DE1235458B - Molekularverstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOls

DeutscheKl.: 21g-51/00

Nummer: 1235 458

Aktenzeichen: S 80490 DC d/21;

Anmeldetag: 19. Juli 1962

Auslegetag: 2. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Molekularverstärker, wie er beispielsweise für die Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen in den letzten Jahren bekanntgeworden ist.

Das allgemeine Prinzip eines Molekularverstärkers ist zwar in der Literatur schon hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis zunächst an Hand eines einfachen Beispiels nochmals kurz auf die Wirkungsweise eines derartigen Verstärkers eingegangen werden.

Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Ordinate die Energies' und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl η aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein alctives Material mit drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit E_v E₂ und E_z bezeichnet. Ihre Besetzung, darunter wird die Anzahl der jeweiligen Atome mit diesem Energiezustand verstanden, ist im thermischen Gleichgewicht so, daß die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die tieferen Energieniveaus. Die Verteilung entspricht einer Bolzmann-Verteilung und ist in der Fig. 1 mit B bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen den einzelnen Energieniveaus zukommen.

Beim Festkörper-Molekularverstärker, das ist ein Molekularverstärker, bei dem das aktive Material aus einem Festkörper wie Rubin od. dgl. besteht, wird die eine andere Aufspaltung in die einzelnen Energieniveaus, beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld entsprechender Orientierung und Größe, erzwungen. Das für die Aufspaltung maßgebliche Magnetfeld wird nun so gewählt, und es wird ein solches Material verwendet, daß der Abstand zwischen den EnergieniveausS₁ und E_i dem Produkt h · f_s und der Abstand der Energieniveaus E₁ und E_s dem Produkt h · f„ entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, /_s die Signalfrequenz und /p die Frequenz einer von außen zugeführten Pumpschwingung sind.

Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Drei-Niveau-Molekularverstärker geht nun etwa wie folgt vor sich. Mittels von außen zugeführter Pumpenergie der Frequenz f_p wird die Besetzungszahln in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf E_s sich die Besetzungszahl von n₃ auf n_z' erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem aktiven Material festliegt, verringert sich damit die Besetzung bei E₁ um den gleichen Betrag. Die Besetzung geht also fair E₁ zurück von H₁ auf H₁. Es ergibt somit für E₂ eine größere Besetzungszahl (n₂), als E₁ mit Molekularverstärker

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Dieter Roß, München

der neuen Besetzung«/ hat. Diesen Vorgang nennt man Invertierung, weil im Gegensatz zum Ausgangszustand sich jetzt mehr Atome angeregt im höheren Energieniveau E₂ befinden, als Atome auf dem Energiegrundniveau E₁ vorhanden sind. Wird nun eine äußere Signalschwingung mit der Frequenz/_s zugeführt, so gehen Atome mit dem Energiezustand E₂ in den EnergiezustandE₁ über. Gleichzeitig tritt auch eine gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes E₁ in den EnergiezustandJS₂ ein. Der Übergang von E₂ nach E₁ entspricht einer induzierten Emission des aktiven Materials auf der Frequenz/_s, während der Übergang von E₁ nach E₂ einer Absorption der induzierenden Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Pumpens erzwungene Besetzungsänderung des Energieniveaus E₁ überwiegt jedoch die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie der Frequenz/s vom aktiven Material emittiert wird, als einfallende bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz /_s in dem aktiven Material absorbiert wird. Durch die induzierte Emission verringert sich die Zahl der im Energieniveauii₂ befindlichen Atome, während sich die Zahl der im Energieniveauii₁ befindlichen Atome erhöht. Um die induzierte Emission aufrechtzuerhalten, werden mittels der von außen zugeführten Pumpenergie der Frequenz f_p Atome vom Energieniveauii₁ auf das Energieniveauii₃ angehoben. Vom Energieniveau Zs₃ fallen Atome durch Relaxation ohne induzierte Emission, aber unter Wärmeabgabe auf das Energieniveauii₂ ab und stehen dort für eine weitere induzierte Emission beim Übergang auf das Energieniveauii₁ zur Verfügung.

