RU2523744C2 - Active material for optically pumped maser and optically pumped maser - Google Patents
Active material for optically pumped maser and optically pumped maser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523744C2 RU2523744C2 RU2012136533/28A RU2012136533A RU2523744C2 RU 2523744 C2 RU2523744 C2 RU 2523744C2 RU 2012136533/28 A RU2012136533/28 A RU 2012136533/28A RU 2012136533 A RU2012136533 A RU 2012136533A RU 2523744 C2 RU2523744 C2 RU 2523744C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active material
- maser
- resonator
- silicon carbide
- defects
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к твердотельным мазерам с оптической накачкой и активным материалам для мазеров с оптической накачкой.The invention relates to the field of quantum electronics, and more particularly to solid-state optically pumped masers and active materials for optically pumped masers.
Как известно, мазер (англ. maser) - квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сверхвысокой частоты (СВЧ), его название является сокращением фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (англ. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), авторы открытия мазера: A.M.Прохоров, Н.Г.Басов и Ч.Таунс). Мазеры используют в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также в качестве квантовых генераторов стандартной частоты.As you know, a maser is a quantum generator emitting coherent electromagnetic waves of superhigh frequency (microwave), its name is an abbreviation of the phrase “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, the authors of the discovery Maser: AM Prokhorov, N.G. Basov and C. Townes). Masers are used in technology (in particular, in space communications), in physical research, and also as standard-frequency quantum generators.
По виду активного материала, в котором происходит квантовое усиление и генерация электромагнитных волн, мазеры делятся на два типа. Мазеры, использующие молекулярные пучки и мазеры, в которых применяются в качестве активного материала конденсированные среды (например, кристаллы) с парамагнитными дефектами - парамагнитными генераторами и усилителями.By type of active material, in which quantum amplification and generation of electromagnetic waves occurs, masers are divided into two types. Masers using molecular beams and masers, in which condensed media (for example, crystals) with paramagnetic defects — paramagnetic generators and amplifiers — are used as active material.
В обычных условиях парамагнитные дефекты в магнитном поле находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой, и согласно распределению Больцмана это означает, что число электронов на спиновых подуровнях в магнитном поле (зеемановские подуровни) в возбужденных состояниях тем меньше, чем выше энергия возбужденного состояния. Для того чтобы появилась возможность использовать уникальные свойства вынужденного излучения, необходимо искусственно создать термодинамически неравновесную среду, в которой число электронов на зеемановских подуровнях возбужденного состояния будет больше, чем на невозбужденном подуровне. Твердотельные мазеры применяют чаще всего в качестве усилителей электромагнитного излучения в миллиметровом и сантиметровом диапазонах (СВЧ-диапазон) длин волн. Активный материал в этих мазерах представляет собой кристалл (наибольшее распространение получили мазеры на кристаллах рубина), размещенный в резонаторе, имеющем две резонансные частоты: частоту накачки и частоту усиления. Инверсная населенность уровней в кристалле достигается в результате поглощения кристаллом электромагнитного излучения накачки, частота которого больше частоты усиления. Главная особенность твердотельных мазеров состоит в том, что инверсная населенность осуществляется на уровнях, создаваемых искусственно: путем помещения кристалла вместе с резонатором в постоянное магнитное поле. Расстояние между уровнями определяется величиной внешнего магнитного поля. Мазеры работают при низких температурах (1,4-4,2 К) в связи необходимостью уменьшения скорости релаксации между спиновыми подуровнями для создания инверсной населенности спиновых подуровней. Основным свойством парамагнитных квантовых усилителей является чрезвычайно низкий уровень шума, который на несколько порядков меньше, чем в лучших усилителях, работающих на других принципах. Наиболее широко парамагнитные усилители применяют в радиоастрономии и радиолокации для усиления слабых радиосигналов. Однако широкому использованию мазеров препятствует необходимость создания низких температур для их работы.Under ordinary conditions, paramagnetic defects in a magnetic field are in thermodynamic equilibrium with each other and with the environment, and according to the Boltzmann distribution, this means that the number of electrons at the spin sublevels in a magnetic field (Zeeman sublevels) in excited states is the smaller, the higher the energy of the excited condition. In order