DE1269744B - Molekularverstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIs

Deutsche Kl.: 21g-51/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 269 744
P 12 69 744.8-35
16. Juli 1962
6. Juni 1968

Molekularverstärker

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

Das Arbeitsprinzip 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 F i g. 1 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Ordinate die Energie E und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl η aufgetragen ist. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein aktives Material mit drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit E₁, E₂ und E_s 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 Boltzmann-Verteilung und ist in der F i g. 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 Aufspaltung in die einzelnen Energieniveaus beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld entsprechender Orientierung und Größe erzwungen. Die Aufspaltung wird nun so gewählt oder es wird ein solches Material verwendet, daß der Abstand zwischen den Energieniveaus E₁ und E₂ dem Produkt h - f_s und der Abstand der Energieniveaus E₁ und E₃ dem Produkt h · f_p entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, fs die Signalfrequenz und f_p die Frequenz einer von außen zugeführten Pumpschwingung bedeutet.

Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Drei-Niveau-Molekularverstärker geht nun etwa wie folgt vor sich: Mittels von außen zugeführter Pumpenergie wird die Besetzungszahl η in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf E₃ sich die Besetzungszahl von n_s auf n_s' 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 für E₁ zurück von Jt₁ auf H₁'. Es ist somit für E₂ eine größere Besetzungszahl (n₂) erzwungen als für E₁, das die Besetzung Ti₁ hat.

Wird nun eine äußere Signalschwingung mit der Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Dieter Röß,

8000 München

Frequenz /, zugeführt, so gehen Atome mit dem Energiezustand E₂ in den Energiezustand E₁ über. Gleichzeitig tritt auch eine gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes E₁ in den Energiezustand E₂ ein. Der Übergang von E₂ nach E₁ entspricht einer induzierten Emission des aktiven Ma-

terials auf der Frequenz f_s, während der Übergang von E₁ nach E₂ einer Absorption der induzierenden Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Pumpen s erzwungende Besetzung der Energieniveaus E₁ und E₂ 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 f_s in dem aktiven Material absorbiert wird.

Das Drei-Niveau-System ist eines der möglichen Systeme, nach denen Molekularverstärker arbeiten können. Es gibt auch Systeme mit vier und mehr Niveaus, bei denen das untere Energieniveau des Pumpüberganges und das untere Energieniveau des Übergangs für die induzierte Emission nicht zusammenfallen, was eine bessere Ökonomie des Pumpprozesses ermöglicht.

Es ist beispielsweise ein Vier-Niveau-System mit einer Aufspaltung in zwei Energieniveaupaare bekannt, die von der Orientierung des aktiven Kristalls in einem Magnetfeld und dessen Stärke abhängt.

Verstärkersystemen dieser Art ist zu eigen, daß das aktive Material eine gewisse Frequenzbandbreite jedes Übergangs hat und für die Verstärkung der Signal-

energie nur die Bandbreite eines Übergangs und die diesem Übergang in seinem oberen Energieniveau zugeordneten Moleküle zur Verfügung stehen. Eine Erhöhung der im Verstärker für Signalfrequenz zur Anwendung kommenden Frequenzbandbreite über

So diesen durch die Materialeigenschaften vorgegebenen Bandbreitenwert hinaus hat eine erhebliche Minderung der Verstärkung zur Folge.

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Dies trifft auch für zwei bekannte Molekular- hafter Weise das aktive Material und seine Aufspaltung Verstärker zu, bei deren einem die Inversion eines derart gewählt sein, daß die Übergangswahrschemlich-Signalübergangs durch Einwirkung der Pumpenergie keiten für die einzelnen Energieniveaupaare verschiein verschiedene Übergänge des Systems erfolgt und den sind.

