau zum höchsten Energieniveau gepumpt werden kön nen, um das Meidiüm idauernd in einem angeregten Zustand zu halten, während die elektromagnetischen Wallen gleichzeitig verstärkt wenden, und zwar da durch, d@ass :
die Elektronen ,dazu @angeregt werden, vom höchsten Energieniveau zum mittleren Energie niveau. zurückzukehren. Obwohl es zutrifft, @d@ass der Drei Niveau-Maser eine kontinuierliche Verstärkung ermöglicht, ist ein Pumpsignal erforderlich, welches eine Mikrowellenfrequenz aufweist,
idie höher ist als idejenige der zu verstärkenden elektromagneti schen Wellen. Dieser Umstand führt zu einer kom plizierten und kostspieligen Einrichtung und einer Beschränkung der Betriebsfrequenz .des Maiers.
Der Betrieb eines solchen Maiers kann .nicht in den Sub- millimeter-Wellenlän,genbereich (tiefere Infrarotfre- quenzen) ausgedehnt werden, :
und zwar wegen der Forderung, @dass die Pumpsignalfrequenz höher als die Frequenz .des zu verstärkenden Signals sein muss, ida heute bekannte Oszillatoren nicht in ider Lage sind, Signale im Submillim,eter-Wellenlängenibereiah zu erzeugen.
Gegenstand :der Erfindung ist ein Verstärker für elektromagnetische Wellen, welcher einen Körper mit mehreren atomaren Energieniveaus und Mittel auf weist, um dem Körper elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Frequenz zuzuführen und solche Wellen diesem Körper zu entnehmen.
Dieser Verstärker ist gekennzeichnet durch eine Quelle, welche dem Körper einen Erregergleichstrom zu führt, um eine Änderung der Elektronenbesetzung der Energieniveaus @zu erzeugen,
so dass mindestens ein Teil des Körpers bei ider genannten Frequenz eine Besetzung ider Niveaus ,aufweist, die derjeni- gen :bei einer negativen absoluten Temperatur ent spricht.
Gemäss einer Ausführungsform wird eine Gleich- stromquelle zur Lieferung Ader Erregerenergie vor- gesehen, um eine Inversion der Elektronenbesetzung in einem Maser mit zwei .Energieniveaus zu bewirken, idamit elektromagnetische Wellen im Subm:
illimeter- bereich (tiefere Infrarotfrequenzen) .uiid nm Mikro- wellenbereich verstärkt werden können.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird ein Festkörper-Maser -mit zwei Energieniveaus vorge sehen, welcher einen Körper aufweist, welcher einen Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand und nega tivem oder abnormalem g-Faktor und ein Material mit positivem oder normalem g -Faktor enthält,
wo bei der Halbleiter und das genannte Material in praktisch kontinuierlicher enger Berührung stehen, wobei eine Gleiehstrompumpquelle im Nebenschluss mit dem Festkörper gekoppelt ist und die Polarität des Signals dieser Gleichstromquelle oder das für Aden Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand ge wählte Material den iB.etriebsfrequenzb,
eneich des Maiers bestimmen. Die Wahl eines .gegebenen Ma terials für Halbleiter in invertiertem Spin Zustand und Tals Material mit positivem g-Faktor für einen besonderen Betriebsfrequenzbereich verbessert Iden Betrieb des Masers in idiesem besonderen Frequenz bereich.
Das Symbol g und ,der Ausdruck gFaktor , welche in Aden vorliegenden Unterlagen verwendet werden, beziehen sich auf den spektroskopischen Aufspaltungsfaktor, welcher gleich 2,0023 für freie Elektronen ist und .dem Landäschen Aufspaltungs- faktor ider atomaren Spektroskopie entspricht. Der Ausdruck g-Faktor wird gelegentlich auch magne tischer
Aufspaltungsfaktor genannt, @da die Energie- aufspaltung durch ein Magnetfeld erfolgt.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezug nahme auf die Zeichnung beispielsweise näher er läutert. In der Zeichnung zeigt: -die Fig. 1 einen teilweise im Schnitt dargestell ten.
Verstärker für elektromagnetische Wellen im Infrarot-B;enelch in schematischer Form, die Fig. 2 ein Energieniveau-Diagrammzur Er läuterung der Arbeitsweise :
des Verstärkers nach Fig. 1, <B>,die</B> Fig. 3 in schematischer Form einen Ver stärker für elektromagnetische Wellen sm Mikro wellen Frequenzbereich, die Fig. 4 ein Energienive@au-Diagnainm zur Er läuterung einer Arbeitsweise :
des Verstärkers nach Fig. 3 und die Fig. 5 ein Energieniveau-Diagramm zur Er läuterung einer anderen möglichen Arbeitsweisse des Verstärkers nach Fig. 3.
Bevor besondere Ausfiührungsbeispiele der vor liegenden Erfindung eingehender .beschrieben wer den, soll kurz -auf das allgemeine bei der vorlie- g2nden Erfindung angewandte Prinzip eingegangen werden, welches zur Wahl und besonderen Form der Materialien führt, welche zur Erzielung der erforderlichen Inversion :
der Elektronenbesetzung ent sprechend einem negativen Wert iderabsoluten Tem- peratur zur Verstärkung durch induzierte Emission eingegangen wenden.
Der erfindungsgemässe Ver stärker für elektromagnetische Wellen verwendet ,die paramagnetische Resonanz der Spins von Leitungs elektronen in Festkörpern. Zunächst sollen freie Elektronen .betrachtet werden, die in einem Magnet- feld liegen.
Das Feld .hebt die räumliche Unordnung der Elektronen auf und bewirkt, dass sich die Spin- Vektoren parallel oder antiparallel zum Magnetfeld ausrichten, und zwar mit Energiedifferenzen. Mit ian- @deren Worten werden die Spin-Zustände der Lei- ,
tungselektronen in zwei Zeeman-Sulbzustände oder -Subniveaus aufgespalten. Die Energiedifferenz .zwi schen diesen beiden Spin-Orientnerungen ist :gegeben ,durch die Gleichung:
EMI0003.0164
wo ,u Idas Bohrsehe Magneten mit dem Wert 0;
927 X 10-20,erg/Gauss, g ider zuvor definierte ma gnetische Aufspaltungsfaktor und H die Magnet feldstärke in Gauss ist. Wiebereits erwähnt, ist g für freie Elektronen gleich 2,0023 und weist nahe zu den gleichen Wert für Leitungselektronen in Me tallen und in .den meisten Halbleitern auf.
Theore tische 17berlegungen haben jedoch -das Vorhanden sein von grossen negativen g-Faktoren in gewissen Halbleitern vorausgesagt, welche eine h@.ohe Beweg- lichkeit und eine kleine effektive Masse ;aufweisen. Dies ist an zwei Tatsachen ;
hinsichtlich der Elektro nenenergien in einem Magnetfeld gebunden. Erstens ist die Energiedifferenz 4E direkt proportional zu g und H.
Es ist jedoch eine praktische Grenze vor handen, welche idie Vergrösserung der Magnetfeld stärke über einen gewissen Punkt hinaus verunmög- licht. Aus der Planckschen Gleichung erkennt man ebenfalls, dass die Energiedifferenz direkt propor tional ist zur Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, welche beim Energieübergang zwischen den .beiden Niveaus .auftritt.
Ein .grosser g-Faktor würde die Trennung von Energieniveaus in einem Material bedeutend vergrössern und -daher fauch @die Frequenz der ..elektromagnetischen Strahlung. Zwei tens bestimmt Idas Vorzeichen das g -Faktors idie Beziehung der Energieniveaus der Spin-Orientierung in der folgenden Weise. Jedes der Zeeman-Sub-
niveaus ist gekennzeichnet durch eine Spin-Quanten- zahl m von der Grösse 1/2, wobei das Vorzeichen dieser Quantenzahl positiv ist, falls die Richtung ides Spin-Vektors parallel zum !angelegten Feld ver läuft, und negativ, falls er antiparallel verläuft.
Für :ein Material mit positivem g-Faktor gilt für das untere Energieniveau m = -1/2, was einer antiparalle- len Spin-Richtung ,zum iangelagten Feld entspricht.
Für ein Material mit negativem g-Faktor ist jedoch für das tiefere Energieniveau m = -i- 1/2, was einer Spin-Richtung entspricht, welche parallel zum an- gelegten Magnetfeld verläuft. Somit wenden :bei einem Halbleiter mit negativem oder :
abnormalem g -Faktor, d. h. einem Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand, -die parallel zum angelegten Feld ver laufenden Spins energiemässig herabgesetzt und lie- .gen im tieferen Energieniveau, wodurch sich eine Inversion der Energieniveaus der beiden möglichen Spin-Orientienungen ergibt.
Wenn das Material, welches ein atomares System bildet, sich im thermischen Gleichgewicht befindet, ist die gewöhnliche Verteilung der Elektronenbe- setzung ider Spn Niveaus vorhanden, id. h.
es ist ein Ü:berschuss an Elektronen im tieferen Energie zustand vorhanden, und zwar unbekümmiert darum, ob das Material einen negativen oder einen positiven g-Faktor aufweist.
Das Verhältnis oder Spin Beset zungszahien zwischen dem oberen und unteren Ener- gieniveau lässt sich ,aus ider vorstehenden Gleichung (1) ableiten und wie folgt darstellen:
EMI0004.0049
wo El die Energie im oberen Energieniveau und E2 die Energie im tieferen Energieniveau ist und Er und E2 .gleich E der Gleichung (1) ist. Nun kann T idurch diese Gleichung wie folgt jausgedrückt werden:
EMI0004.0064
Der Zähler der Gleichung (5) ist immer positiv, da das Energieniveau Ei defiinitionsgemäss :grösser ist als E2. Unter normalen Verhältnissen, d.
h. bei thermischern Gleichgewicht ist Ni kleiner als N2, und das den natürlichen Logarithmus enthaltend Glied der Gleichung (5) ist negativ, so dass sich für T ein Wert ergibt,
welcher grösser als Null ist. Wenn anderseits eine Biesetzungsinversion vorhanden ist, .so @dass im oberen Energienivasu eine grössere Anzahl Elektronen vorhanden ist als im tieferen Energieniveau, d.
h., IV, grösser als N2 ist, wird der Nenner der Gleichurig (5) positiv, so dass sich eine negative Temperatur T ergibt. Wenn somit die gewünschte Inversion der Elektronenbesetzungszah- l.en zwischen dem höheren und tieferen Energie niveau für eine Verstärkung durch induzierte Emis sion auftritt, hat die absolute Temperatur einen negativen Wert.
Die Inversion oder Elektronenhesetzungszahlen kann verbessert und die Betnlabsfrequ enz kannbe trächtlich erhöht wenden @durch Verwendung von Halbleitern in:
it grossen gFaktoren mit invertiertem Spin-Zustand in Verbindung mit ie2nem Material, wel- ches einen positiven g-Faktor aufweist. Die Verwen dung eines Halbleiters .mit invertiertem Spin-Zustand gestattet das Pumpen der überschusselektronen vom tieferen Energieniveau des <RTI
ID="0004.0138"> Materials mit positivem g-Faktor auf das höhere Energieniveau des Halb- leiters rnit innvertiertem Spin-Zustand, wodurch die er- forderliche invertierte Elektronenbesetzung im Halb leiter zustande kommt.
Das Verhältnis --der Elek- tronenbesetzungszahlen kann auf diese Wele er höht wenden, da die -Elektronen von einem Spin- Quantenniveau einer Orientierung im Material mit positivem g-Faktor auf ein Spin-Quantenniveau der ,
gleichen Orientierung im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand überführt werden, so dass die über- führten und die bereits vorhandenen Elektronen die gleiche Spin-Orsentierung aufweisen,
so dass sich eine Zunahme der Besetzung .und nicht eine Vermindb- rung infolge von Spin-Löschung oder -Aufhebung er gibt. Der grosse Wert des, g-Faktors und damit die Energieniveau-Aufspaltung oder -Trennung gestattet die Verstärkung von elektromagnetischen Wellen im Infrarot-Bereich und .im Mikrowellen-Bereich.