to make it possible to use the unique properties of stimulated emission, it is necessary to artificially create a thermodynamically nonequilibrium medium in which the number of electrons on the Zeeman sublevels of the excited state is greater than on the unexcited sublevel. Solid state masers are most often used as amplifiers of electromagnetic radiation in the millimeter and centimeter ranges (microwave range) of wavelengths. The active material in these masers is a crystal (the most common are masers on ruby crystals) placed in a resonator having two resonant frequencies: the pump frequency and the gain frequency. The inverse population of levels in the crystal is achieved as a result of absorption by the crystal of the pump electromagnetic radiation, the frequency of which is greater than the gain frequency. The main feature of solid-state masers is that the inverse population is carried out at artificially created levels: by placing the crystal together with the resonator in a constant magnetic field. The distance between the levels is determined by the magnitude of the external magnetic field. Masers operate at low temperatures (1.4–4.2 K) due to the need to reduce the relaxation rate between spin sublevels to create an inverse population of spin sublevels. The main property of paramagnetic quantum amplifiers is an extremely low noise level, which is several orders of magnitude lower than in the best amplifiers operating on other principles. The most widely used paramagnetic amplifiers are used in radio astronomy and radar to amplify weak radio signals. However, the widespread use of masers is impeded by the need to create low temperatures for their operation.
Активные материалы для мазеров с оптической накачкой и устройства на их основе (мазеры с оптической накачкой) описаны еще в ранних работах сразу после открытия мазерного эффекта (см. Е. Sabisky, and С.Anderson, Solid-state optically pumped microwave masers, IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume: 3, Issue: 7, 287 - 295, Jul 1967). В результате оптической накачки создается инверсная населенность спиновых подуровней дефектов в твердом теле при комнатной температуре, что может быть использовано для усиления микроволнового (СВЧ) излучения (мазерный эффект), то есть создания мазера. Активные материалы и устройства на их основе применяют для усиления СВЧ-излучения, сдвига фаз СВЧ и функций ограничения СВЧ. В активных материалах осуществляется электронная (спиновая) поляризация различных систем под воздействием оптического облучения.Active materials for optically pumped masers and devices based on them (optically pumped masers) were described in early works immediately after the discovery of the maser effect (see E. Sabisky, and C. Anderson, Solid-state optically pumped microwave masers, IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume: 3, Issue: 7, 287-295, Jul 1967). As a result of optical pumping, an inverse population of the spin sublevels of defects in the solid at room temperature is created, which can be used to amplify microwave (microwave) radiation (maser effect), i.e., to create a maser. Active materials and devices based on them are used to amplify microwave radiation, microwave phase shift and microwave restriction functions. Active materials carry out electronic (spin) polarization of various systems under the influence of optical radiation.
Известен активный материал мазера с оптической накачкой (см. патент US 3454885, МПК H01S 1/00, опубликован 07.08.1969) в виде кристалла флюорита, содержащего парамагнитные дефекты в виде ионов двухзарядного тулия Tm2+. Инверсная населенность зеемановских подуровней основного состояния ионов тулия путем оптической накачки циркулярно-поляризованным светом заданного направления относительно кристаллических осей флюорита в широкие полосы поглощения Tm2+, позволяющей селективно накачивать определенные спиновые подуровни основного состояния ионов тулия Tm2+.Known active maser material with optical pumping (see patent US 3454885, IPC
Этот активный материал может быть использован для мазеров, работающих в непрерывном режиме до частоты 30 ГГц. Температура, требуемая для работы мазера, составляет 1,4-4,2 К. При оптимальных условиях оптической накачки температура может быть поднята до 6 К. Рабочие характеристики этого мазера сравнимы с соответствующими характеристиками стандартного мазера с СВЧ-накачкой на рубине при 4,2 К, работающих на частоте до 10 ГГц, но лучше для более высоких частот.This active material can be used for masers operating continuously up to a frequency of 30 GHz. The temperature required for the maser to work is 1.4-4.2 K. Under optimal conditions of optical pumping, the temperature can be raised to 6 K. The performance of this maser is comparable to the corresponding characteristics of a standard ruby-pumped microwave maser at 4.2 K operating at frequencies up to 10 GHz, but better for higher frequencies.