bei deren anderem infolge der Ausnutzung der 5 Nachstehend wird die Erfindung näher erläutert, Spinkopplung die Pumpfrequenz kleiner als die und zwar an Hand eines Molekularverstärkers mit Signalfrequenz sein kann. zwei Energieniveaupaaren.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu- Die F i g. 2 zeigt ersatzschaltbildmäßig einen Molegrunde, der genannten Schwierigkeit zumindest in der kularverstärker. Dieser wird in dem Ersatzschaltbild Weise zu begegnen, daß bessere Verstärkungswerte er- io als Sechspol wiedergegeben, von dem je ein Anschluß zielt werden, wenn in diesen Grenzbereich übergegangen zur Zuführung der Pumpenergie und der zu verwird. Weiterhin ist es relativ störend, daß an dem stärkenden Signalenergie sowie der Entnahme der Verstärkungsvorgang nur ein kleiner Anteil der verstärkten Signalenergie dient. In der F i g. 2 ist Atome des aktiven Materials teilnimmt, und eine dies durch die Angabe der entsprechenden Frequenzen weitere, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe *5 angedeutet, und zwar bedeutet f_p die Pumpfrequenz, besteht darin, diesen Anteil zu erhöhen. /_s die zugeführte Signalfrequenz und // die verstärkte

Ausgehend von einem Molekularverstärker für sehr Signalfrequenz. In dem Sechspol ist der eigentliche kurze elektromagnetische Wellen mit einem aktiven Verstärker enthalten, bestehend aus einem aktiven Material mit wenigstens vier Energieniveaus, die vor- Material, das wenigstens vier Energieniveaus hat. zugsweise mittels einer Magnetisierungsvorrichtung 20 Beispielsweise ist als derartiges Material der Edelstein aufgespalten sind und denen Pumpenergie zur In- Rubin geeignet, der aus mit dreiwertigem Chrom vertierung von Niveaupaaren zugeführt wird, besteht dotiertem einkristallinem Aluminiumoxyd besteht, die Erfindung darin, daß die Aufspaltung der Energie- Bringt man ein derartiges Material in ein Magnetfeld, niveaus in dem aktiven Material derart gewählt ist, und zwar derart, daß die an sich in ihrer Orientierung daß der Energieabstand in wenigstens zwei Energie- «5 bekannte C-Achse des Kristalls einen Winkel von niveaupaaren kleiner ist als der Energieabstand der beispielsweise 50 bis 55° mit der Magnetfeldrichtung Niveaus, zwischen denen die Pumpenergie wirksam bildet, so ergibt sich diese Aufspaltung, ist, und daß die beiden Niveaus, zwischen denen die In der F i g. 3 ist diese Aufspaltung an Hand von

Pumpenergie wirksam ist, derart gewählt sind, daß Zahlenwerten in einem Diagramm erläutert, wobei auf die wenigstens zwei durch Aufspaltung gewonnenen 3° der Ordinate statt der Energie die entsprechende Energieniveaupaare zugleich invertiert werden. Frequenzangabe zu finden ist, weil die Frequenz über

Zur Verstärkung von Sjgnalenergie stehen demnach das Plancksche Wirkungsquantum im unmittelbaren erfindungsgemäß zwei Übergänge zur Verfügung, Zusammenhang mit der Energie steht. Auf der Abszisse deren obere Energieniveaus jeweils für die induzierte ist in Kilogauß das Magnetfeld angetragen, welches Emission bereitstehende Moleküle enthalten, wodurch 35 den Rubinkristall durchsetzt. Für das durch stark eine größere Verstärkung und/oder Bandbreite ermög- ausgezogene Kurvenscharen angedeutete Aufspaltungslicht wird. verhalten der Energieniveaus gilt ein Winkel von etwa Ist der Signalfrequenzbereich gleich oder kleiner 55° und für die gestrichelt ausgezogenen Kurven ein als der Frequenzbereich der invertierten Energieniveau- Winkel von etwa 50°.

paare, ist es vorteilhaft, wenn bei einem Material mit 40 Wie man aus der F i g. 3 erkennen kann, sind die wenigstens zwei Energieniveaupaaren der Abstand der Aufspaltungen der Niveaupaare 1, 2 und 3, 4 für einen Energieniveaus innerhalb des Paares wenigstens nähe- Winkel von etwa 55° betragsmäßig etwa gleich, rungsweise gleich gewählt ist. Für einen Winkel von 50° weichen sie betragsmäßig