Gewöhnlich führen -kleine effektive Massen und beträchtliche Spinbahnaufspaltungskonstanten bezüg lich der Grösse der Energiedifferenz auf grosse ne gative Werbe für ,die gFaktoren. Halbleiter snt grossen Atomzahlen weisen ,
auch kleine Energie- differenzen und kleine effektive Massen für die Elektronen im Leitungsband sauf.
,Damit die obigen Betrachtungen Gültigkeit haben, !ist es nötig, dass Idas Minimum des Leitungsbandes rund Idas Maxi mum des Valenabandes in der Mitte oder Brillouin- zone auftreten. Halbmetall-Festkörper mit grosser Atomzahl,
bei welchen das Leitungsband und Idas Valenzband ;sich überlappen und welche kleine effek tive Massen für die Träger und grosse Spinbahnkopp- lung aufweisen, haben ebenfalls negative g-Faktoren.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verstärkers für die kontinuier liche Verstärkung elektromagnetischer Wellen im Infrarot-Frequenzbereich dargestellt. Ein Festkör per 1 mit den Teilen 2 und 3 bildet .bei geeigneter Einwirkung ein Mehrfach Energieniveausystem. Im allgemeinen weist einer
der Teile 2 oder 3 :ein Material mit normalem g-Faktor auf, wobei g einen positiven Wert aufweist, während oder !andere der Teile 2 und 3 ein Material mit abnormalem g- Faktor, d. h. .ein g mit ,negativem Wert, also ein Material mit invertiertem,Spin-Zustand,
aufweist.
Die Teile 2 und 3 Astehen in engem ,und praktisch kontinuierlichem Kontakt. Um dies Du verwirklichen, kann man die in Berührung zu ibfingen@den Ober- flächen des Materials der Teile 2 ,und 3 seit optischen Mitteln schleifen und polieren, so dass diese Ober flächen möglichst glatt werden,
worauf diese Ober flächen beispielsweise mit Hilfe einer plasfüchsn ,Klammer 4 aufeinander gedrückt werden, wobei zwischen den Teilen 2 und 3 dann die Zwischen fläche 5 vorhanden ist. Dank der Oberflächenbe- handlung der Teile 2 und 3 und .dank d er Klammer 4 befinden sich :
die beiden Teile 2 und 3 in praktisch kontinuierlicher Berührung, wobei die Zwischen fläche 5 gegen aussen praktisch luftdicht abgeschlos sen ist. Durch die Klammer 4 wird auch dafür ge sorgt, dass sich die Teile 2 und 3 längs der Zwischen fläche 5 nicht gegeneinander verschieben können.
Der Körper 1 in ider Fig. 1 enthält einen aus einem Nichteisenmetall, wie z. B. Kupfer (Cu), Gold (Au), Silberf(Ag), Cäsium (Cs) und Rubidium (Rd),
bestehenden Teil 2 mit einen g-Faktor mwi- sehen -I- 1 und -!- 2 und einen aus einem Halb leiter mit invertiertem Spin-Zustand, wie z.
B. In- i;1iiumantimonid (InSb), Indiumarsenid (InAs), Gel= li!umarsenid (GaAs), Quecksilbertellurid (HgTe), Quecksilberselenid (HgSe), Wismut (B:
i) und Anti mon (Sb), bestehenden Teil 3 mit negativen g-.F.ak- toren. Die Materialien der Teile 2 und 3 sind an sich praktisch monokristallin.
Der Körper 1 liegt innerhalb eines Dewarschen Gefässes 6, welches einen evakuierten Raum 7 zwi schenden Wandungen 8 .und 9 und dinen Raum 10 zwischen .den Wandungen 9 und<B>11</B> aufweist, welch letzterer für ein Kühlmittel bestimmt ist.
Das Kühlmittel kann aus flüssigem Stickstoff bestehen, aber vorzugsweise wird flüssiges Helium verwendet, um den Körper 1 :auf eine sehr tiefe Temperatur .abzukühlen, welche sich vorzugsweise in der Nähe des absoluten Nullpunktes :befindet. Die Abkühlung des Körpers 1 ist erwünscht, um das Verhältnis der Besetzungen zwischen dem tieferen und höheren Energiezustand für die Spin-Orientie- rung zu vergrössern.
Ein weiterer Vorteil, welcher sich durch @die Kühlung ergibt, besteht darin, idass in jedem der Teile 2 und 3 die Streuung elektroma gnetischer Wellen !durch Gitterwellen oder Gitter schwingungen, welche 'n einem thermisch beweg ten Festkörper entstehen, auf einen vernachlässig- baren Wert vermindert wird.
Weiter wird gemäss der vorstehenden Gleichung (4) durch die tiefe Tem peratur für Iden Maser ein beträchtlicher Empfind- lichkeitsgewinn !erzeugt. Durch die Polschuhe 12 und 13 wird ein Magnetfeld erzeugt, um :
die Spins der Leitungselektronen in den Energieniveaus des Materials der Teile 2 und 3 richtig zu orientieren. Somit wird durch das durch die Polschuhe 12 und 13 erzeugte Magnetfeld nm Körper 1 ein Mehrfach- Energi,enive,ausystem erzeugt,
und zwar werden zwei Energieniveaus im Metall ödes Teils 2 und zwei Energieniveaus im Halbleiter .mit invertiertem Sp.in des Teils 3 erzeugt.
Wie bereits oben dargelegt wurde, ist es nötig, die Elektronenbesetzungszahlen zu invertieren, um eine Verstärkung elektromagnetischer Wellen durch irnd.uzierte Strahlungsemission zu .gestatten. Die ge wünschte Inversion -der Elektronenbesetzungszahlen wird durch Erregerenergie erzielt, welche eine kon stante kontinuierliche Intensität aufweist, wie z. B.
durch die Gleichspannung der Batterie 14, welche elektrisch mit den Elektroden 15 und 16 verbunden ist, welche auf der Aussenseite des Teils 2 bzw. 3 angeschmolzen sind, und zwar durch bekannte Ver fahren.
Die Batterie 14 liegt somit .parallel zum Körper 1, wobei die positive Klemme mit dem Halbleiter des Teils 3 verbunden ist. Die elektrischen Verbindungen von den Klemmen der Batterie 14 zu den Elektroden 15 und 16 ,sind mit Hilfe von Ohm schen oder nichtinjizierenden Kontakten hergestellt. Somit wird .durch Hilfe einer Gleichstrom-Pumpe (Batterie 14),
deren Klemmen gemäss Fi,g. 1 mit idem Körper 1 verbunden sind, die gewünschte In- version der Elektronenbesetzungszahlen im Halblei ter des Teils 3 erzeugt, @um eine kontinuierliche Ver stärkung von elektromagnetischen Wellen im In- fr.arot,
Frequenzbereich durch induzierte Strahlungs- emisson zu ermöglichen.
Die infraroten elektromagnetischen Wellen kön nen in energieaustauschender Weise mit :gewissen Energieniveaus im .Körper 1 gekoppelt werden, d. h. den Energieniveaus .des Halbleiters des Teils 3 im Infrarot-Maser, um diesem Energie durch eine An zahl verschiedener optischer Einrichtungen zu ent nehmen.
Eine optische Einrichtung ist ,in Fig. 1 dar gestellt. Sie weist ein Empfangsorgan z. B. mit Form eines reflektierenden ssarabolspiegels 17 auf, welcher die infraroten elek trom.agnetischen Wellen aus einer Quelle erhält rund @diese .auf ein Linsensystem 18 reflektiert,
welches im vorliegenden Fall durch eine .einzelne Linse dargestellt ist, um die einfallenden elektromagnetischen Wellen zu einem Strahl zu bün- idel.n, welcher in den Körper 1 eingestrahlt oder ein gekoppelt wird, um diesen zu erregen, so dass eine Verstärkung ider elektromagnetischen Wellen statt findet,
wenn die Elektronenbesetzung gewisser Ener gieniveaus des Körpers 1 sich im unstabilen Zu stand befindet, d. h. einem negativen Wert der Tem peratur entspricht. Selbstverständlich muss das Ge fäss 6 geeignete Fenster für die elektromagneti- schen Wellen aufweisen. Solche Fenster sind mit 6a und 6b bezeichnet.
Da es nicht zweckmässig ist, den Körper 1 in einem Hohlraum unterzubringen, wie dies ein .einer Anordnung der Fall ist, welche mm Mikrowellenbemich arbeitet, um ,den Mikrowellen verstärker frequenzselektiv zu .gestalten, werden vor zugsweise der Körper 1 und @dk Kopplungseinrich tung für die elektromagnetische Wellenenergie so angeordnet, @dass die effektive Weglänge der Wellen durch :
dien Körper 1 erhöht wind, um auf diese Weise das Q des Infrarotverstärkers .und dadurch die Fre- quenzselektivität des Verstärkers zu erhöhen. Diese Erhöhung von Q im Infrarotverstärker kann erzielt werden durch einen mehrfachen Durchgang der Infrarotwelle durch den Teil 3.
Eine Art und Weise zur Erzielung eines solchen mehrfachen DuTchganges der infraroten elektro magnetischen Wellen besteht darin, den Einfalls- winkel des Ausgangsstrahls der Linse 18 sorgfältig so einzustellen, @dass der so gebildete Strahl zwischen der Metallwand der Elektrode 15 :
und der hoch- -gradig polierten Oberfläche desRTI ID="0005.0222" WI="11" HE="4" LX="1518" LY="2163"> Metalls des Teils 2 an der Zwischenfläche 5 hin und her reflektiert wird. Durch richtige Einstellung und Formgebung des op tischer Systems und des Teils 3 ,des Körpers 1 .umd durch richtige Beleuchtung des Teils 3 ist es mög lich, mehrere tausend Reflexionen .zwischen denbei den Metallwänden zu erzielen,
welche durch die Elektrode 15 und das Metall des Teils 2 :gebildet werden, :bevor der Strahl laus dem Verstärker aus tritt und zum Spiegel 19 gelangt, von wo er zu einem I.nfnarcotdetektor 20 reflektiert wind, welcher beispielsweise aus einer Golay-Zelle bestehen kann.
Die Weglänge durch den Halbleiter des Teiles 3 des-Körpers 1 kann weiter erhöht werden durch Ver wendung halbversilberter Spiegel 21 und 22, welche bezüglich ,des Halbleiters des Teiles 3 und,des Strahls aus Infrarotwellen so angeordnet sind, dass oder Strahl. nicht nur zwischen Iden Metallwänden,
welche durch die Elektrode 15 und das Metall des Teiles 2 :ge- bildet werden, reflektiert wird, sondern auch eine Anzahl von Malen zwischen den Spiegeln 22 und 21, bevor er aus dem Verstärker -austritt und zum Spiegel 19 gelangt.
Die Spiegel 21 und 22 können je aus einem Glasteil 23 bestehen, .auf welchem Silberstreifen 24 aufgebracht sind, welche eine Breite und einen gegenseitigen Abstand .aufweisen,
dass 50 der Spiegeloberfläche reflektieren und die -.anderen 50 % lichtdurchlässig sind. Die Streifen 24 --auf dem Spiegel 21 sind bezüglich oder Streifen 24 auf denn Spiegel 22 so .angeordnet, dass eine Reflexion von Licht zwischen diesenbeiden Spiegeln,
der Elektrode 15 und dem Metall des Teils 2 stattfindet, um die Anzahl Durchgänge der Infrarotenergie durch den Halbleiter des Teils 3 zu erhöhen. Beim vorliegen den Beispiel sind die Streifen horizontal ange ordnet.
Es besteht jedoch kein Grund, diese nicht in vertikaler Richtung anzuordnen, solange das 1 : 1-Verhältnis von reflektierender zu durch lässiger Oberfläche beibehalten wird, um die Ein kopplung der Infrarotwellen in den Halbleiter des Teiler 3, die Reflexion zwischen den Spiegeln 21 und 22 und die übertragung der Infrarotwellen vom Spiegel 22 zum Spiegel 19 zu gestatten.