Недостатком известного активного материала мазера с оптической накачкой является необходимость использования низких температур (не выше 6 К) а также облучение циркулярно-поляризованным светом определенного направления относительно осей кристалла.A disadvantage of the known optically pumped active maser material is the necessity of using low temperatures (not higher than 6 K) and also irradiation with circularly polarized light of a certain direction relative to the crystal axes.
Известен мазер с оптической накачкой (см. патент US 3454885, МПК H01S 1/00, опубликован 07.08.1969), включающий генератор СВЧ, циркулятор, магнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света, через систему из линзы, фильтра, рефлектора и циркулярного поляризатора оптически связанный с активным материалом в виде кристалла флюорита, содержащего парамагнитные дефекты в виде ионов двухзарядного тулия Tm2+.Known maser with optical pumping (see patent US 3454885, IPC
Недостатком известного мазера с оптической накачкой является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера, а также необходимость применения специальной оптической системы для обеспечения подачи циркулярно-поляризованного света на активный материал, причем направление света должно быть согласовано с ориентацией активного материала и магнитного поля.A disadvantage of the known optical pumped maser is the need to use a cryostat to place the active material in it, which makes it difficult to use the maser, as well as the need to use a special optical system to provide circularly polarized light to the active material, and the light direction must be consistent with the orientation of the active material and magnetic field.
Известен активный материал мазера с оптической накачкой (см. патент US 3678400, МПК H01S 1/02, опубликован 18.07.1972) в виде прозрачного кристалла кубического политипа, например Th2, KCl, CaF2, CsZrCl6, ZnS, K2PtCl6, SnO2, содержащего дефекты в виде ионов в 2Si1/2 основном состоянии, например Na0, Cu0, Ag0, Au0, Са+, Sr+, Ва+, Ga2+, In2+, Tl2+, Si3+, Sn3+, Pb3+ или Bi4+ (имеющие один неспаренный s-электрон на внешней оболочке), обладающие ядерным магнитным моментом. Оптическая накачка такого кристалла неполяризованным светом создает инверсную поляризацию электронов на спиновых подуровнях.Known active maser material with optical pumping (see US patent 3678400, IPC
Недостатком известного активного материала является необходимость использования низких температур (не выше 12 К).A disadvantage of the known active material is the need to use low temperatures (not higher than 12 K).
Известен мазер с оптической накачкой (см. патент US 3678400, МПК H01S 1/02, опубликован 18.07.1972), включающий генератор СВЧ, циркулятор, постоянный магнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света, через систему из фокусирующий линзы и фильтра оптически связанный с активным материалом в виде кристалла, например сульфида цинка, содержащего парамагнитные дефекты в 2Si1/2 основном состоянии в виде двухзарядных таллия Tl2+ или галлия Ga2+.Known maser with optical pumping (see patent US 3678400, IPC
Недостатком известного мазера является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера.A disadvantage of the known maser is the need to use a cryostat to place the active material in it, which complicates the use of the maser.
Известен активный материал для мазера с оптической накачкой (см. патент US 3736518, МПК H01S 1/02, опубликован 29.05.1973) в виде щелочно-галоидного кристалла, например NaCl, NaBr, KCl, KBr, KI, RbBr, RbCl, CsBr, CsCl, содержащие дефекты в виде центров окраски (F-центров). В таких кристаллах проявляется явление дихроизма при поглощении циркулярно-поляризованного света определенной длины волны, при этом осуществляется инверсная населенность спиновых энергетических подуровней в магнитном поле, что позволяет получить мазерный эффект. Щелочно-галоидные кристаллы, содержащие достаточную концентрацию дефектов в виде F-центров, являются перспективными активными материалами для создания мазеров с оптической накачкой. При этом рабочая температура может быть поднята до 8 К и мазеры могут работать до частот вплоть до 40 ГГц.Known active material for a maser with optical pumping (see patent US 3736518, IPC
Недостатками известного активного материала являются необходимость использования низких температур и циркулярно-поляризованного света определенного направления, а также временная нестабильность центров окраски.The disadvantages of the known active material are the need to use low temperatures and circularly polarized light of a certain direction, as well as the temporary instability of color centers.
