DE1235458B - Molekularverstaerker - Google Patents
MolekularverstaerkerInfo
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Description
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 Ev E2 und Ez
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 Ei dem Produkt
h · fs und der Abstand der Energieniveaus E1
und Es 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 fp wird die Besetzungszahln in den
einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf Es sich die Besetzungszahl von n3 auf nz'
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 fp 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, fs 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)
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
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DE1962S0080490 DE1235458B (de) | 1962-07-19 | 1962-07-19 | Molekularverstaerker |
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DE1962S0080490 DE1235458B (de) | 1962-07-19 | 1962-07-19 | Molekularverstaerker |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1235458B true DE1235458B (de) | 1967-03-02 |
Family
ID=7508911
Family Applications (1)
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DE1962S0080490 Pending DE1235458B (de) | 1962-07-19 | 1962-07-19 | Molekularverstaerker |
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DE (1) | DE1235458B (de) |
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1962
- 1962-07-19 DE DE1962S0080490 patent/DE1235458B/de active Pending
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