Im vor stehenden ist ein Mittel beschrieben worden, um dem Körper 1 elektromagnetische Wellen zuzuführen und diesem zu entnehmen, wobei .diese Wellen eine Frequenz .im Infrarotbereich aufweisen,
welche pro portional ist zur Differenz zwischen Aden Energie- niveaus im Halbleiter des Teils 3, wenn dieser eine negative Temperaturcharakteristik aufweist.
Die Arbeitsweise ides mit einer Gleichstrom- Pumpe versehenen Infrarot-Masers der Fig.. 1 wird besser verständlich unter Bezugnahme auf das Ener- geniveaud'iagramm der Fig.2,
für welche als Ma terial für den Teil 3 Indiumanfiimionid mit einem g-Faktor von -58 und als Material für den Test 2 ein Nichteisenmetall mit einem g@Faktor von -I- 2 vorausgesetzt äst. Wenn ider Körper 1 dem Magnet feld ausgesetzt wird,
werden die Spin Zustände der Leitungselektronen des Metalls des Teils 2 und des Indiumantimonid-Halbleiters des Teils 3 in die -bei den Zeeman-Niveaus 25, 26 bzw. 27, 28 auf-. gespalten.
Es ist zu erwähnen, dass Idas Energicniveau- dagramm der Fig. 2 nur illustrativ ist und keinen Arspruch :
darauf erhebt, die relativen Amplituden ider Energieniveaus 25, 26 und 27, 28 massstäblich darzustellen, da die Enengienivoaus 27 und 28 des Halbleiters des Teils 3 einen Abstand aufweisen,
welcher 29mal grösser ist Tals derjenige der Niveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2.
Ausserdem erhebt das Diagramm- der Fig. 2 auch keinen An spruch darauf, die relativen Lagen der Energie- niveaus 25 und 26 und ,der -Energieniveaus 27 und 28 massstäblich darzustellen, da die Energieniveaus 25, 26 tatsächlich höher oder tiefer liegen können, -als dies in der Fig. 2 zum Ausdruck kommt.
Tat sächlich können .die Niveaus 25, 26 eines der Niveaus 27, 28 eIngabeln. Die Elektronen-Spins des Metalls .des Teils 2, welche sich parallel .zum .angelegten Magnetfeld ausrichten, haben eine positive Spin- Qwantenzahl m = -h 1/ und wenden :
energiemässig auf das höhere Energieniveau 25 angehoben, während die Elektronen-Spins, welche sich antiparallel zum angelegten Magnetfeld ausrichten, eine negative Spin- Quantenzahl m = -1/ haben und energiemässig .auf das tiefere Energieniveau 26 abgesenkt werden.
Im Indiumantimonid des Teils 3 haben, wie ersichtlich, die Elektronen-Spins, welche sich parallel zum an- gelegten Magnetfeld ausrichten, eine positive Spin- Quantenzahl m = -h 1/ und wenden energiemässig jauf das tiefere Energieniveau 28 abgesenkt, während die Elektronenspins,
welche .sich antiparallel zum -.angelegten Magnetfeld .ausrichten, eine negative Spin- Quantenzahl m = -1/ haben und energiemässig auf das höhere Energieniveau 27 angehoben werden.
Somit zeigt .die Fig. 2 die Inversion der Spin- Quantenzahlen im Halbleiter mit umgekehrtem Spin- Zustand des Teils 3, wobei diese Inversion bestimmt ist durch die Polarität des g-Faktors, wie dies oben dargelegt wurde.
Wenn der Körper 1 in ein De, warsches Gefäss 6 eingebracht und auf eine nahe ,dem absoluten NullpunktRTI ID="0006.0239" WI="12" HE="4" LX="1496" LY="1415"> liegende Temperatur @ab- gekühlt wird, richtet sich die Elektronenb;
setzung der Energieniveaus im Körper 1 auf ihren stabilen Zustand aus, und zwar im Metall des Teiles 2, wobei die grösste Elektronenbesetzung im Energie- niveau 26 auftritt, wähnend im Halbleiter des Teils 3 die .grösste Elektronenbesetzung im Energieniveau 28 vorhanden ist.
Somit befindet sich die Elektronen- besetzung im Metall des Teils 2 und im Halbleiter ,des Teils 3 .in ihrem üblichen stabilen Zustand.
Zur Erzielt mg der notwendigen Besetzungsinver sion für Maser-Betrieb wird die Batterie 14, id. h. die Erregerenergiequelle, gemäss Fig. 1 angeschlos- sen, um zu bewirken, @dass die Elektronen im Metall des Teiles 2 von idiesem Teil 2 in den Halbleiter des Teiles 3 fliessen.
Somit veranlasst .die Gleich strom-Pumpquelle, d. h. die Batterie 14, dass der Besetzungsübersohuss dir Energieniveau 26 die Zwi schenfläche 5 durchläuft, wie :
dies in der Fing. 2 durch die gestrichelte Linie 29 angedeutet ist, und zum höheren Energieniveau 27 des Halbleiters des Teiles 3 gelangt und @dass gleichzeitig die Elektronen im oberen Energieniveau 25 des Metalls ides Teils 2 .die Zwischenfläche 5 durchlaufen,
wie dies durch die gestrichelte Linie 30 der Fig. 2 zum Ausdruck kommt, und zum tieferen Energieniveau 28 des Halbleiters ,des Teils 3 gelangen.
Falls die Gitterstrukturen des Metalls des Teils 2 und des Halbleiters des Teils 3 so sind, dass an der Zwischenfläche 5 wenige mdu- zierte Spin-übergänge von Elektronen stattfinden,
wird das im. Metall des Teils 2 vorhandene Be- setzungsverhältnis in Aden Halbleiterdes Teils 3 trans feriert, und infolgedessen ist das Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlen im Halbleiter des Teils 3 praktisch umgekehrt proportional zum ursprüngli chen Verhältnis des Elektronenbesetzungszahlen,
wel ches im Metall des Teils 2 vor dem Pumpvorgang vorhanden war. Diese Umkehrung oder Inversion des Verhältnisses der Elektronenbesetzungszahlen ist möglich, da das Metall eine bedeutend grössere Menge von Elektronen enthält .als ;
der Halbleiter des Teils 3, und die Hinzufügung einer verhältnismässig grossen Anzahl von Elektronen zu einer verhältnismässig kleinen Anzahl von Elektronen bewirkt, dass das Material mit der kleineren Anzahl von Elektronen einen Elektronenbesetzungswert .annimmt,
welcher praktisch gleich dem Wert der grösseren Anzahl von Elektronen ist, welche gezwungenermassen in dieses Material gelangen.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, -besteht der Teil 3 aus Indiumantimonid mit einem g-Faktor von.<B>-58</B> und der Teil 2 aus einem Metall mit einem g- Faktor von + 2.
Dadurch ergibt sich eine Energie- differenz dE3 der Zeemanniveaus des Halbleiters -des Teils 3, welcher 29mal grösser ist als die Energie differenz dE2 der Zeemanniveaus im Metall ides Teils 2. Die Elektronen, die aus Odem Metall -des Teils 2 in den Halbleiter des Teils 3 verlagert wer den, gewinnen somit Energie bei ihrem über gang vom Energieniveau 26 zum Energieniveau 27.
Der Energiegewinn wird ermöglicht durch die Quelle der Gleichstrom-Erregerenergie, das heisst durch die Batterie 14. Dass Ergebnis der Pump wirkurig besteht darin, dass eine grössere Elek tronenbesetzung nun auf dem Energieniveau 27 vor handen ist als auf dem tieferen Energieniveau 28 im Halbleiter des: Teils 3 und, wie zuvor dargelegt, weist der Halbleiter des Teiles 3 eine Inversion oder Elektronenbesetzung @entsprechend einer negativen Temperatur auf.
Da die Gleichstrom Pumpquelle eine Quelle kontinuierlicher konstanter Energie ist, wind: die gewünschte Inversion der Elektronenbesetzung ,so lange aufrechterhalten, wie das Magnetfeld, die Kühleinrichtung und die Batterie 14 wirksam sind bzw. in Betrieb stehen.
Die Aufrechterhaltung der Inversion der Elektronenbesetzung sm Halbleiter des Teiles 3 gestattet somit die kontinuierliche Ver stärkung der infraroten elektromagnetischen Wellen, welche den Halbleiter des Teils 3 dank irgendeiner von zahlreichen optischen Einrichtungen, von denen einem der Fig. 1 dargestellt ist, durchlaufen.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des Verstärkers nach Fig. 1 bestand der Körper 1 aus -dem besonderen Material, welches .der Beschrei bung der Fig. 2 vorausgesetzt wurde, und dieser Körper 1 war in einem,Dewarschen Gefäss 6 unter gebracht.
Der Raum 10 war mit ,flüssigem Helium gefüllt, um den Körper 1 auf ungefähr 1,25 K üb- Dukühlen. Hierauf wunde ein Magnetfeld von unge- fähr 20 000 Gauss angelegt, um die orientierten Spin- Zustände der Leitungselektronen zu bewirken.
Un- ter diesen Bedingungen weisen die Energieniveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2 eine Energie- differenz von ungefähr 4 X 10-1s erg auf.
Aus die ser Grösse lässt sich :durch Verwendung der obigen Gleichung (4) Idas Verhältnis oder Elektronenbeset- zungszahlen im Metall des Teils 2 wie folgt be stimmen:
EMI0007.0146
d. h. das Verhältnis beträgt ungefähr<I>ein</I> Elektron im Energieniveau 25 zu neun Elektronen im Energie- niveau 26.
Beim Anschluss der Batterie 14 gemäss Fig. 1 wurden die Leitungselektronen des Metalls des Teils 2 durch die Zwischenfläche 5 in den Halbleiter des Teils 3 getrieben, und unter der Voraussetzung, dass die Leitungselektronen nur leicht ändernde Kristall eigenschaften im übergang antreffen, wird die Wahr- scheinlichkeit, dass das Kristallgitter ein ,
Umkippen oder Übergänge des Spins induziert, weitgehend her abgesetzt. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass man für die Materialien der Teile 2 und 3 monokristalline Materialien wählt,
so dass zwischen Iden Gitterstrukturen oder beiden Materialien kein grosser Unterschied besteht. Dann wird nicht nur die Energiedifferenz zwischen den beiden Energie niveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2 um das.
Verhältnis der Grösse der g-Faktoren !des Halb- leiters des Teils 3 und des Metalls des Teils 2 erhöht, ,sondern der Spin-Zustand (Ei), welcher die kleinere Besetzung im Metall des Teils 2 .aufweist, wird fauch die kleinere Energie Im Halbleiter mit umgekehrtem Spin des Teils 3 rufweisen,
und zwar wegen der Wirkung der magnetischen Quantenzahl ,durch die Zwischenfläche 5. So wurde festgestellt, ,dass:
EMI0007.0215
wo N3 die Elektronenbesetzungszahl des Energie- niveaus 27 und N4 die Elektronenbesetzungszahl im Energieniveau 28 ist.
Somit sind im .oberen Energieniveau 27 neunmal .so viele Elektronen vor handen wie im :
tieferen Energieniveau 28, was einer (effektivenRTI ID="0007.0230" WI="39" HE="4" LX="1194" LY="2041"> Elektronenspintemperatur von ungefähr - 36 K bei einer Frequenz von 1,7 X 10+12 Hz ent spricht, was wiederum feiner Wellenlänge von 200m gleichkommt, welche somit im oberen (längerwel- ligen)
Infrarot-Frequenzbereich liegt. Wenn somit infrarote elektromagnetische Wellen in oder in der Fig. 1 beschriebenen Weise in den Körper 1 ein gekoppelt worden zwecks Wechselwirkung mit den Energieniveaus 27 und 28 des Halbleiters des Teils 3,
gewinnt die .elektromagnetische Welle Energie idurch induzierte Strahlungsemission aus dem Halbleiter des Teils 3, so @dass die elektromagnetische Eingangs welle verstärkt wird.