Известен мазер с оптической накачкой (см. патент US 3678400, МПК H01S 1/02, опубликован 18.07.1972), включающий генератор СВЧ, постоянный магнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света в виде решетки лазерных диодов, через систему из фокусирующий цилиндрической линзы и поляризатора оптически связанный с активным материалом в виде щелочно-галоидного кристалла, содержащего дефекты в виде F-центров.Known maser with optical pumping (see patent US 3678400, IPC
Недостатком известного мазера является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера, а также необходимость создания устройства для обеспечения подачи циркулярно-поляризованного света на активный материал, причем направление света должно быть согласовано с ориентацией магнитного поля.A disadvantage of the known maser is the need to use a cryostat to place the active material in it, which complicates the use of the maser, as well as the need to create a device to ensure the supply of circularly polarized light to the active material, and the light direction must be consistent with the orientation of the magnetic field.
Известен активный материал для мазера с оптической накачкой (см. патент US 6515539, МПК H01S 1/00, опубликован 04.02.2003) в виде многокомпонентной оптически прозрачной матрицы, например, из дихлорметана и парафинового масла, включающей хромофор (Н2 тетрафенил-порфирин и этиопорфирин I) и устойчивые свободные радикалы. В активном материале происходит электронная спиновая поляризация устойчивых свободных радикалов, индуцированная процессами межмолекулярной передачи энергии, действующих через фотоиндуцированные радикально-триплетные пары в результате оптической накачки. При оптической накачке многокомпонентной химической системы происходит высокая спиновая поляризация электронов при комнатной температуре.The active material for an optical pumped maser is known (see US patent 6515539, IPC
Недостатками известного активного материала являются его жидкая форма, необходимость использования импульсного оптического возбуждения, отсутствие постоянного химического состава со строго определенными свойствами.The disadvantages of the known active material are its liquid form, the need to use pulsed optical excitation, the lack of a constant chemical composition with strictly defined properties.
Известен мазер с оптической накачкой (см. патент US 6515539, МПК H01S 1/00, опубликован 04.02.2003), включающий генератор СВЧ, циркулятор, постоянный магнит и/или электромагнит, между полюсами которого установлен кварцевый резонатор, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света, оптически связанный с активным материалом в виде многокомпонентной химической системы, состоящей из хромофора и стабильных радикалов в оптически прозрачной матрице.Known maser with optical pumping (see patent US 6515539, IPC
Достоинством известного мазера с оптической накачкой является возможность его работы при комнатной температуре. Однако его серьезным недостатком является жидкая форма активного материала и непостоянство его химического состава со строго определенными свойствами.An advantage of the known optical pumped maser is the possibility of its operation at room temperature. However, its serious drawback is the liquid form of the active material and the variability of its chemical composition with strictly defined properties.
Известен активный материал для мазера с оптической накачкой (см. патент US 5291145, МПК H01S 1/02, опубликован 01.03.1994), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Активный материал представляет собой кристалл кремния, содержащего дефекты в виде четырех нейтральных вакансий, расположенных в одной плоскости {110}. Эти вакансии могут быть созданы облучением электронами высоких энергий, быстрыми нейтронами или пучками ионов.Known active material for a maser with optical pumping (see patent US 5291145, IPC
Известный активный материал-прототип может работать при температуре вплоть до 20 К. Недостатком активного материала-прототипа является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера.The known active prototype material can operate at temperatures up to 20 K. The disadvantage of the active prototype material is the need to use a cryostat to place the active material in it, which makes it difficult to use a maser.