Das Drei-Niveau-System ist nur eines der möglichen Systeme, nach denen Molekularverstärker arbeiten können. Es gibt auch Systeme mit beispielsweise vier und mehr Niveaus, auf deren Erläuterung zur Vereinfachung hier nicht näher eingegangen werden soll, da sie analog arbeiten.

709 517/407

Als aktives Material wird, wie bereits erwähnt, meist Rubin verwendet, obwohl auch Rutil und andere derartige Materialien an sich geeignet sind.

Verstärkersystemen dieser Art ist zu eigen, daß das aktive Material eine gewisse Frequenzbandbreite der Übergänge hat und eine Erhöhung der im Verstärker für die Signalfrequenz zur Anwendung kommenden Frequenzbandbreite über diesen durch die Materialeigenschaften vorgegebenen Bandbreitewert hinaus eine erhebliche Verminderung der Verstärkung zur Folge hat.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, in diesem Grenzbereich bessere Werte der Verstärkung und/oder der Bandbreite zu erzielen. Der Frequenzgang der Verstärkung soll dabei die Charakteristik eines mehrkreisigen Filters mit ein oder zwei Durchlaßbereichen erhalten.

Ausgehend von einem Molekularverstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem mehrere Energieniveaus aufweisenden Material, die mittels einer Magnetisierungsvorrichtung aufgespaltet sind und dem Hochfrequenzenergie von Pumpfrequenz zur Invertierung von Niveaupaaren zugeführt wird, besteht die Erfindung darin, daß als aktives Material ein Kristall vorgesehen ist, in dem paramagnetische Ionen in wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen vorhanden sind, beispielsweise Rutil, und daß das aufspaltende Magnetfeld derart zu den Kristallachsen orientiert ist, daß die Energieniveau-Aufspaltung der paramagnetischen Ionen von wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen näherungsweise gleich ist, bei Rutil beispielsweise etwa 55° gegen die C-Achse und etwa 0° gegen die α-Achse für den Fall getrennt symmetrischer Energieniveaus beider paramagnetischer Ionen.

Ein neben anderem Material für die Zwecke der Erfindung gut geeignetes aktives Material ist beispielsweise ein Rutileinkristall mit entsprechender Dotierung. Ebenso wie bei Rubin beruht bei Rutil die für einen Molekularverstärker zu fordernde Eigenschaft der Aufspaltbarkeit von Energieniveaus darauf, daß einzelne Kristallgitterplätze statt des Metallions Titan mit einem anderen paramagnetischen lon, beispielsweise einem Chromion oder einem Eisenion, besetzt werden. Verwendet man beispielsweise Rutil in der bisher üblichen Orientierung einer seiner Kristallachsen zur Achse des Magnetfeldes in einem Molekularverstärker, so zeigt sich zunächst, daß die vorstehend erwähnte Bandbreite vergleichbar groß ist wie bei Rubin. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieser Wert darauf beruht, daß nur etwa die Hälfte der an Stelle von Titanionen in das Kristallgitter eingebauten paramagnetischen Ionen an dem Vorgang der Molekularverstärkung teilnimmt. Es beruht dies offenbar darauf, daß die einzelnen paramagnetischen Ionen an verschiedenen Plätzen im Kristallgitter eingebaut werden können. Zur Erläuterung dieser Verhältnisse ist in der F i g. 2 ein Elementarkristall aus einem Rutileinkristall dargestellt, der in dieser Weise dotiert ist. Man sieht, daß in dem Elementarkristall auf 10 Sauerstoffatome ohne die Dotierung 5 Metallatome kommen, die beim ungestörten, also nicht dotierten Kristall Titanionen, sind. Baut man durch Dotierung in ein derartiges Kristallgebilde beispielsweise Chromionen ein, so können sich diese nur an den Stellen I oder II in das Kristallgitter einfügen. Dadurch ist die Symmetrie

des Kristallfeldes für die beiden eingebauten paramagnetischen Ionen verschieden.