Die vorstehend erwähnten Halbleitermaterialien n n *t ne gativen g-Faktoren sind lediglich als Beispiel zu werten, Ida :
eine Infrärot-Verstärkung -durch Ver wendung irgend eines Halbleiters mit umgekehrtem Spin-Zustand mit Verbindung mit einem Material, z. B. einem Metall, erzielt werden kann,. welches einen normalen --Faktor von ungefähr + 2 auf weist.
Der Infrarot-Verstärker ider Fmg. 1 eignet sich insbesondere zur Verstärkung von Infrarot Frequen- zen, und idie Betrizbsfrequenz kann,durch Einstellung des Magnetfeldes, welches die Orientierung oder Spn- Zustände der Leitungselektronen erzeugt,
gesteuert werden.
Der oben beschriebene Maser mit Gleichstrom- Pumpbetrieb unterscheidet sich von bekannten Ma sern dadurch, dass .das Arbeiten ides Maiers mit Gleichstrom Pumpbetrieb@ auf die Leitungselektronen abstellt und nicht auf den Umstand, dass die Elektro nen fester an das Gitter desi Kristalls:
gekoppelt sind-, .auf welchem Umstand,das Arbeiterbekannter Maser beruht. Ein weiterer Vorteil :
des oben beschriebenen Maiers mit Pumpbetrieb hesteht in der Leichtigkeit, mit welcher .der Frequenzbereich des Verstärkers vom Mikrowellenbereich zum Infrarot-Bereich geändert werden. kann, wobei die Frequenzänderüng lediglich durch Umkehrung der Polarität der Batterie erfodgt,
wodurch sich eine Besetzungsinversion mm Teil 2 ergibt.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, welches igleiche Bauteile auf weist wie die Anordnung nach der Fig. 1, welche mit :
den gleichen Überweisungszeichen versehen sind, <I>wobei</I> die Anordnung nach der Fig. 3 zur Ver- stärkung von Mikrowellenfrequenzen dient. Der Ma ser nach Fig. 3 weist einen Körper 1 mit zwei Teilen 2 und 3 auf.
Der Teil 2 enthält ein Material mit positivem --Faktor, wie z.
B. Silizium, rund ider Teil 3 einen Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand. Wie unter Bezugnahme auf ade Füg. 1 dargelegt, stehen .der Halbleiter des Teils 3 und ,der Halbleiter mit positivem g -Faktor :
des Teils 2 in enger Berührung, .so dass isich eine nach aussen hermetisch @abge- schlossene Zwischenfläche 5 zwischen ,dem Halb- leiter :des Teils 3 und des Halbleiters des Teils 2 ergibt.
Dies geschieht idurch optisches Schleifen ider Oberflächen, welche miteinander in Beruhrung .zu bringen isind, und dadurch, idass man die Materialien der Teile 2 und 3 mit Hilfe der Klammer 4 :
unter Druck aneinander presst.
Der Körper 1 liegt mit seinem Magnetfeld, welches durch die ,dargestellten Polschuhe 12 und 13 er zeugt wird, um die Leitungselektronen-Spin-Zustände in der igleichen Weise zu orientieren,
wie dies unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. Der Körper 1 ist ebenfalls meinem Dewarschen Gefäss 6 untergebracht,
welches einen evakuierten Raum 7 zwischen den Wänden 8 und 9 und! einen für .die Aufnahme eines Kühlmittels bestimmten Raum 10 zwischen tder Wand 9 und der metal- lischen Oberfläche eines
Hohlleiter-Resonanzhohl- raumes 33 aufweist, welcher so abgestimmt ist, dass er während ides Betriebes elektromagnetische Wellten aufnimmt, deren Frequenz im Mikrowellenbereich liegt.
Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt die Abkühlung des Körpers 1 im Gefäss 6 ein ther- misches Gleichgewicht für die Elektronenbesetzung in den Energieniveaus des Halbleiters Idas Teils 3 und -des Halbleiters des Teils 2.
Eine Quelle, im vor liegenden Fall :die Batterie 14, welche Erregungs- energie liefert, ist über einen isolierten Leiter 34 mit ider Elektrode 15 .und über die leitende Wand des Hohlraumes 33 .und den Leiter 35 mit der Elektrode 16 gekoppelt.
Man erkennt, dass bei .dem so gewählten Anschluss der Batterie 14 die Polarität der Batterie bezüglich Idas Anschlusses der Batterie .an den Körper 1 ider Fig. 1 vertauscht ist.
Die positive Klemme oder Batterie 14 ist über diezu geordnete Elektrode mit dem Material mit positivem g-Faktor 'm Teil 2 und nicht mit der Elektrode ver bunden, welche dem Halbleitet mit invertiertem Spin- Zustand :des Teils 3 in der Fig. 1 zugeordnet äst.
Wie im Fall der Fig. 1 besteht -die Wirkung ider Pumpbatterie 14 darin, die notwendige Inversion -der Elektronenbesetzung, id. h.
die negative Tempe ratur für die Verstärkung elektromagnetischer Wel len im Mikrowellenbereich zu erzeugen. Die Inver- sion der Elektronenbesetzung ist nun nicht mehr .im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand des Teils 3 vorhanden,
sondern .die invertierte Spin- B.esetzung ist nun im Material des Teils 2 vorhanden,
welches Iden positiven -Faktor aufweist. Die elektro- magnetischen Wellen können durch idme Antenne 36' iaufgenommeri und idem Resonanzhohlraum 33 über den Zirkulator 37 und idie Übertragungsleitung 38 zugeführt werden,
so idass das diatektierte Mikro- wellensignal im richtig abgestimmten Resonanzhohl raum 33 vorhanden ist und ;dem Körper 1 .zugeführt wird, um .die invertierten Elektronenbasetzungen im Halbleiter des Teils 2 anzuregen zwecks Verstärkung .der elektromagnetischen Wellen.
Nach ider Verstär- kung der elektromagnetischen Wellen durch Iden Halbleiter ,des Teils 2, werden die Wellen dem Hohl raum 33 über die Leitung 38 und dem Zirkulator 37 entnommen, worauf sie einem Detektor 39 oder irgendeiner andren Nutzvorrichtung zugeführt wer den können.
Die Arbeitsweise des Verstärkers nach Fig. 3 kann unter Bezugnahme auf das Energienüveaudia- gramm ider Fig. 4 besser verstanden werden.
Die Energieniveaus 40 und 41 stellen das höhere bzw. tiefere Energieniveau des Materials mit positivem --Faktor des Teils 2 idar, welches beispielsweise Silizium sein kann, wenn dieses der Einwirkung des Magnetfeldes zwecks Orientierung :
der Spin-Quanten unterworfen ist. In analoger Weise stellen :die Ener gieniveaus 42 und 43 die Orientierung der Spin- Zustände der Leitungselektronen im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand des Teils 3 dar,
wenn dieser unter der Einwirkung (des Magnetfeldes steht. Der genannte Halbleiter kann beispielsweise Indium- antimonid sein. Das resultierende Energien'veaud-la- gramm ist von gleicher Art wie idasjen'ge der Fig. 2,
und es gelten die .gleichen Einschränkungen hin- sichtlich des Massstabes, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erwähnt wunden.
Wenn der Körper 1 ,durch das Gefäss 6 im thermischen Gleichgewicht gehalten wird, ist im Energieniveau 43 eine dichtere Elektronenbesetzung vorhanden als im Energieniveau. 42 des Halbleiters -des Teils 3, und in .gleicher Weise hat das Energieniveau 41 eine grössere Elektronen besetzung als :das Energieniveau 40 des Halbleiters des Teils 2.
Nach Anlegung :der Gleiehstrom-Pumpenergie,an den Körper 1, und zwar mit der in der Fig. 3 an gegebenen Polarität, werden die Elektronenbesetzun- gen der Energieniveaus 42 und 43 durch die Zwi- schenfläche 5 getrieben, wie dies in der Fig. 4 durch die gestrichelten Linien 44 und 45 zum Ausdruck kommt.
Dadurch wird die dichtere Elektronenbe ,setzung des Energieniveaus 43 auf Idas Energie- niveau 40 des Halbleiters ides Teils 2 verlagert und gleichzeitig die Elektronenbesetzung des Energie- niveaus 42 des Halbleiters des Teils 3 jsuf das Ener gieniveau 41 des Halbleiters des Teils 2 verlagert. Falls wie :im Fall :
der Fig. 1 und 2 an der Zwischen- fläche 5 wenige induzierte Spin-Übergänge vorhan den :sind, wird das Besetzungsverhältnis, welches während des thermischen Gleichgewichtes im Halb leiter des Teils 3 vorhanden ist, praktisch unver ändert, ,aber mit invertierter Beziehung zum Halb- Liter des Teils 2 übertragen.
Die Energiedifferenz dE3 zwischen den Niveaus 42 und 43 wird nun um einen Faktor 29 vermindert. Es ist weiter zu erwähnen, @dass im thermischen Gleichgewicht die Anzahl Elektronen im Halbleiter des Teils 3 sehr viel grösser ist als die Anzahl Elektronen
im Halb leiter des Teils 2, und wenn daher die Elektronen vom Energieniveau 40 nach 43 und vom Niveau 42 nach 41 transferiert werden, ist :das Verhältnis der Elektronen im. Halbleiter des Teils 2 prak tisch umgekehrt proportional zum Verhältnis der Elektronen im Halbleiter des Teils 3.
Somit ergibt sich eine Besetzungsinversion entsprechend einer negativen Temperatur im Halbleiterdes Teils 2,
und eine Verstärkung von Mikrowellenenergie kann nun stattfinden durch eine Wechselwirkung zwischen idem Halbleiter des Teils 2 und der elektromagnetischen Welle, die über das Empfangsorgan 36 und den Resonanzhohlraum 33 in :
den Körper 1 eingekoppelt wird. Wie zuvor ist die Betriebsfrequenz bestimmt durch :
den Abstand der Energieniveaus, welcher di rekt proportional ist zum g-Faktor und zum magne tischen Feld. Somit liegt die Betriebsfrequenz des Maiers nach Fig. 3 im Mikrowellenbereich,
Ida der Energiznivaauabstand im Material des Teils 2 be züglich des Enerö eniveauabstandes im Teil 3 nm Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 um einen Faktor von 29 vermindert worden ,
ist. Diese Verminderung des Energieniveauabstandes um einen :Faktor vom Wert 29 ergibt eine Verminderung des Frequenz bereiches von ungefähr 29 und idamit seine Herab- Setzung der Betriebsfrequenz !auf dem Mikrowellen- bereich.
Zur Erzielung einer Verstärkung von Mikro- wellenenergie sind ,andere Varianten möglich. An stelle von Indiumantimonid im Teil 3 wäre es :
mög lich, irgendeines oder anderen oben im Zusjammen- hang mit der Fig. 1 erwähnten Materialien mit um gekehrtem Spin-Zustand zu verwenden, beispiels- weise Indiumarsenid mit einem g -Faktor von - 18 und Galliumarsend mit einem g-Faktor von -1,6.
Anstelle .des Siliziums des Teils 2 könnte Graphit oder Germanium verwendet wenden.
Das Kühlmittel. in der Einrichtung nach Fig. 3 kann flüssiger Stickstoff sein, ida idie Temperatur des Körpers 1 bei gleich grossem ,angelegben Magnet feld wie beim Infrarot-Maser gegenüber der :
beim Infrarot-Verstärker benötigten Temperatur um das Verhältnis der g-Faktoren erhöht werden kann. So wurde festgestellt, dass eine Elektronenverteilung in .der Grössenordnung von<B>1:9</B> :erhalten werden kann durch Eintauchen des Körpers 1 in :ein Kühlmittel, welches eine Temperatur von 36 K aufweist, was der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühl mittel entspricht.
In der Fig. 5 ist ein Fnergieniveaudiagramm für ade Betriebsweise einer anderen Ausführungsform für den Mikrowellenverstärker nach Fig. 3, bei welcher verschiedene Materialien für die Teile 2 und 3 des Körpers zur Verwendung gelangen, dargestellt.