Zur Erzielung einer vergrößerten Bandbreite ist es etwas voneinander ab. Für andere Winkelwerte vorteilhaft, wenn bei einem Material mit wenigstens 45 können die Aufspaltungen wesentlich mehr verzwei Energieniveaupaaren die Aufspaltung derart schieden sein. Das geeignete Aufspaltungsverhalten vorgesehen ist, daß der Abstand innerhalb des ein- läßt sich somit durch Wahl des Winkels zwischen der zelnen Paares für die einzelnen Paare unterschiedlich Kristallachse und dem Magnetfeld in gewissen und in Übereinstimmung mit dem Signalfrequenz- Grenzen frei wählen.

bereich gewählt ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn 5o Unter der C-Achse wird im vorliegenden Fall die der Unterschied wenigstens eine Linienbreite beträgt optische Achse verstanden. Das ist bei Rubin deshalb und wenn außerdem für beide Energieniveaupaare zulässig, weil der Rubin-Einkristall nur eine einzige äußere Signalfrequenzkreise vorgesehen sind. ausgezeichnete optische Symmetrieachse hat und weil

Zwar ist bereits ein Molekularverstärker bekannt, die magnetische Symmetrieachse dieses Kristalls mit bei dem eine Bandbreitevergrößerung der Linie des 55 dieser ausgezeichneten optischen Symmetrieachse zuaktiven Materials erreicht wurde. Dies wurde jedoch sammenfällt. Bei anderen Kristallen können die Verdurch eine magnetische Verstimmung eines einzigen hältnisse je nach der Kristallstruktur abgewandelt Übergangs in einem inhomogenen Magnetfeld bewirkt, sein, und es ist dann die entsprechende Kristallwobei verschiedene Signalfrequenzen in verschiedenen Stellung beispielsweise experimentell auffindbar, räumlichen Bereichen des Magnetfeldes verstärkt 6° Nimmt man beispielsweise für die Vormagnetiwerden. sierung des Rubin-Einkristalls ein konstantes Magnetin Weiterbildung der Erfindung lassen sich vorteil- feld H von 1 Kilogauß an und legt man beispielsweise haft die Bandbreiten der einzelnen Signalfrequenz- einen Winkel von 55° zugrunde, so ist aus der F i g. 3 kreise derart unterschiedlich wählen, daß für eine ersichtlich, daß dann der Frequenzabstand zwischen der Signalfrequenzen bei Zuführung der Hoch- 65 der stark ausgezogenen Kurve 1 und der stark ausfrequenzenergie von Pumpfrequenz Selbsterregung gezogenen Kurve 2 ziemlich gut angenähert dem auftritt. An Stelle dieser unterschiedlichen Bandbreite- Frequenzabstand zwischen der stark ausgezogenen wahl oder auch zusätzlich hierzu können in vorteil- Kurve 3 und der stark ausgezogenen Kurve 4 ent-

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spricht. Um eine unterschiedliche Besetzung in den Bei gegebener Inversion eines Niveaupaares ist die

einzelnen Energieniveaus zu erhalten, ist in diesem Verstärkung der Übergangsfrequenz proportional der

Fall zusätzlich eine Abkühlung des Systems, vor quantenmechanischen Übergangswahrscheinlichkeit,

allem des aktiven Materials, etwa auf die Temperatur Diese Größe ist eine Funktion der Aufspaltung, wie

von flüssigem Helium, das sind 4,2° Kelvin, erforderlich. 5 sie durch das Material, das Magnetfeld nach Größe

Führt man Pumpfrequenzenergie zu, deren Frequenz und Richtung und die quantenmechanischen Eigen-

dem Frequenzabstand zwischen der Kurve 1 und der schäften des speziellen Niveaupaares gegeben sind.