Bei den bekannten Molekularverstärkern, die beispielsweise Rutil mit Chromdotierung oder Eisendotierung als aktives Material verwenden, nimmt demzufolge wegen der dafür üblichen Magnetfeldorientierung nur ein paramagnetisches lon an der Molekularverstärkung teil. Es ist nämlich die Energieniveau-Aufspaltung für das andere paramagnetische lon wesentlich verschieden, weil die Aufspaltung für jedes Atom abhängig von der Richtung des Magnetfeldes gegen seine Symmetrieachse ist.

Wie sich weiterhin zeigen läßt, existiert aber eine Schar von Orientierungsachsen des Magnetfeldes, bezogen auf die in der F i g. 2 eingezeichneten Kristallachsen a und C, für die die Energieniveau-Aufspaltung beider eingebauter paramagnetischer Ionen wenigstens nahezu gleich ist. Wählt man demzufolge für den Molekularverstärkungsvorgang die Orientierung der Aufspaltungsmagnetisierung derart, daß sie mit einer der Achsen aus der Schar zusammenfällt, so nimmt an dem Molekularverstärkungsvorgang gegenüber der bisher üblichen Orientierung praktisch die doppelte Anzahl von paramagnetischen Ionen teil. Das bedeutet, daß die eingangs erwähnte Bandbreite bei Zugrundelegung gleicher Verstärkung etwa auf den doppelten Wert ansteigt. Man hat somit bei diesem Beispiel einen Molekularverstärker mit (wegen der zwei paramagnetischen Ionen I und II) zwei Energieniveaupaaren, innerhalb deren der Abstand der Energieniveaus wenigstens näherungsweise gleich ist und in Übereinstimmung mit dem Signalfrequenzbereich durch Wahl der Magnetisierungsstärke eingestellt werden kann.

Wählt man zusätzlich die Orientierung des Magnetfeldes so, daß die Energieniveau-Aufspaltung der Ionen (z. B. I und II) jeweils etwa symmetrisch ist, so hat man einen Molekularverstärker mit vier Energieniveaupaaren, innerhalb deren der Abstand der Energieniveaus wenigstens näherungsweise gleich ist und in Übereinstimmung mit dem Signalfrequenzbereich gewählt werden kann (F i g. 4).

Nachstehend wird die Erfindung näher erläutert.

Die Fig. 3 zeigt ersatzschaltbildmäßig einen Molekularverstärker. Dieser wird als Sechspol wiedergegeben, von dem je ein Anschluß zur Zuführung der Pumpenergie, der zu verstärkenden Signalenergie und der Entnahme der verstärkten Signalenergie dient. In der F i g. 3 ist dies durch die Angabe der entsprechenden Frequenzen angedeutet, und zwar bedeutet f„ die Pumpfrequenz, f_s die zugeführte Signalfrequenz und // die verstärkte Signalfrequenz. In dem Sechspol ist der eigentliche Verstärker enthalten, bestehend aus einem aktiven Material, das wenigstens vier Energieniveaus hat. Beispielsweise ist als derartiges Material der Edelstein Rutil geeignet, der aus mit dreiwertigem Chrom dotierten einkristallinen Titandioxyd besteht. Bringt man ein derartiges Material in ein Magnetfeld, und zwar derart, daß die C-Achse einen Winkel von 55° und die α-Achse einen Winkel von O⁰ mit der Magnetfeldrichtung bildet, so ergibt sich diese Aufspaltung.

In der F i g. 4 ist diese Aufspaltung an Hand von Zahlenwerten in einem Diagramm erläutert, wobei auf der Ordinate statt der Energie die entsprechende Frequenzangabe zu finden ist, weil die Frequenz über das Plancksche Wirkungsquantum im linearen Zusammenhang mit der Energie steht. Auf der Ab-

szisse ist in Kilogauß das Magnetfeld angetragen, welches den Rutilkristall durchsetzt.