Ein Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand mit einem negativen g-Faktor von -1,6, wie :z. B. Gallium- arsenid, bildet den Teil 2, und ein Metall mit einem g-Faktor von + 2 @bildet den Teil 3 ider Fig. 3.
Wie aus der Anordnung ider Fig. 3 hervorgeht, ist :der Halbleiter mit invertiertem Spiin-Zustand des Teils 2 mit der positiven Klemme der Pumpquelle 14 und das Metall des Teils 2 mit .derRTI ID="0009.0234" WI="15" HE="4" LX="1679" LY="1683"> negativen Klemme der Pumpquelle 14 verbunden.
Wie bei ,den vorangehenden Anordnungen wirkt auf den Kör per 1 ein Magnetfeld ein, um die gewünschten Ener gieniveaus in jedem der Teile 2 und 3 des Körpers 1 zu erzeugen, welche .gemäss Fig. 5 die Energieniveaus 46 und 47 für das Galliumarsenid des Teils 2 und -die Energieniveaus 48 und 49 für das Metall des Teils 3 :
bilden. Die Arbeitsweise dieses Maiseis ist, nachdem er in das thermische Gleichgewicht @ge- ibracht worden ist, so, dass die Elektronen von den Energieniveaus 48 und 49 des Metalls des Teils 3 zu den invertierten Spin-Zustandsniveaus des Halb- leiteDs mit invertiertem Spin-Zustand de,s Teils. 2, .d. h.
zu den Energieniveaus 46 und 47, gepumpt werden. Da das Metall mehr Elektronen enthält als der Halbleiter mit umgekehrtem Spin-Zustand, enthält das obere Energieniveau 46 des Gallium- arsenides des Teils 2 nun die Elektronen, welche ur sprünglich im tieferen Energieniveau 49 !des Metalls des Teils 3 vorhanden waren,
und in analoger Weise .enthält nun :das tiefere Energieniveau 47 des Halb- leiters mit umgekehrtem Spin-Zustand des Teilas 2 die Elektronen des oberen Energieniveaus des Me- talls des Teils 3.
Daher ist infolge des Umstandes, dass das gut leitende Metall des Teils 3 mehr Elek tronen als der Halbleiterdes Teils 2 aufweist, Idas Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlen, welches im Metall vorhanden war, .nun zum Galliumarsenid ,des Teils 2 transferiert :
und in diesem invertiert wor den, so dass die Besetzung im Galliumarsenid einer negativen Temperatur entspricht. Die Verstärkung der elektromagnetischen Wellen, die mit Hilfe dies Empfangsorgans 36 und ides Zirkula-tors 37 i den Resonanzhohlraum 33 eingekoppelt werden,
ist dann möglich, wenn der Halbleiter mit invertiertem Spin- Zustand :des Teils 2 zur Emission angeregt wird, vorausgesetzt"dass die Frequenz dieser elektromagne- tischen Welle den richtigen Wert bezüglich :
der Eruer- giediffferenz 4E2 zwischen den Niveaus 46 und 47 .aufweist.
Der ,erfindungsgemässe Maser, welcher für die Verstärkung von Mikrowellen- und Infrarot-Frequen- zen bestimmt ist, kann so ausgebildet sein, dass er bei irgend einer Frequenz von 1010 bis unge- fähr 101s Hz arbeitet,
und er weist verschiedene Vorteile gegenüber bestehenden Masern auf, welche nur im Mikrowellen-Frequenzbereich .arbeiten. Zu nächst besteht keine Notwendigkeit für eine Hoch frequanzpumpe,
da die P-umpenergie durch eine Gleichstromquelle geliefert wird. Zweitens ist im Gegensatz zu bekannten Zwei-Niveau Masern cne Verstärkung nicht intermittierend,
und die konti- nuierliche Verstärkung wird durch idasbeschriebene Verfahren der Besetzungsinversion zustande gebracht.
Drittens und sehr wichtig :sind idie Temperaturan forderungen für den Verstärker im Mikrowellen- bereich. Wenn TB ,die Temperatur des Kühlmittels ist, welche .der Gleichgewichtstemperatur im Indnum- antimonid entspricht,
idann ist ;die effektive Spin- Temperatur T, im Silizium gegeben durch:
EMI0010.0128
Somit ist es möglich, ein Verhältnis der Besetzungs- zahlen von 9:
1 zu erhalten wie #m numerischen Beispiel für den Infrarot-Verstärker der Fig. 1, und zwar bei einer Badtemperatur von 36 K .anstatt von 1,25 K.
Tatsächlich würde ein Betrieb bei oder Temperatur des flüssigen Stickstoffes (77 K) ein Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlm von un- gefähr 2 : 1 im Silizzlumhalbleiter ergeben, was für die meisten Maser Zwecke .angemessen ist.
Daher wird. das Vorzeichen des g-Faktors verwendet, um eine Besetzungsinversion sowohl beim Mikrowellen-Maser als auch beim Infrarot-Maser zu erzeugen, und @die Grösse des Faktors wird verwendet, um cdie Frequenz- aufspaltung für den Infrarot Verstärker zu vergrö- Bern,
während beim Mikrowellen-Verstärker der grosse g -Faktor idazu dient, ,die effektive Betriebs- temperatur zu vermindern.
Bei der vorstehenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen des erfindungsgemässen Maiers werden Elektronen mit Hilfe einer Gleichstromquelle von einem ersten in ein zweites Material injiziert. Die Relaxationszeit, ,d. h. die von den Elektronen zur Rückkehr in :
das thermische Gleichgewicht be nötigte Zeit, spielt eine wichtige Rolle beim wirk samen Betrieb des vorstehend .beschriebenen Maiers. Der Maser russ im Zustand der negativen Tempv- ratur -gehalten werden zwecks Verstärkung eines an regenden
elektromagnetischen Feldes. Es russ aber kein Aufbau einer Raumladung vorhanden sein. Um dies zu erreichen, müssen die injizierten Elektronen aus dem zweiten Material (herausgeschafft werden, bevor der Körper zum thermischen Gleichgewicht zurückkehrt. :
Dies kann dadurch geschehen, dass man an dass zweite Material ein elektrisches Feld anlegt, um die Elektronen herauszuspülen.
Im Hinblick :auf :diesen Zweck sollte @dne Laufzeit durch das. zweite Material, verglichen mit der Relaxationszeit, klein sein.
Ein anderes Verfahren, um die injizierten Elek tronen wirksam zu entfernen, besteht darin, für. Idas zweite Material einen p-lentenden Halbleiter zu ver wenden.
In :diesem Fall sollte die Rekombinations- zeit der injizierten Elektronen und der Majoritäts- trägerlöcher kleiner sein .als die Thermalisierung s- oder Relaxationszeit der Elektronen.
Die vorstehende Beschreibung hat sich mit der Erzeugung invertierter Spin-Besetzungen in diskre ten Energieniveaus befasst, welche den Elektronen eines Materials zugeordnet sind. Man :
erkennt, dass .es auch möglich ist, invertierte Spin-Besetzungen in diskreten Energieniveaus zu erzeugen, welche Dona- tor-Fremdstoffen zugeordnet ,sind. Bei deiner solchen Anordnung werden Elektronen in ein pleitendes Halbleitermaterial, welches mit einer vorgegebenen Menge von Donato:
r-Fremdstoffen .stark dotiert ist; injiziert. Unter geeigneten Voraussetzungen werden die injizierten Elektronen durch die ionisierten Dona- tor-Zentren eingefangen,
.und die resultierende Spin- Niveaubesetzung der neutralen Donator-Zentren @ent- spricht derjenigen der injizierten Elektronen.
Bei ,einem Maser dieser Art :ergibt sich beispielsweise im Fall von Silizium eine sehr lange Relaxations- zeit. Damit wird also Idas Problem der Relaxations- zeit weitgehend abgeschwächt.
Electromagnetic Wave Amplifier The present invention relates to an electromagnetic wave amplifier and, in particular, to an improved maser-type amplifier.
The term Maser is known to be an abbreviation for the expression Microwave A. amplification by Stimulated Emission. Of Ra @ diation. The amplification by a burl is dependent on the presence of discrete energy levels in a madium. In general, the <RTI
ID = "0001.0027"> Electron distribution among the possible energy levels in a medium in a state of thermal equilibrium, so that the occupation numbers of any two states obey the Boltzmann distribution, which is expressed by the following general formula:
EMI0001.0040
where N-9 is equal to the number of particles per unit volume in the state of higher energy and Ni is equal to the number of particles per unit volume in the state of lower energy, when the system is in thermal equilibrium, E is the energy difference between the two states,
k is equal to the Boltzmann constant (1.4 X 10-1c erg / .K) and T is the absolute temperature in K of the particle system.
Accordingly, in an atmospheric system, higher energy levels are less densely populated than lower energy levels. There is an exchange of electron occupations between the energy levels @ when electromagnetic waves are supplied to the medium, the frequency of which is related to the energy difference between,
two special energy levels. The relationship between the frequency of the electromagnetic waves and: the energy difference between the two energy levels is given by Planck's equation:
EMI0001.0088
where <I> h </I> is Planck's constant, <I> f </I> is the frequency emitted during the transition between the two energy levels, El is the energy of the higher energy level and E2 is the energy of the lower energy level .
A certain fraction of the electron occupation in the lower energy level absorbs radiation and is increased to the higher energy level and an equally large fraction of the el <B> ek </B> electron occupation in the higher energy level is excited and remitted radiation and <RTI
ID = "0001.0117"> drops to the lower energy level. In thermal equilibrium, at which there is a larger population of electrons in the lower energy level, the electromagnetic wave, when interacting with the medium, gives off energy that is attributable to the medium,
in order to have the net electron population from breath lower to higher energy level. The net result is my absorption of energy by the medium: the electromagnetic one. Wave.
If, on the other hand, there is a medium: in which, for a finite time, a higher energy level has a greater density of electron population than a lower energy level, there may be a net emission, i. H.
Incident electromagnetic waves, the operating frequency of which is in the correct relation to the energy difference of the energy levels, cause during: this finite time, @ that .at the operating frequency a greater power is emitted than is absorbed, so that:
an amplification of the electromagnetic waves results.
In order to amplify electromagnetic waves, there must therefore be a medium in which the electron occupation of the higher energy level is greater than that of the lower energy level, i.e. H.
there is an inversion or reversal of the electrons between the energy levels of the medium.
However, such a distribution of the electron occupation is not found in:
thermal equilibrium, and it corresponds to its negative value of the absolute temperature. Several methods have been used to achieve an inversion of electron occupation numbers between energy levels in a medium.
Such a method is used in the so-called two-level burl! A medium, which has two energy levels, is cooled to its temperature which is a few degrees above absolute zero, for example in a bath of liquid helium, with the intention of
to create a thermal equilibrium so that most of the electrons in the medium fall into the lower level of the two energy levels.
In order to reverse the ratio of the population numbers, the medium is subjected to a pump signal in the form of a high-power microwave pulse, which briefly raises the electrons to the higher energy level and thereby puts the medium in an excited state. In this excited state, the medium acts:
as an amplifier for a weak microwave signal, which has a frequency that is related to the difference in energy levels and is equal to that of the pump signal. The resulting energy gain is sub-emitting because it is the state required for maser gain, i.e. H.
the: excited state, only during a short time. Duration after the P: umpulse: lasts. After the P: umpuls the medvum slowly returns to thermal equilibrium through a relaxation process, id. H.
the lower energy level is in turn occupied more densely. Apart from the intermittent operation, which is inherent in this type of two-level burl, this burl proves to be unsuitable for amplification purposes.
since the working or operating time is usually a small fraction of the reset time.
Another method to achieve: the inversion of the occupation numbers and to avoid the disadvantage of the intermittent operation of the above-mentioned two-level maser is used in the case of the so-called three-level maser. This type of burl has the advantage <RTI
ID = "0002.0142"> take advantage of the fact that there are three energy levels in certain media. As with the ZwetNiveau-Maser, the medium is: cooled down in order to achieve a: large occupation difference between all three energy levels. In the medium becomes;
An alternating current pump signal is coupled in to generate an inverted electron occupation between at least two energy levels.