Kurve 4 entspricht, dann tritt im Energieniveau 1 Beispielsweise ist bei Rubin für eine Betriebsweise,

eine Besetzungsminderung und im Energieniveau 4 bei der die Aufspaltung des Niveaupaares 4-3 etwa

eine Besetzungserhöhung ein. Die Energieniveaus 2 io gleich der des Niveaupaares 2-1 ist, für Frequenzen

und 3 bleiben hinsichtlich der Besetzung unverändert. unterhalb 10 GHz die Übergangswahrscheinlichkeit

Resultierend hat dann das Energieniveau 4 eine star- im Übergang 2-1 kleiner als im Übergang 4-3, so

kere Besetzung als das Energieniveau 3 und das daß sich unterschiedliche Verstärkungen bei gleicher

Energieniveau 2 eine stärkere Besetzung als das Inversion erreichen lassen.

Energieniveau 1. 15 Für Materialien mit zwei magnetischen Achsen,

Durch induzierte Emission — Zuführen einer zu wie Rutil, ist die Möglichkeit, verschiedene oder

verstärkenden Signalfrequenzspannung, deren Fre- gleiche Übergangswahrscheinlichkeiten zu wählen,

quenz dem Frequenzwert zwischen den Kurven 1 für einen großen. Frequenzbereich gegeben,

und 2 bzw. 3 und 4 wenigstens näherungsweise ent- Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die

spricht — wird ein Ausgleich zwischen den Energie- ao beiden erwähnten Resonanzen durch geringe Ab-

niveaus 4 und 3 einerseits und den Energieniveaus 2 und 1 weichung aus der Symmetrielage mit weniger als eine

andererseits gleichzeitig in Gang gesetzt. Das hat eine Bandbreite verstimmt werden. Unter der Bandbreite

Abstrahlung von Energie aus dem aktiven Material wird dabei der Frequenzbereich verstanden, innerhalb

zur Folge, deren Frequenz den Frequenzabständen dessen sich die Signalfrequenz ändern darf, um jeweils

zwischen den Kurven 1 und 2 einerseits und den 25 vom Maximum aus um 3 db in der Amplitude abzufallen.

Kurven 3 und 4 andererseits entspricht. Diese abge- In diesem Fall wirkt der Molekularverstärker wie

strahlte Energie wird dem Molekularverstärker als ein Verstärker mit Bandpaßcharakteristik, der eine

verstärkte Energie mit der Frequenz // entnommen. vergrößerte Bandbreite bei versteuerter Bandbegren-

Die erläuterte Methode der Einstrahlung von zung hat. Diese Anordnung hat Vorzüge gegenüber

Pumpenergie zur Besetzungsänderung der Niveaus 1 30 anderen bekannten Methoden der Bandbreitenver-

und 4 ist durch ihre Einfachheit besonders vorteilhaft. größerung. Eine Linienbreite von 50 MHz bei 0,1 °/o

Die gleichzeitige Invertierung mehrerer Niveaupaare Rubin führt zu erträglichen Relaxationszeiten,

läßt sich in vielfältiger Weise und vorteilhaft ausnutzen. Die Bandbreite könnte auch durch Erhöhen der

Diese Beispiele werden nachstehend behandelt, wobei Chromkonzentration vergrößert werden. Dabei wird

an Stelle des Energieniveauabstandes bzw. Frequenz- 35 aber die Relaxationszeit untragbar kurz. Gleichzeitig

abstandes der F i g. 3 nurmehr von Resonanzen mit der Signalbandbreite wächst auch die Bandbreite

gesprochen wird. des Pumpübergangs, so daß eine geringere Sättigung

Der einfachste Fall ist der, bei dem beide dieser auftreten kann. Die Pumpleistung steigt, außer wegen

Resonanzen genau zusammenfallen. Im Vergleich der kürzeren Relaxationszeiten, auch wegen der grö-

zum Drei-Niveau-Molekularverstärker ist dann die 40 ßeren Zahl der Spins.