Die stark ausgezogen eingezeichnete Kurvenschar gibt das Energieaufspaltungsverhalten des mit I bezeichneten Ions wieder, die gestrichelte das des mit II bezeichneten Ions. Bei der gewählten Orientierung, die durch Φ = 0 gekennzeichnet ist, wobei Φ der Winkel des Magnetfeldes gegen die kristallographische ß-Achse ist, sind die Energieaufspaltungen der an verschiedenen Gitterplätzen befindlichen Ionen wenigstens näherungsweise gleich. Bei anderen Orientierungen als Φ = 0 können die Energieaufspaltungen der an verschiedenen Gitterplätzen befindlichen Ionen unterschiedlich sein.

Wählt man ferner, wie in dem Beispiel, zusätzlich die Orientierung des Magnetfeldes so, daß es bei Φ = 0 mit der kristallographischen c-Achse näherungsweise den Winkel Θ = 55° bildet, dann sind außerdem die Aufspaltungen der Energieniveaus für jedes lon symmetrisch, d. h., es ist die Differenz zwischen den Kurven 1 und 2 einerseits sowie 3 und 4 andererseits für eine gewählte Magnetisierung gleich.

Je nach der genauen Wahl der Orientierung des Magnetfeldes kann erreicht werden, daß vier Übergänge, von denen je zwei zu einem lon gehören, mehr oder weniger genau in der Frequenz zusammenfallen.

Zur Vereinfachung der Beschreibung wird in folgendem nur von je zwei Übergängen gesprochen, wobei es sich jeweils um die zwei Übergänge eines Ions, z. B. des Ions I, handelt. Die Beschreibung gilt für das Verhalten der erfindungsgemäßen gleichzeitigen Ausnutzung eines zweiten Ions entsprechend.

Nimmt man für die Vormagnetisierung des Rutileinkristalls beispielsweise ein konstantes Magnetfeld H von 1 Kilogauß an, und legt man beispielsweise einen Winkel Θ von 55° zugrunde, so ist aus der Fig. 4 ersichtlich, daß dann der Frequenzabstand zwischen der stark ausgezogenen Kurve 1 und der stark ausgezogenen Kurve 2 ziemlich gut angenähert dem Frequenzabstand zwischen der stark ausgezogenen Kurve 3 und der stark ausgezogenen Kurve 4 entspricht. Um eine unterschiedliche Versetzung in den einzelnen Energieniveaus zu erhalten, ist in diesem Fall zusätzlich eine Abkühlung des Systems, vor allem des aktiven Materials, etwa auf die Temperatur von flüssigem Helium, das sind 4,2° Kelvin, erforderlich. Führt man Pumpfrequenzenergie zu, deren Frequenz dem Frequenzabstand zwischen der Kurve 1 und der Kurve 4 entspricht, dann tritt im Energieniveau 1 eine Besetzungsminderung und im Energieniveau 4 eine Besetzungserhöhung ein. Die Energieniveaus 2 und 3 bleiben hinsichtlich der Besetzung unverändert. Resultierend hat dann das Energieniveau 4 eine stärkere Besetzung als das Energieniveau 3 und das Energieniveau 2 eine stärkere Besetzung als das Energieniveau 1. Durch induzierte Emission (Zuführen einer zu verstärkenden Signalfrequenzspannung, deren Frequenz dem Frequenzwert zwischen den Kurven 1 und 2 bzw. 3 und 4 wenigstens näherungsweise entspricht) wird ein Ausgleich zwischen den Energieniveaus 4 und 3 einerseits und den Energieniveaus 2 und 1 andererseits gleichzeitig in Gang gesetzt. Das hat eine Abstrahlung von Energie aus dem aktiven Material zur Folge, deren Frequenz den Frequenzabständen zwischen den Kurven 1 und 2 einerseits und den Kurven 3 und 4 andererseits entspricht. Diese ab-

gestrahlte Energie wird dem Molekularverstärker als verstärkte Energie mit der Frequenz // entnommen.