Известен мазер с оптической накачкой (см. патент US 5291145, МПК H01S 1/02, опубликован 01.03.1994 патент US 3678400, МПК H01S 1/02, опубликован 18.07.1972), включающий генератор СВЧ, циркулятор, постоянный магнит и/или электромагнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света, оптически связанный с активным материалом в виде кристалла кремния, содержащего дефекты в виде четырех нейтральных вакансий, расположенных в одной плоскости {110}.Known maser with optical pumping (see patent US 5291145, IPC
Задачей заявляемого изобретения является получение активного материала с высокостабильными парамагнитными дефектами для мазера с оптической накачкой, который бы позволял эффективно создавать инверсную населенность спиновых подуровней в основном состоянии при комнатной температуре, а также твердотельного мазера с оптической накачкой на основе разработанного активного материала, работающего при комнатной температуре.The objective of the invention is to obtain an active material with highly stable paramagnetic defects for a maser with optical pumping, which would effectively create an inverse population of spin sublevels in the ground state at room temperature, as well as a solid-state maser with optical pumping based on the developed active material operating at room temperature .
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept.
В части активного материала поставленная задача решается тем, что активный материал для мазера с оптической накачкой состоит из кристалла карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты.In terms of the active material, the problem is solved in that the active material for an optical pumped maser consists of a silicon carbide crystal containing paramagnetic vacancy defects.
Кристалл карбида кремния может представлять собой нанокристалл.The silicon carbide crystal may be a nanocrystal.
Кристалл карбида кремния может содержать уменьшенное содержание изотопов С13 и/или Si29 с ядерным магнитным моментом.A silicon carbide crystal may contain a reduced content of C13 and / or Si29 isotopes with a nuclear magnetic moment.
Может использоваться карбид кремния кубического, гексагональных и ромбических политипов, содержащий вакансионные дефекты, в состав которых входит вакансия кремния, занимающая различные кристаллические положения в выбранном политипе. Указанные дефекты обладают свойством выстраивания электронных спинов в основном высокоспиновом состоянии при оптической накачке, приводящей к созданию инверсной населенности спиновых подуровней вплоть до комнатной температуры, при этом оптическая накачка осуществляется в полосы поглощения указанных дефектов в этих политипах.Silicon carbide of cubic, hexagonal and rhombic polytypes can be used, containing vacancy defects, which include a silicon vacancy occupying different crystalline positions in the selected polytype. These defects have the property of alignment of electronic spins in the ground state of high spin under optical pumping, which leads to the creation of an inverse population of spin sublevels up to room temperature, while optical pumping is carried out in the absorption bands of these defects in these polytypes.
Могут использоваться нанокристаллы карбида кремния, содержащие счетное количество дефектов с мазерным эффектом вплоть до единичного дефекта.Silicon carbide nanocrystals can be used containing a countable number of defects with a maser effect up to a single defect.
Использование кристаллов и нанокристаллов карбида кремния с уменьшенным содержанием изотопов С13 и Si29, обладающих магнитными моментами, приводит к уменьшению ширины линий ЭПР (ОДМР) и увеличению времен релаксации, а следовательно, к улучшению рабочих характеристик мазера, поскольку оптически индуцированная инверсная населенность уровней будет создаваться при меньших мощностях оптического возбуждения и сохраняться в течение более продолжительного времени. Это связано с тем, что ширины линий ЭПР, главным образом, определяются сверхтонкими взаимодействиями с ядрами окружающих атомов углерода и кремния, несущих ядерные магнитные моменты; времена релаксации также связаны с взаимодействием с этими ядрами (см. P.G. Baranov, I.V. Ilyin, A.A. Soltamova, and E.N. Mokhov, Identification of the carbon antisite in SiC: EPR of С13 enriched crystals, Phys. Rev. В 77, 085120, 2008).The use of crystals and silicon carbide nanocrystals with a reduced content of C13 and Si29 isotopes with magnetic moments leads to a decrease in the EPR line width (ODMR) and an increase in relaxation times, and hence to an improvement in the performance of the maser, since an optically induced inverse level population will be created at lower powers of optical excitation and persist for a longer time. This is due to the fact that the EPR line widths are mainly determined by hyperfine interactions with the nuclei of the surrounding carbon and silicon atoms carrying nuclear magnetic moments; relaxation times are also associated with interactions with these nuclei (see PG Baranov, IV Ilyin, AA Soltamova, and EN Mokhov, Identification of the carbon antisite in SiC: EPR of C13 enriched crystals, Phys. Rev. B 77, 085120, 2008) .