Zahl der für die Verstärkung zur Verfügung stehenden Die Bandbreite könnte auch vergrößert werden, Spins und damit auch die Verstärkung doppelt so indem das Magnetfeld inhomogen ausgebildet wird, hoch. Voraussetzung ist allerdings, daß die Übergangs- Dabei wird die Verstärkung kleiner, die Pumpbandwahrscheinlichkeit für ein Signal bestimmter Polari- breite ebenfalls größer.

sation in beiden Niveaupaaren gleich groß ist. Das 45 Bei der Erfindung wird die Bandbreite vergrößert

ist, wie vorstehend gezeigt, für bestimmte Polari- ohne Vergrößerung der Resonanzbandbreite und

sationsrichtungen und für bestimmte Orientierungen ohne Herabsetzung der Relaxationszeit und der

des Kristalls, beispielsweise Rubin, leicht zu erreichen. Verstärkung. Die Pumpleistung ist gegenüber einem

Werden Arbeitspunkte und Orientierung jedoch so Drei-Niveau-Molekularverstärker größer, weil die

gewählt, daß nur ein invertiertes Niveau merkliche 50 Übergangswahrscheinlichkeit 1-4 kleiner ist als die

Übergangswahrseinlichkeit hat, so kann das zweite für 1-3.

invertierte Niveau als Reservoir dienen, das durch Vorteilhaft kann diese Anordnung in einem für die

Kreuzrelaxaktion einer Sättigung des verstärkenden Verstärkung eines breiten Frequenzbandes bestimmten

Niveaus bei hohem Signalpegel entgegenwirkt. In Verstärker verwendet werden. Hier ist es besonders

diesem Fall wird der maximal erreichbare Signalpegel 55 wichtig, zur Erzielung nichtreziproker Verstärkung

gegenüber dem Fall des Drei-Niveau-Molekularver- Freiheit in der Wahl der Übergangswahrscheinlichkeit

stärkers etwa verdoppelt. beider Resonanzen zu haben, weshalb hierfür Kri-

Um genügende Freiheit in der Wahl des Arbeits- stalle niedriger Symmetrie günstig erscheinen,
punktes zu haben, ist es vorteilhaft, wenn das Material Die Verstimmung der beiden Resonanzen kann vornicht einen einzigen Arbeitspunkt mit symmetrischen 60 teilhaft auch größer als eine Bandbreite gewählt Niveaus hat, wie dies bei Rubin, Kalium-Kobalt- werden. In diesem Fall kann der Molekularverstärker cyanid und Gadolinium-Äthylsulfat der Fall ist. Bei zur gleichzeitigen Verstärkung zweier Frequenzbänder orthorhombischen Substanzen, wie Rutil, mit zwei herangezogen werden. Die Ausnutzung unterschiedausgezeichneten Achsen, gibt es zu jedem Winkel Φ licher Übergangswahrscheinlichkeiten in beiden Resoeinen passenden Winkel Θ, für den die Niveaus 65 nanzen gibt weiterhin die Möglichkeit unterschiedsymmetrisch liegen. Gleichzeitig ist bei diesen Kri- licher Verstärkungsfaktoren und Bandbreiten sowie stallen die Übergangswahrscheinlichkeit 1-4 größer einer räumlichen Entkopplung der beiden Signalais bei den Kristallen höherer Symmetrie. ausgänge.

Die Verstimmung ist mit Vorteil auch groß gegenüber der Bandbreite wählbar.

Durch Wegfall der Kreuzrelaxation sind unterschiedliche Inversionen der beiden Resonanzen möglich. Unter Ausnutzung unterschiedlicher Übergangs-Wahrscheinlichkeiten 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 Anwendüngen gedacht:

a) Aus der Frequenz der schwingenden Resonanz kann ein Signal zur Nachstimmung des Molekularverstärkers abgeleitet werden, da die Frequenzen 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 Differenzfrequenz 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 Übergangswahrscheinlichkeiten in beiden Resonanzen, unabhängig von der Signalpolarisation, gleich groß sind.