Die erläuterte Methode der Einstrahlung von Pumpenergie zur Besetzungsänderung der Niveaus 1 und 4 ist durch ihre Einfachheit besonders vorteilhaft. Es ist allerdings auch möglich, diese Besetzungsänderung auf andere Weise zu erzwingen, beispielsweise durch gleichzeitiges Einstrahlen von zwei verschiedenen Pumpfrequenzen und andere an sich bekannte Methoden, doch soll auf diese anderen Methoden deshalb hier nicht näher eingegangen werden, weil sie für das grundsätzliche Verständnis der Erfindung an sich nicht erforderlich sind. Es kommt is nur darauf an, daß man mehrere Niveaupaare schafft, die man gleichzeitig ausnutzt.

Die gleichzeitige Ausnutzung mehrerer Niveaupaare ist in vielfältiger Weise vorteilhaft. Diese Beispiele werden nachstehend behandelt, wobei an Stelle des Energieniveau-Abstandes bzw. Frequenzabstandes der F i g. 4 nur mehr von Resonanzen gesprochen wird.

Der einfachste Fall ist der, bei dem beide dieser Resonanzen genau zusammenfallen. Im Vergleich zum Drei-Niveau-Molekularverstärker ist dann die Zahl der für die Verstärkung zur Verfügung stehenden Spins und damit auch die Verstärkung bei zwei Ionen viermal so hoch. Voraussetzung ist allerdings, daß die UbergangswahrscheinHchkeit für ein Signal bestimmter Polarisation in beiden Niveaupaaren gleich groß ist. Das ist, wie vorstehend gezeigt, für bestimmte Polarisationsrichtungen und für bestimmte Orientierungen des Kristalls, beispielsweise Rutil, leicht zu erreichen.

Werden Arbeitspunkte und Orientierung jedoch so gewählt, daß nur ein invertiertes Niveau merkliche Ubergangswahrscheinlichkeit hat, so kann das zweite invertierte Niveau als Reservoir dienen, das durch Kreuzrelaxation einer Sättigung des verstärkenden Niveaus bei hohem Signalpegel entgegenwirkt. In diesem Fall wird der maximal erreichbare Signalpegel gegenüber dem Fall des Drei-Niveau-Molekularverstärkers etwa verdoppelt bzw. vervierfacht. Um genügende Freiheit in der Wahl des Arbeitspunktes zu haben, ist es vorteilhaft, wenn das Material nicht nur einen einzigen Arbeitspunkt mit symmetrischen Niveaus hat, wie dies bei Rubin, Kalium-Kobaltcyanid und Gadolinium-Äthylsulfat der Fall ist. Bei orthorhombischen Substanzen, wie Rutil, mit

So zwei ausgezeichneten Achsen, gibt es zu jedem Winkel Φ einen passenden Winkel Θ, für den die Niveaus symmetrisch liegen. Gleichzeitig ist bei diesen Kristallen die Übergangswahrscheinlichkeit 1-4 größer als bei den Kristallen höherer Symmetrie.

Bei gegebener Inversion eines Niveaupaares ist die Verstärkung der Übergangsfrequenz proportional der quantenmechanischen Übergangswahrscheinlichkeit. Diese Größe ist eine Funktion der Aufspaltung, wie sie durch das Material, das Magnetfeld nach Größe und Richtung und die quantenmechanischen Eigenschaften des speziellen Niveaupaares gegeben sind.

Beispielsweise ist bei Rubin für eine Betriebsweise, bei der die Aufspaltung des Niveaupaares 4-3 etwa gleich der des Niveaupaares 2-1 ist, für Frequenzen unterhalb 10 GHz die Übergangswahrscheinlichkeit im Übergang 2-1 kleiner als im Übergang 4-3, so daß sich unterschiedliche Verstärkungen bei gleicher Inversion erreichen lassen.