В качестве активного материала для мазера с фиксированной частотой, определяемой расщеплением тонкой структуры, на основе парамагнитных дефектов в твердом теле в нулевом магнитное поле, в котором инверсная населенность между спиновыми подуровнями (мазерный эффект) создается при комнатной температуре путем оптической накачки, может быть использован карбид кремния политипа 6H-SiC, содержащий вакансионные дефекты, в состав которых входит вакансия кремния, занимающая различные кристаллические положения в выбранном политипе. Указанные дефекты обладают свойством создания инверсной населенности спиновых подуровней в основном состоянии при оптической накачке, в частности в малых магнитных полях при комнатной температуре.As an active material for a maser with a fixed frequency determined by the splitting of the fine structure, based on paramagnetic defects in a solid in a zero magnetic field, in which the inverse population between the spin sublevels (maser effect) is created at room temperature by optical pumping, carbide can be used
В части мазера задача решается тем, что мазер с оптической накачкой включает генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), циркулятор, магнит, между полюсами которого размещен резонатор со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник импульсного или непрерывного света, оптически связанный через светопрозрачное окно резонатора с активным материалом. Выход генератора СВЧ соединен коаксиальным кабелем или волноводом с входом циркулятора, вход/выход которого подключен коаксиальным кабелем или волноводом к входу резонатора. Активный материал является кристаллом карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты.In the maser part, the problem is solved in that the maser with optical pumping includes an ultra-high frequency (microwave) generator, a circulator, a magnet, between the poles of which there is a resonator with a translucent window, active material placed inside the resonator, and a source of pulsed or continuous light optically coupled through translucent resonator window with active material. The microwave generator output is connected by a coaxial cable or waveguide to the input of the circulator, the input / output of which is connected by a coaxial cable or waveguide to the resonator input. The active material is a silicon carbide crystal containing paramagnetic vacancy defects.
Настоящий мазер с оптической накачкой основан на эффекте поляризации спиновых подуровней под действием оптического излучения и создании в результате инверсной населенности между частью этих подуровней при комнатной температуре в активном материале на основе карбида кремния с парамагнитными вакансионными дефектами. При этом происходит усиление СВЧ-сигнала малой мощности с очень низким дополнительным шумом. Благодаря тому, что населенности спиновых подуровней инвертированы, при оптической накачке активный материал увеличивает интенсивность СВЧ-излучения в резонаторе благодаря стимулированному излучению. Таким образом, излучение, отражаясь от резонатора, может быть усилено. СВЧ-излучение от генератора поступает через циркулятор в резонатор с образцом в виде активного материала, настроенный на частоту генератора, отраженный от резонатора сигнал через тот же циркулятор поступает на детектор. Частота СВЧ-излучения, которая должна усилиться в резонаторе из-за взаимодействия с активным материалом мазера, подбирают путем приложения внешнего магнитного поля, приводящего к расщеплению спиновых подуровней.This optical pumped maser is based on the polarization effect of spin sublevels under the influence of optical radiation and the creation of an inverse population between a part of these sublevels at room temperature in an active material based on silicon carbide with paramagnetic vacancy defects. In this case, amplification of the microwave signal of low power with very low additional noise occurs. Due to the fact that the populations of the spin sublevels are inverted, with optical pumping, the active material increases the intensity of microwave radiation in the cavity due to stimulated emission. Thus, the radiation reflected from the resonator can be amplified. Microwave radiation from the generator enters through the circulator into the resonator with a sample in the form of active material tuned to the frequency of the generator, the signal reflected from the resonator through the same circulator enters the detector. The frequency of microwave radiation, which should increase in the cavity due to interaction with the active material of the maser, is selected by applying an external magnetic field, leading to the splitting of the spin sublevels.