Die bisher für Molekularverstärker hauptsächlich verwendeten Substanzen [Rubin = Cr³⁺ in Al₂O₃ bzw. Cr³⁺ in K₃Co(CN)₆ bzw. Gd³+ in La(C₂H₅SOi)₃-. 9 H₂O] haben kleine Nullpunktaufspaltungen. Pumpübergänge vom Typ 1-4 sind nur bei kleinen Magnetfeldern wahrscheinlich. Mit derartigem aktivem Material ist daher ein nach der Erfindung arbeitender Doppel-Molekularverstärker vor allem für das Gebiet niedriger Frequenzen geeignet.

Eine sehr große Nullpunktaufspaltung hat dagegen Cr³⁺ in Rutil (43 GHz gegen 11,3 GHz bei Rubin). Für eine Signalfrequenz von 5 GHz sind damit Pumpübergänge vom Typ 1-4 möglich, deren Wahrscheinder Übergangs Wahrscheinlichkeit

lichkeit -j- bis γ

für 1-3 oder 2-4 erreicht. Gleichzeitig existiert in Rutil als orthorohmbischer Substanz eine dichte Schar von Orientierungen mit symmetrischen Niveaus. Die benötigte Pumpfrequenz liegt bei rund 50 GHz. Mit derartigem aktivem Material, für das Rutil nur als Beispiel genannt ist, läßt sich im Bereich höherer Signalfrequenzen gut arbeiten, z. B. über 30 GHz.

Eisen ist als aktives Element in einem Drei-Niveau-Molekularverstärker bisher wenig verwendet worden,

da von seinen sechs Niveaus (Spin = ~~j nur die Hälfte ausgenutzt werden konnte. Es hat für die Zwecke der Erfindung aber den großen Vorteil eines kleinen Kernspins und der damit verbundenen geringen Hyperfeinstruktur der Zeemanniveaus. Es ist also für die Dotierung des Grundmaterials in einem erfindungsgemäßen Molekularverstärker besonders gut geeignet. In einem Doppelmolekularverstärker können nämlich vier oder fünf der Niveaus benutzt werden, so daß mit diesem aktiven Material besonders gute Verhältnisse erreicht werden.

An Stelle einer magnetischen Aufspaltung der Niveaupaare kann auch eine elektrische Aufspaltung in an sich bekannter Weise vorgesehen werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Molekularverstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einem aktiven Material mit wenigstens vier Energieniveaus, die vorzugsweise mittels einer Magnetisierungsvorrichtung aufgespalten sind und denen Pumpenergie zur Invertierung von Niveaupaaren zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung der Energieniveaus in dem aktiven Material derart gewählt ist, daß der Energieabstand in wenigstens zwei Energieniveaupaaren kleiner ist als der Energieabstand der Niveaus, zwischen denen die Pumpenergie wirksam ist, und daß die beiden Niveaus, zwischen denen die Pumpenergie wirksam ist, derart gewählt sind, daß die wenigstens zwei durch Aufspaltung gewonnenen Energieniveaupaare zugleich invertiert werden.

2. Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Energieniveaus innerhalb der Paare wenigstens näherungsweise gleich und in Übereinstimmung mit dem Signalfrequenzbereich gewählt ist.

3. Molekularverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung derart vorgesehen ist, daß der Abstand innerhalb des einzelnen Paares für die einzelnen Paare unterschiedlich und in Übereinstimmung mit dem Signalfrequenzbereich gewählt ist.

4. Molekularverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied wenigstens eine Linienbreite beträgt und daß für beide Energieniveaupaare äußere Signalfrequenzkreise vorgesehen sind.

5. Molekularverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der einzelnen Signalfrequenzkreise derart unterschiedlich gewählt ist, daß für eine der Signalfrequenzen bei Zuführung der Hochfrequenzenergie von Pumpfrequenz Selbsterregung auftritt.

6. Molekularverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material und seine Aufspaltung derart gewählt sind, daß die Übergangswahrscheinlichkeiten für die einzelnen Energieniveaupaare verschieden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1 299 538;

»Proceedings of the IRE«, Juni 1962, S. 1470 bis 1483;

»IRE Transactions on Microwave Theory and Techniquas«, Januar 1961, S. 68 bis 72;

»Elektrotechnik und Maschinenbau«, Heft 6/1962, S. 123 bis 127.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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