For example, the alternating current pump signal lifts electrons from the lowest energy level: to: the highest energy level, in such a way that there is an equal, saturated electron population in these levels.
In this state, either: the highest energy level has a greater electron population than the average energy level or the average energy level has a greater electron population than the lowest energy level, depending on the energy of the average energy level.
It can now be amplified by electromagnetic waves that have a frequency, the difference in energy levels between the mean energy level and the higher energy level or between the lower energy level:
and corresponds to the higher energy level, depending on which pair of levels the inversion: the occupation has. Under these circumstances, its continuous:
An electromagnetic wave is amplified because electrons can be pumped from the lowest energy level to the highest energy level in order to keep the medium in an excited state at all times, while the electromagnetic waves turn at the same time, intensified, so that:
the electrons, to be @excited, from the highest energy level to the medium energy level. to return. Although it is true that the three level maser enables continuous amplification, a pump signal is required which has a microwave frequency,
It is higher than that of the electromagnetic waves to be amplified. This fact leads to a complicated and costly installation and a limitation of the operating frequency .des Maiers.
The operation of such a Maier cannot be extended into the sub-millimeter wavelength range (lower infrared frequencies):
This is because of the requirement that the pump signal frequency must be higher than the frequency of the signal to be amplified, as currently known oscillators are not able to generate signals in the submillim, eter wavelength range.
The subject matter of the invention is an amplifier for electromagnetic waves, which has a body with several atomic energy levels and means to supply electromagnetic waves with a certain frequency to the body and to extract such waves from this body.
This amplifier is characterized by a source which supplies the body with a direct excitation current in order to generate a change in the electron population of the energy levels @,
so that at least one part of the body at the stated frequency has an occupation of the same level that corresponds to that at a negative absolute temperature.
According to one embodiment, a direct current source is provided for supplying the excitation energy in order to bring about an inversion of the electron population in a maser with two energy levels, that is to say electromagnetic waves in the subm:
millimeter range (lower infrared frequencies) .uiid nm microwave range can be amplified.
According to a further embodiment, a solid-state maser with two energy levels is provided, which has a body which contains a semiconductor with an inverted spin state and negative or abnormal g-factor and a material with positive or normal g-factor,
where the semiconductor and the said material are in practically continuous close contact, a DC pump source being shunted to the solid and the polarity of the signal from this DC source or the material selected for the semiconductor with inverted spin state is the operating frequency,
eneich des Maiers. The choice of a given material for semiconductors in the inverted spin state and valley material with a positive g-factor for a particular operating frequency range improves the operation of the maser in this particular frequency range.
The symbol g and the expression g factor, which are used in the present documents, relate to the spectroscopic splitting factor, which is equal to 2.0023 for free electrons and corresponds to the Landäschen splitting factor in atomic spectroscopy. The term g-factor sometimes becomes more magnetic
Called a splitting factor, @ because the energy is split up by a magnetic field.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, for example. In the drawing: -The Fig. 1 shows a partially in section dargestell th.
Amplifier for electromagnetic waves in infrared B; enelch in schematic form, Fig. 2 shows an energy level diagram to explain the method of operation:
of the amplifier according to Fig. 1, <B>, </B> Fig. 3 in schematic form a Ver stronger for electromagnetic waves sm micro waves frequency range, Fig. 4 an energiesive @ au-Diagnainm to he explaining a mode of operation:
of the amplifier according to FIG. 3 and FIG. 5 shows an energy level diagram to explain another possible mode of operation of the amplifier according to FIG. 3.
Before particular exemplary embodiments of the present invention are described in more detail, the general principle applied in the present invention should be briefly discussed, which leads to the choice and special shape of the materials which are used to achieve the required inversion:
the electron population corresponding to a negative value of the absolute temperature for amplification by induced emission.
The inventive Ver more used for electromagnetic waves, the paramagnetic resonance of the spins of conduction electrons in solids. First of all, free electrons should be considered, which are located in a magnetic field.
The field eliminates the spatial disorder of the electrons and causes the spin vectors to align themselves parallel or antiparallel to the magnetic field, with energy differences. In other words, the spin states of the lines,
processing electrons split into two Zeeman Sulb states or sub-levels. The energy difference between these two spin orientations is: given by the equation:
EMI0003.0164
wo, u Idas Bohrsehe magnet with the value 0;
927 X 10-20, erg / Gauss, is the previously defined magnetic splitting factor and H is the magnetic field strength in Gauss. As already mentioned, g for free electrons is equal to 2.0023 and has almost the same value for conduction electrons in metals and in most semiconductors.
Theoretical considerations, however, have predicted the existence of large negative g-factors in certain semiconductors, which have high mobility and a small effective mass. This is due to two facts;
bound in terms of the electrical energies in a magnetic field. First, the energy difference 4E is directly proportional to g and H.
However, there is a practical limit which makes it impossible to increase the magnetic field strength beyond a certain point. From Planck's equation it can also be seen that the energy difference is directly proportional to the frequency of the electromagnetic radiation that occurs when the energy is transferred between the two levels.
A large g-factor would significantly increase the separation of energy levels in a material and hence the frequency of the electromagnetic radiation. Second, Ida's sign determines the g factor i the relationship of the energy levels of spin orientation in the following way. Each of the Zeeman sub-
levels is characterized by a spin quantum number m of size 1/2, the sign of this quantum number being positive if the direction of the spin vector runs parallel to the applied field, and negative if it runs anti-parallel.
For: a material with a positive g-factor applies to the lower energy level m = -1/2, which corresponds to an antiparallel spin direction to the applied field.
For a material with a negative g-factor, however, m = -i- 1/2 for the lower energy level, which corresponds to a spin direction which runs parallel to the applied magnetic field. So turn: for a semiconductor with a negative or:
abnormal g factor, d. H. a semiconductor with an inverted spin state - the spins running parallel to the applied field are reduced in terms of energy and lie in the lower energy level, which results in an inversion of the energy levels of the two possible spin orientations.
When the material that makes up an atomic system is in thermal equilibrium, the usual distribution of electron occupation id of the Spn levels is present, id. H.
there is an excess of electrons in the lower energy state, regardless of whether the material has a negative or a positive g-factor.
The ratio or spin number between the upper and lower energy level can be derived from the above equation (1) and represented as follows:
EMI0004.0049
where El is the energy in the upper energy level and E2 is the energy in the lower energy level and Er and E2 are equal to E of equation (1). Now T id can be expressed by this equation as follows:
EMI0004.0064
The numerator of equation (5) is always positive, since the energy level Ei is by definition: greater than E2. Under normal circumstances, i.
H. in thermal equilibrium Ni is smaller than N2, and the term of equation (5) containing the natural logarithm is negative, so that a value results for T
which is greater than zero. If, on the other hand, there is a settlement inversion, so @ that there are a greater number of electrons in the upper energy level than in the lower energy level, i.e.
i.e., IV, is greater than N2, the denominator of equation (5) becomes positive, so that a negative temperature T results. If the desired inversion of the electron occupation numbers between the higher and lower energy levels for amplification by induced emission occurs, the absolute temperature has a negative value.
The inversion or electron deposition numbers can be improved and the operating frequency can be increased considerably by using semiconductors in:
It has large g-factors with an inverted spin state in connection with a material that has a positive g-factor. The use of a semiconductor with an inverted spin state allows the excess electrons to be pumped from the lower energy level of <RTI
ID = "0004.0138"> Material with a positive g-factor to the higher energy level of the semiconductors with an inverted spin state, whereby the necessary inverted electron population in the semiconductors comes about.
The ratio of the electron occupation numbers can be increased to this level, since the electrons move from a spin quantum level of an orientation in the material with a positive g-factor to a spin quantum level of
with the same orientation in the semiconductor with an inverted spin state, so that the transferred and the already existing electrons have the same spin orientation,
so that there is an increase in the occupation and not a decrease as a result of spin cancellation or cancellation. The large value of the g-factor and thus the energy level splitting or separation allows the amplification of electromagnetic waves in the infrared range and in the microwave range.
Usually small effective masses and considerable spin orbit splitting constants with regard to the magnitude of the energy difference lead to large negative values for the g-factors. Semiconductors do not have large numbers of atoms
also small energy differences and small effective masses for the electrons in the conduction band.
In order for the above considerations to be valid, it is necessary that Ida's minimum of the conduction band occur around Ida's maximum of the valena band in the middle or Brillouin zone. Semi-metal solids with a large atomic number,
in which the conduction band and Ida's valence band overlap and which have small effective masses for the carriers and large spin orbit coupling also have negative g-factors.
1 shows an embodiment of an amplifier according to the invention for the continuous amplification of electromagnetic waves in the infrared frequency range. A solid body per 1 with parts 2 and 3 forms a multiple energy level system with suitable action. Generally one has
of parts 2 or 3: a material with a normal g-factor, where g has a positive value, while or! other of parts 2 and 3 a material with an abnormal g-factor, i. H. .ein g with, negative value, i.e. a material with an inverted, spin state,
having.
Parts 2 and 3A are in close, and practically continuous, contact. In order to achieve this, the surfaces of the material of parts 2 and 3 in contact with the parts 2 and 3 can be grinded and polished using optical means so that these surfaces are as smooth as possible,
whereupon these upper surfaces are pressed against each other, for example with the help of a plasfüchsn, clamp 4, the intermediate surface 5 then being present between the parts 2 and 3. Thanks to the surface treatment of parts 2 and 3 and thanks to clamp 4, there are:
the two parts 2 and 3 in practically continuous contact, the intermediate surface 5 being closed practically airtight to the outside. The clamp 4 also ensures that the parts 2 and 3 cannot move against each other along the intermediate surface 5.
The body 1 in ider Fig. 1 contains a made of a non-ferrous metal, such as. B. Copper (Cu), Gold (Au), Silverf (Ag), Cesium (Cs) and Rubidium (Rd),
existing part 2 with a g-factor mwi- see -I- 1 and -! - 2 and a semiconductor with an inverted spin state, such as.
B. In- i; 1iiumantimonid (InSb), indium arsenide (InAs), gel = li! Umarsenid (GaAs), mercury telluride (HgTe), mercury selenide (HgSe), bismuth (B:
i) and Anti mon (Sb), existing part 3 with negative g-.F.actors. The materials of parts 2 and 3 are practically monocrystalline per se.
The body 1 lies within a Dewar's vessel 6, which has an evacuated space 7 between the walls 8 and 9 and the space 10 between the walls 9 and 11, the latter being intended for a coolant.
The coolant can consist of liquid nitrogen, but liquid helium is preferably used to cool the body 1 to a very low temperature, which is preferably in the vicinity of absolute zero. The cooling of the body 1 is desired in order to increase the ratio of the occupations between the lower and higher energy state for the spin orientation.
Another advantage that results from the cooling is that in each of parts 2 and 3 the scattering of electromagnetic waves due to grid waves or grid vibrations, which arise in a thermally moving solid, is negligible Value is decreased.
Furthermore, according to the above equation (4), the low temperature for Iden Maser produces a considerable gain in sensitivity! A magnetic field is generated by the pole pieces 12 and 13 in order to:
correctly orient the spins of the conduction electrons in the energy levels of the material of parts 2 and 3. Thus, through the magnetic field generated by the pole pieces 12 and 13 nm body 1, a multiple energy, enive, out system is generated,
namely two energy levels are generated in the metal barren part 2 and two energy levels in the semiconductor .mit inverted Sp.in part 3.
As already explained above, it is necessary to invert the electron occupation numbers in order to allow an amplification of electromagnetic waves through induced radiation emission. The ge desired inversion -the electron occupation numbers is achieved by excitation energy, which has a constant constant intensity, such as. B.
by the DC voltage of the battery 14, which is electrically connected to the electrodes 15 and 16, which are melted on the outside of the part 2 and 3, namely by known Ver drive.