Claims (4)

Für Materialien mit zwei magnetischen Achsen, wie Rutil, ist die Möglichkeit, verschiedene oder gleiche Übergangswahrscheinlichkeiten zu wählen, für einen großen Frequenzbereich gegeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die beiden erwähnten Resonanzen durch geringe Abweichung aus der Symmetrielage um weniger als eine Bandbreite verstimmt werden. Unter der Bandbreite wird dabei der Frequenzbereich verstanden, innerhalb dessen sich die Signalfrequenz ändern darf, um jeweils vom Maximum aus um 3 Dezibel in der Amplitude abzufallen. In diesem Fall wirkt der Molekularverstärker wie ein Verstärker mit Bandpaßcharakteristik, der eine vergrößerte Bandbreite bei versteilerter Bandbegrenzung hat. Diese Anordnung hat Vorzüge gegenüber anderen bekannten Methoden der Bandbreitenvergrößerung. Die Bandbreite könnte auch durch Erhöhung der Chromkonzentration vergrößert werden, doch wird dabei die Relaxationszeit untrag- ao bar kurz. Gleichzeitig mit der Signalbandbreite wächst auch die Bandbreite des Pumpübergangs, so daß eine geringere Sättigung auftreten kann. Die Pumpleistung steigt, außer wegen der kürzeren Relaxationszeiten, auch wegen der größeren Zahl as der Spins. Die Bandbreite könnte auch vergrößert werden, indem in an sich bekannter Weise das Magnetfeld inhomogen ausgebildet wird. Dabei wird aber die Verstärkung kleiner, und im allgemeinen wird auch die Pumpbandbreite größer. Man benötigt in diesem Fall in der Regel mehrere entsprechend unterschiedliche Pumpfrequenzen. Bei Anwendung der Lehre nach der Erfindung läßt sich die Bandbreite ohne Vergrößerung der Resonanzbandbreite und ohne Herabsetzung der Relaxationszeit und der Verstärkung vergrößern. Vorteilhaft kann diese Anordnung in einem für die Verstärkung eines breiten Frequenzbandes bestimmten Verstärker verwendet werden. Hier ist es besonders wichtig, zur Erzielung nichtreziproker Verstärkung Freiheit in der Wahl der Übergangswahrscheinlichkeit beider Resonanzen zu haben, weshalb hierfür Kristalle niedriger Symmetrie günstig erscheinen. Die Verstimmung der beiden Resonanzen kann vorteilhaft auch größer als eine Bandbreite gewählt werden. In diesem Fall kann der Molekularverstärker zur gleichzeitigen Verstärkung zweier Frequenzbänder herangezogen werden. Die Ausnutzung unterschiedlicher Übergangswahrscheinlichkeiten in beiden Resonanzen gibt weiterhin die Möglichkeit unterschiedlicher Verstärkungsfaktoren und Bandbreiten sowie einer räumlichen Entkopplung der beiden Signalausgänge. Durch den Wegfall der Kreuzrelaxation sind unterschiedliche Inversionen der beiden Resonanzen möglich. Unter Ausnutzung unterschiedlicher Übergangswahrscheinlichkeiten kann z. B. in einer Wanderfeldanordnung das eine Niveaupaar nichtreziprok breitbandig verstärken, das andere in einer Hohlraumschwingungsart als Oszillator schwingen. Es ist in diesem Zusammenhang vor allem an folgende Anwendungen gedacht: 65 a) Aus der Frequenz der schwingenden Resonanz kann ein Signal zur Nachstimmung des Molekularverstärkers abgeleitet werden, da die Fre- quenzen der beiden invertierten Niveaus in bekannter Weise bei Änderung der Orientierung und des Magnetfeldes miteinander gekoppelt sind. Dies wird wichtig, wenn der Signalpegel so niedrig liegt, daß daraus keine Nachstellgröße abgeleitet werden kann. b) Es ist auch möglich, durch nichtlineare Prozesse eine Mischung der beiden Frequenzen in dem Kristall auszunutzen. Beim Durchstimmen des Molekularverstärkers kann die Differenz der beiden Frequenzen nahezu konstant gehalten werden. Die Erfindung ist grundsätzlich auch in der Weise realisierbar, daß sie bei Molekularverstärkern mit mehr als vier Energieniveaus zur Anwendung kommt. Dabei können, eventuell unter Benutzung mehrerer Pumpfrequenzen, auch mehr als zwei Niveaupaare invertiert werden. Die Verwendung eines Materials mit mehr als vier Niveaus bietet in manchen Fällen gewisse Vorteile: a) Es können Pumpübergänge des Typs 1-3, 3-5 usw. benutzt werden, deren Übergangswahrscheinlichkeit größer ist als die von Übergängen des Typs 1-4. b) Es sind Doppelinversionen möglich, bei denen die Übergangswahrscheinlichkeit in beiden Resonanzen, unabhängig von der Signal-Polarisation, gleich groß sind. Cr3+ in Rutil hat eine sehr große Nullpunktaufspaltung (43 GHz gegen 11,3 GHz bei Rubin). Für eine Signalfrequenz von 5 GHz sind damit Pumpübergänge vom Typ 1-4 möglich, deren Wahrscheinlichkeit ein Drittel bis die Hälfte der Übergangswahrscheinlichkeit für 1-3 oder 2-4 erreicht. Gleichzeitig existiert in Rutil als orthorhombischer Substanz eine dichte Schar von Orientierungen mit symmetrischen Niveaus. Die benötigte Pumpfrequenz liegt bei rund 50 GHz. Eisen ist als aktives Element in einem Drei-Niveau-Molekularverstärker bisher wenig verwendet worden, da von seinen sechs Niveaus jspin = J-j nur die Hälfte ausgenutzt werden konnte. Es ist grundsätzlich wegen seines kleinen Kernspins und der damit verbundenen geringen Hyperfeinstruktur der Zeemanniveaus für einen Molekularverstärker sehr gut geeignet. In einem Doppelmolekularverstärker können vier oder fünf der Niveaus benutzt werden, so daß es dafür als aktives Element besonders interessant erscheint. Bei dem der Erläuterung der Erfindung dienenden Ausiuhrungsbeispiel ist als aktives Material Rutil, das mit paramagnetischem Chrom dotiert ist, vorgesehen. An Stelle von Rutil sind auch andere aktive Materialien mit entsprechenden Dotierungen verwendbar, wenn in ihnen paramagnetische Ionen in wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen vorhanden sind. Patentansprüche:

1. Molekularverstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem mehrere Energieniveaus aufweisenden Material, die mittels seiner Magnetisierungsvorrichtung auf-

gespaltet sind, und dem Hochfrequenzenergie von Pumpfrequenz zur Invertierung von Niveaupaaren zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als aktives Material ein Kristall vorgesehen ist, in dem paramagnetische Ionen in wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen vorhanden sind, und daß das aufspaltende Magnetfeld derart zu den Kristallachsen orientiert ist, daß die Energieniveau-Aufspaltung der paramagnetischen Ionen von wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen wenigstens näherungsweise gleich ist.

2. Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des aufspaltenden Magnetfeldes zusätzlich derart gewählt ist, daß wenigstens nahezu symmetrische Energieniveaupaare gebildet werden.

3. Molekularverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des aufspaltenden Magnetfeldes derart gewählt ist, daß die Energieniveau-Aufspaltung der paramagnetischen Ionen von wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen nur so weit näherungsweise gleich ist, daß für die Verstärkung die Charakteristik eines mehrkreisigen Bandpasses erhalten wird.

4. Molekularverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des aufspaltenden Magnetfeldes derart gewählt ist, daß die Energieniveau-Aufspaltung der paramagnetischen Ionen von wenigstens zwei verschiedenen Kristallgitterplätzen nur so weit näherungsweise gleich ist, daß eine Verstärkung in zwei getrennten Frequenzbändern auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 517/407 2.67 © Bundesdruckerei Berlin