The battery 14 is thus parallel to the body 1, the positive terminal being connected to the semiconductor of the part 3. The electrical connections from the terminals of the battery 14 to the electrodes 15 and 16 are made by means of ohmic or non-injecting contacts. With the help of a direct current pump (battery 14),
their terminals according to Fi, g. 1 are connected to the body 1, the desired inversion of the electron occupation numbers in the semiconductor of part 3 is generated, @ in order to continuously amplify electromagnetic waves in the infrared,
To enable frequency range through induced radiation emission.
The infrared electromagnetic waves can be coupled in an energy-exchanging manner with: certain energy levels in the body 1, d. H. the energy levels .des the semiconductor of the part 3 in the infrared maser to take this energy through a number of different optical devices.
An optical device is shown in Fig. 1 represents. It has a receiving organ z. B. in the form of a reflecting ssarabol mirror 17, which receives the infrared electromagnetic waves from a source around @diese .on a lens system 18 reflects,
which in the present case is represented by a single lens in order to bundle the incident electromagnetic waves into a beam which is radiated into the body 1 or coupled to excite it, so that an amplification of the electromagnetic waves takes place
when the electron occupation of certain energy levels of the body 1 is in the unstable state, d. H. corresponds to a negative value of the temperature. Of course, the vessel 6 must have suitable windows for the electromagnetic waves. Such windows are denoted by 6a and 6b.
Since it is not expedient to accommodate the body 1 in a cavity, as is the case with an arrangement that works in order to make the microwave amplifier frequency-selective, the body 1 and @dk coupling device are preferably used for the electromagnetic wave energy so arranged that the effective path length of the waves through:
The body 1 increases the wind in order in this way to increase the Q of the infrared amplifier and thereby the frequency selectivity of the amplifier. This increase in Q in the infrared amplifier can be achieved by passing the infrared wave through part 3 multiple times.
One way of achieving such multiple penetration of the infrared electromagnetic waves is to carefully adjust the angle of incidence of the output beam of the lens 18 so that the beam thus formed between the metal wall of the electrode 15:
and the highly polished surface of the RTI ID = "0005.0222" WI = "11" HE = "4" LX = "1518" LY = "2163"> metal of the part 2 is reflected back and forth at the interface 5. Correct setting and shaping of the optical system and the part 3, the body 1. And correct lighting of the part 3, it is possible, please include to achieve several thousand reflections .between the metal walls,
which are formed by the electrode 15 and the metal of the part 2: before the beam 1 exits the amplifier and reaches the mirror 19, from where it is reflected to an I.narcot detector 20, which consists for example of a Golay cell can.
The path length through the semiconductor of the part 3 of the body 1 can be further increased by using semi-silvered mirrors 21 and 22, which are arranged with respect to the semiconductor of the part 3 and the beam of infrared waves so that or beam. not just between metal walls,
which are formed by the electrode 15 and the metal of the part 2: is reflected, but also a number of times between the mirrors 22 and 21 before it exits the amplifier and reaches the mirror 19.
The mirrors 21 and 22 can each consist of a glass part 23, on which silver strips 24 are applied, which have a width and a mutual distance.
that 50 of the mirror surface reflect and the other 50% are translucent. The strips 24 - on the mirror 21 are arranged with respect to or strips 24 on the mirror 22 so that a reflection of light between these two mirrors,
of electrode 15 and the metal of part 2 to increase the number of passes of infrared energy through the semiconductor of part 3. In this example, the strips are arranged horizontally.
However, there is no reason not to arrange them in a vertical direction as long as the 1: 1 ratio of reflective to permeable surface is maintained in order to prevent the coupling of the infrared waves into the semiconductor of the splitter 3, the reflection between the mirrors 21 and 22 and to allow the transmission of infrared waves from mirror 22 to mirror 19.
In the foregoing, a means has been described to supply the body 1 with electromagnetic waves and to remove them, these waves having a frequency in the infrared range,
which is proportional to the difference between Aden energy levels in the semiconductor of part 3, if this has a negative temperature characteristic.
The mode of operation of the infrared maser of FIG. 1 provided with a direct current pump can be better understood with reference to the energy level diagram of FIG.
for which the material for part 3 is indium anfiimionide with a g factor of -58 and the material for test 2 is a non-ferrous metal with a g factor of -I- 2. When body 1 is exposed to the magnetic field,
the spin states of the conduction electrons of the metal of part 2 and of the indium antimonide semiconductor of part 3 are in the -at the Zeeman levels 25, 26 and 27, 28 on-. split.
It should be mentioned that Ida's energy level diagram in Fig. 2 is only illustrative and not a claim:
raises to show the relative amplitudes id of the energy levels 25, 26 and 27, 28 to scale, since the energies of 27 and 28 of the semiconductor of the part 3 are at a distance,
which is 29 times greater valley that of levels 25 and 26 of the Part 2 metal.
In addition, the diagram of Fig. 2 also makes no claim to show the relative positions of the energy levels 25 and 26 and the energy levels 27 and 28 to scale, since the energy levels 25, 26 can actually be higher or lower. than is expressed in FIG.
In fact, levels 25, 26 can forks one of levels 27, 28. The electron spins of the metal of part 2, which align themselves parallel to the applied magnetic field, have a positive spin quantum number m = -h 1 / and turn:
In terms of energy, it is raised to the higher energy level 25, while the electron spins, which are aligned antiparallel to the applied magnetic field, have a negative spin quantum number m = -1 / and are lowered in terms of energy to the lower energy level 26.
In the indium antimonide of part 3, as can be seen, the electron spins, which are aligned parallel to the applied magnetic field, have a positive spin quantum number m = -h 1 / and turn in terms of energy to the lower energy level 28, while the electron spins,
which .align themselves anti-parallel to the applied magnetic field, have a negative spin quantum number m = -1 / and are raised to the higher energy level 27 in terms of energy.
Thus, FIG. 2 shows the inversion of the spin quantum numbers in the semiconductor with the reverse spin state of the part 3, this inversion being determined by the polarity of the g-factor, as was explained above.
When the body 1 is placed in a German vessel 6 and brought to a temperature close to absolute zeroRTI ID = "0006.0239" WI = "12" HE = "4" LX = "1496" LY = "1415"> temperature @ab - Is cooled, the electrons are directed;
Setting of the energy levels in the body 1 to their stable state, namely in the metal of the part 2, the largest electron population occurring in the energy level 26, while in the semiconductor of the part 3 the largest electron population is present in the energy level 28.
Thus the electron occupation in the metal of part 2 and in the semiconductor, part 3, is in its usual stable state.
To achieve the necessary occupation inversion for Maser operation, the battery 14, id. H. the excitation energy source, connected according to FIG. 1, in order to cause the electrons in the metal of part 2 to flow from this part 2 into the semiconductor of part 3.
Thus, the direct current pump source, i. H. the battery 14 that the occupation excess energy level 26 passes through the intermediate surface 5, such as:
this in the fingertips. 2 is indicated by the dashed line 29, and reaches the higher energy level 27 of the semiconductor of part 3 and @that at the same time the electrons in the upper energy level 25 of the metal ides part 2 pass through the intermediate surface 5,
as is expressed by the dashed line 30 in FIG. 2, and arrive at the lower energy level 28 of the semiconductor, the part 3.
If the lattice structures of the metal of part 2 and of the semiconductor of part 3 are such that a few modulated spin transitions of electrons take place at the interface 5,
will that be in. Metal of part 2 is transferred into the semiconductor of part 3, and as a result the ratio of the electron occupation numbers in the semiconductor of part 3 is practically inversely proportional to the original ratio of the electron occupation numbers,
wel ches was present in the metal of part 2 before the pumping process. This reversal or inversion of the ratio of the electron occupation numbers is possible because the metal contains a significantly larger amount of electrons than;
the semiconductor of part 3, and the addition of a relatively large number of electrons to a relatively small number of electrons causes the material with the smaller number of electrons to assume an electron occupation value,
which is practically equal to the value of the greater number of electrons which are forced into this material.
As can be seen from FIG. 2, part 3 consists of indium antimonide with a g factor of -58 and part 2 consists of a metal with a g factor of + 2.
This results in an energy difference dE3 of the Zeeman levels of the semiconductor of part 3, which is 29 times greater than the energy difference dE2 of the Zeeman levels in the metal of part 2. The electrons that come from the metal of part 2 in the semiconductor of the part 3 are shifted, thus gain energy during their transition from energy level 26 to energy level 27.
The energy gain is made possible by the source of direct current excitation energy, i.e. by the battery 14. The effective result of the pump is that there is now a greater number of electrons at energy level 27 than at the lower energy level 28 in the semiconductor of: Part 3 and, as stated above, the semiconductor of part 3 has an inversion or electron population @ corresponding to a negative temperature.
Since the direct current pumping source is a source of continuous constant energy, the desired inversion of the electron population is maintained as long as the magnetic field, the cooling device and the battery 14 are effective or are in operation.
Maintaining the inversion of the electron population sm semiconductor of part 3 thus allows the continuous amplification of the infrared electromagnetic waves which pass through the semiconductor of part 3 thanks to any of numerous optical devices, one of which is shown in FIG.
In a practical embodiment of the amplifier according to FIG. 1, the body 1 consisted of the special material which .der descrip tion of FIG. 2 was required, and this body 1 was placed in a Dewar vessel 6.
The space 10 was filled with liquid helium in order to cool the body 1 to approximately 1.25 K. A magnetic field of around 20,000 Gauss was applied to this in order to bring about the oriented spin states of the conduction electrons.
Under these conditions, the energy levels 25 and 26 of the metal of part 2 have an energy difference of approximately 4 X 10-1s erg.
From this variable: by using the above equation (4) I can determine the ratio or electron occupation numbers in the metal of part 2 as follows:
EMI0007.0146
d. H. the ratio is approximately <I> one </I> electron in energy level 25 to nine electrons in energy level 26.
When the battery 14 according to FIG. 1 was connected, the conduction electrons of the metal of part 2 were driven through the interface 5 into the semiconductor of part 3, and provided that the conduction electrons encounter only slightly changing crystal properties in the transition, the truth is probability that the crystal lattice
Overturning or transitions of the spin induced, largely reduced. This can be ensured by choosing monocrystalline materials for the materials in parts 2 and 3,
so that there is no great difference between the lattice structures or both materials. Then not only the energy difference between the two energy levels 25 and 26 of the metal of the part 2 around the.
The ratio of the size of the g-factors! Of the semiconductor of part 3 and the metal of part 2 is increased, but the spin state (Ei), which has the smaller population in the metal of part 2, also has the lower energy In the semiconductor with the reverse spin of part 3,
because of the effect of the magnetic quantum number, through the interface 5. It was found that:
EMI0007.0215
where N3 is the electron occupation number of the energy level 27 and N4 is the electron occupation number in the energy level 28.
Thus there are nine times as many electrons in the upper energy level 27 as in:
lower energy level 28, which is an (effective RTI ID = "0007.0230" WI = "39" HE = "4" LX = "1194" LY = "2041"> electron spin temperature of approximately -36 K at a frequency of 1.7 X 10+ 12 Hz corresponds, which in turn equates to a fine wavelength of 200 m, which is thus in the upper (longer-wave)
Infrared frequency range. Thus, when infrared electromagnetic waves have been coupled into the body 1 in or in the manner described in FIG. 1 for the purpose of interacting with the energy levels 27 and 28 of the semiconductor of the part 3,
The electromagnetic wave gains energy through induced radiation emission from the semiconductor of part 3, so that the electromagnetic input wave is amplified.
The above-mentioned semiconductor materials n n * t negative g-factors are only to be evaluated as an example, Ida:
an infrared gain by using any semiconductor with reverse spin state with connection to a material, e.g. B. a metal, can be achieved. which has a normal - factor of about +2.
The infrared amplifier ider Fmg. 1 is particularly suitable for amplifying infrared frequencies, and the operating frequency can be adjusted by adjusting the magnetic field, which generates the orientation or Spn states of the conduction electrons,
being controlled.
The above-described maser with direct current pumping differs from known mars in that working ides Maier with direct current pumping is based on the conduction electrons and not on the fact that the electrons are more firmly attached to the lattice of the crystal:
are coupled - on which circumstance the worker known burl is based. Another advantage :
of the above-described Maier with pump operation stands in the ease with which .the frequency range of the amplifier can be changed from the microwave range to the infrared range. can, whereby the frequency change is only achieved by reversing the polarity of the battery,
which results in a population inversion mm part 2.
Fig. 3 shows an embodiment of the subject matter of the invention, which has the same components as the arrangement according to Fig. 1, which with:
the same transfer symbols are provided, <I> where </I> the arrangement according to FIG. 3 serves to amplify microwave frequencies. The Ma water according to FIG. 3 has a body 1 with two parts 2 and 3.
Part 2 contains a material with a positive - factor, such as
B. silicon, around ider part 3 a semiconductor with inverted spin state. As with reference to ade Füg. 1, the semiconductor of part 3 and the semiconductor with positive g factor are:
of part 2 in close contact, so that an intermediate surface 5 which is hermetically sealed to the outside is produced between the semiconductor of part 3 and the semiconductor of part 2.
This is done by optically grinding the surfaces that are to be brought into contact with each other, and by using the clamp 4 to move the materials of parts 2 and 3:
pressed together under pressure.
The body 1 lies with its magnetic field, which is generated by the pole pieces 12 and 13 shown, in order to orient the conduction electron spin states in the same way
as has been described with reference to Figs. The body 1 is also housed in my Dewar's vessel 6,
which an evacuated space 7 between the walls 8 and 9 and! a space 10 between the wall 9 and the metallic surface of a
Waveguide resonance cavity 33, which is tuned so that it absorbs electromagnetic waves during operation, the frequency of which is in the microwave range.
As with the arrangement according to FIG. 1, the cooling of the body 1 in the vessel 6 creates a thermal equilibrium for the electron occupation in the energy levels of the semiconductor in part 3 and in the semiconductor in part 2.
One source, in the present case: the battery 14, which supplies excitation energy, is coupled to the electrode 16 via an insulated conductor 34 with the electrode 15 and via the conductive wall of the cavity 33 and the conductor 35.
It can be seen that with the connection of the battery 14 selected in this way, the polarity of the battery with respect to the connection of the battery to the body 1 in FIG. 1 is reversed.
The positive terminal or battery 14 is connected to the material with a positive g-factor 'm part 2 and not to the electrode which is associated with the semiconductor with the inverted spin state: of part 3 in FIG .
As in the case of FIG. 1, the effect of the pump battery 14 is the necessary inversion of the electron population, id. H.
the negative tempe temperature for the amplification of electromagnetic waves in the microwave range to generate. The inversion of the electron occupation is no longer present in the semiconductor with the inverted spin state of part 3,
the inverted spin occupation is now present in the material of part 2,
which has Iden positive factor. The electromagnetic waves can be picked up by the same antenna 36 'and fed to the resonance cavity 33 via the circulator 37 and the transmission line 38,
so that the dictated microwave signal is present in the correctly tuned resonance cavity 33 and; is fed to the body 1 in order to excite the inverted electron bases in the semiconductor of the part 2 for the purpose of amplifying the electromagnetic waves.
After the electromagnetic waves have been amplified by the semiconductor, part 2, the waves are removed from the cavity 33 via the line 38 and the circulator 37, whereupon they can be fed to a detector 39 or some other useful device.
The mode of operation of the amplifier according to FIG. 3 can be better understood with reference to the energy level diagram in FIG.
The energy levels 40 and 41 represent the higher or lower energy level of the material with the positive --factor of part 2, which can be silicon, for example, if this is subject to the action of the magnetic field for the purpose of orientation:
which is subject to spin quanta. In an analogous way: the energy levels 42 and 43 represent the orientation of the spin states of the conduction electrons in the semiconductor with the inverted spin state of part 3,
when this is under the influence of the magnetic field. The semiconductor mentioned can be, for example, indium antimonide. The resulting energy level diagram is of the same type as the one in FIG.
and the same restrictions with regard to the scale apply as mentioned with reference to FIG.
When the body 1 is kept in thermal equilibrium by the vessel 6, there is a denser population of electrons in the energy level 43 than in the energy level. 42 of the semiconductor of part 3, and in the same way the energy level 41 has a greater electron population than: the energy level 40 of the semiconductor of part 2.
After application of the DC pump energy to the body 1, specifically with the polarity given in FIG. 3, the electron occupation of the energy levels 42 and 43 are driven through the intermediate surface 5, as shown in FIG. 4 by the dashed lines 44 and 45 is expressed.
As a result, the denser electron population of the energy level 43 is shifted to the energy level 40 of the semiconductor of the part 2 and at the same time the electron population of the energy level 42 of the semiconductor of the part 3 is shifted to the energy level 41 of the semiconductor of the part 2. If like: in the case:
1 and 2 at the interface 5 there are few induced spin transitions available: the occupancy ratio which is present during thermal equilibrium in the semiconductor of part 3 changes practically unchanged, but with an inverted relationship to Transfer half liter of part 2.
The energy difference dE3 between levels 42 and 43 is now reduced by a factor of 29. It should also be mentioned that in thermal equilibrium the number of electrons in the semiconductor of part 3 is much greater than the number of electrons
in the semi-conductor of part 2, and therefore if the electrons are transferred from energy level 40 to 43 and from level 42 to 41, is: the ratio of electrons im. Semiconductor of part 2 practically inversely proportional to the ratio of electrons in the semiconductor of part 3.
This results in a population inversion corresponding to a negative temperature in the semiconductor of part 2,
and an amplification of microwave energy can now take place through an interaction between the semiconductor of the part 2 and the electromagnetic wave, which via the receiving element 36 and the resonance cavity 33 in:
the body 1 is coupled. As before, the operating frequency is determined by:
the distance between the energy levels, which is directly proportional to the g-factor and the magnetic field. Thus, the operating frequency of the Maier according to Fig. 3 is in the microwave range,
Ida the energy level spacing in the material of part 2 with respect to the energy level spacing in the 3 nm part of the embodiment according to FIG. 1 has been reduced by a factor of 29,
is. This reduction in the energy level spacing by a factor of 29 results in a reduction in the frequency range of approximately 29 and thus a reduction in the operating frequency! In the microwave range.
Other variants are possible to achieve an amplification of the microwave energy. Instead of indium antimonide in part 3 it would be:
possible to use any or other materials mentioned above in connection with FIG. 1 with an inverted spin state, for example indium arsenide with a g factor of -18 and gallium arsenide with a g factor of -1, 6th
Instead of the silicon of part 2, graphite or germanium could be used.
The coolant. In the device according to Fig. 3 there can be liquid nitrogen, i.e. the temperature of the body 1 with the same large applied magnetic field as in the infrared maser compared to the:
The temperature required for the infrared amplifier can be increased by the ratio of the g-factors. It was found that an electron distribution in the order of magnitude of <B> 1: 9 </B>: can be obtained by immersing the body 1 in: a coolant which has a temperature of 36 K, which means that liquid nitrogen is used as a coolant.
FIG. 5 shows an energy level diagram for the mode of operation of another embodiment for the microwave amplifier according to FIG. 3, in which different materials are used for parts 2 and 3 of the body.
An inverted spin state semiconductor with a negative g-factor of -1.6, such as: e.g. B. gallium arsenide, forms part 2, and a metal with a g-factor of + 2 @ forms part 3 of FIG.
As can be seen from the arrangement in FIG. 3: the semiconductor with the inverted spin state of part 2 with the positive terminal of the pump source 14 and the metal of part 2 with .derRTI ID = "0009.0234" WI = "15" HE = "4" LX = "1679" LY = "1683"> negative terminal of the pump source 14 connected.
As in the preceding arrangements, a magnetic field acts on the body 1 in order to generate the desired energy levels in each of the parts 2 and 3 of the body 1, which, according to FIG. 5, the energy levels 46 and 47 for the gallium arsenide of the part 2 and -the energy levels 48 and 49 for the metal of part 3:
form. The functioning of this corn-egg, after it has been brought into thermal equilibrium @, is such that the electrons move from the energy levels 48 and 49 of the metal of the part 3 to the inverted spin state levels of the semiconductor with the inverted spin state de, s part. 2, .d. H.
to energy levels 46 and 47, are pumped. Since the metal contains more electrons than the semiconductor with the reversed spin state, the upper energy level 46 of the gallium arsenide of part 2 now contains the electrons which were originally present in the lower energy level 49! Of the metal of part 3,
and in an analogous way now contains: the lower energy level 47 of the semiconductor with the reversed spin state of part 2 the electrons of the upper energy level of the metal of part 3.
Therefore, due to the fact that the highly conductive metal of part 3 has more electrons than the semiconductor of part 2, the ratio of the electron occupation numbers that was present in the metal is now transferred to the gallium arsenide of part 2:
and inverted in this, so that the population in the gallium arsenide corresponds to a negative temperature. The amplification of the electromagnetic waves that are coupled into the resonance cavity 33 with the aid of the receiving organ 36 and the circulator 37 i,
is possible if the semiconductor with the inverted spin state: of part 2 is excited to emit, provided "that the frequency of this electromagnetic wave has the correct value with regard to:
the energy difference 4E2 between levels 46 and 47.
The maser according to the invention, which is intended for the amplification of microwave and infrared frequencies, can be designed so that it works at any frequency from 1010 to approximately 101s Hz,
and it has several advantages over existing measles, which only work in the microwave frequency range. At first there is no need for a high frequency pump,
since the pump energy is supplied by a direct current source. Second, unlike known two-level measles cne amplification is not intermittent,
and the continuous reinforcement is brought about by the described method of population inversion.
Third and very important: are the temperature requirements for the amplifier in the microwave range. If TB, is the temperature of the coolant which corresponds to the equilibrium temperature in the indium antimonide,
i is then; the effective spin temperature T, in silicon is given by:
EMI0010.0128
Thus it is possible to have a ratio of the occupation numbers of 9:
1 as #m numerical example for the infrared amplifier of Fig. 1, namely at a bath temperature of 36 K. Instead of 1.25 K.
In fact, operation at or at the temperature of liquid nitrogen (77 K) would result in a ratio of the electron occupation number of approximately 2: 1 in the silicon semiconductor, which is appropriate for most Maser purposes.
Hence will. the sign of the g-factor is used to generate a population inversion in both the microwave and infrared maser, and the size of the factor is used to increase the frequency split for the infrared amplifier
while in the case of microwave amplifiers, the large g factor serves to reduce the effective operating temperature.
In the above description of exemplary embodiments of the Maier according to the invention, electrons are injected from a first into a second material with the aid of a direct current source. The relaxation time,, d. H. those from the electrons to return in:
the thermal equilibrium required time plays an important role in the effective operation of the above described Maier. The burl soot in the state of negative tem- perature must be kept for the purpose of reinforcing an exciting one
electromagnetic field. But there must be no structure of a space charge. To do this, the injected electrons must be removed from the second material (before the body returns to thermal equilibrium.:
This can be done by applying an electric field to the second material in order to flush out the electrons.
With regard to: for this purpose @dne transit time through the second material should be small compared to the relaxation time.
Another method to effectively remove the injected electrons is to use for. The second material is to use a p-type semiconductor.
In: In this case the recombination time of the injected electrons and the majority carrier holes should be smaller than the thermalization or relaxation time of the electrons.
The above description has dealt with the generation of inverted spin populations in discrete energy levels which are assigned to the electrons of a material. Man:
recognizes that it is also possible to generate inverted spin occupations in discrete energy levels, which are assigned to donor foreign matter. With such an arrangement, electrons are deposited in a p-conducting semiconductor material, which with a given amount of Donato:
r-foreign substances. is heavily doped; injected. Under suitable conditions, the injected electrons are captured by the ionized donor centers,
.and the resulting spin level population of the neutral donor centers @ corresponds to that of the injected electrons.
With a maser of this type: in the case of silicon, for example, there is a very long relaxation time. Thus, Ida's problem of the relaxation time is largely weakened.