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:The claimed invention is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 приведен спектр импульсного ЭПР дефектов, связанных с вакансией кремния в карбиде кремния политипа 41-1-SiC, зарегистрированный на частоте 9,3 ГГц в ориентациях магнитного поля, параллельной (верхний спектр) и перпендикулярной (нижний спектр) гексагональной оси кристалла при комнатной температуре с инверсией спиновых подуровней (мазерным эффектом), вызванным оптической накачкой светом лазера с длиной волны 800 нм (на вставке представлены два возможных варианта системы уровней с инверсной населенностью для электронного спина S=1 и электронного спина S=3/2, при этом высокополевой переход инвертирован, то есть в данном эксперименте наблюдается излучение СВЧ с частотой 9,3 ГГц; Ms - проекции электронного спина на направление магнитного поля; В - магнитное поле; излучательные переходы обозначены толстыми линиями);figure 1 shows the spectrum of the pulsed EPR of defects associated with silicon vacancy in silicon carbide polytype 41-1-SiC, recorded at a frequency of 9.3 GHz in the orientations of the magnetic field parallel (upper spectrum) and perpendicular (lower spectrum) to the hexagonal axis of the crystal at room temperature with the inversion of spin sublevels (maser effect) caused by optical pumping by laser light with a wavelength of 800 nm (the inset shows two possible versions of the level system with an inverse population for the electron spin S = 1 and electron the spin spin S = 3/2, while the high-field transition is inverted, that is, in this experiment microwave radiation with a frequency of 9.3 GHz is observed; M s is the projection of the electron spin on the direction of the magnetic field; B is the magnetic field; radiative transitions are indicated by thick lines );
на фиг.2 приведен спектр импульсного ЭПР дефектов, связанных с вакансией кремния в карбиде кремния политипа 6H-SiC, зарегистрированный на частоте 9.3 ГГц в ориентации магнитного поля перпендикулярной гексагональной оси кристалла при комнатной температуре с инверсией спиновых подуровней (мазерным эффектом), вызванным оптической накачкой светом лазера с длиной волны 800 нм; внизу представлен стандартный спектр ЭПР, зарегистрированный в непрерывном режиме с оптическим возбуждением; на вставке представлены два возможных варианта системы уровней с инверсной населенностью для электронного спина S=1 и электронного спина S=3/2, при этом низкополевой переход инвертирован, то есть в данном эксперименте наблюдается излучение СВЧ с частотой 9,3 ГГц; Ms - проекции электронного спина на направление магнитного поля; В - магнитное поле (излучательные переходы обозначены толстыми линиями);figure 2 shows the spectrum of the pulsed EPR of defects associated with a silicon vacancy in silicon carbide of the 6H-SiC polytype, recorded at a frequency of 9.3 GHz in the orientation of the magnetic field perpendicular to the hexagonal axis of the crystal at room temperature with inversion of the spin sublevels (maser effect) caused by optical pumping laser light with a wavelength of 800 nm; below is a standard EPR spectrum recorded continuously with optical excitation; the inset shows two possible variants of a system of levels with an inverse population for the electron spin S = 1 and electron spin S = 3/2, while the low-field transition is inverted, that is, in this experiment, microwave radiation with a frequency of 9.3 GHz is observed; M s - projection of the electron spin on the direction of the magnetic field; B - magnetic field (radiative transitions are indicated by thick lines);
на фиг.3. приведен пример мазера с оптической закачкой в соответствии с настоящим изобретением.figure 3. an example of a maser with optical injection in accordance with the present invention.
Парамагнитные дефекты, связанные с вакансиями кремния, создаются в карбиде кремния в процессе роста. Их концентрация может быть существенно повышена путем закалки кристалла, то есть быстрого охлаждения от температур порядка 2000°С. Также концентрация этих дефектов может быть существенно повышена путем облучения ионизирующим излучением: электронами высоких энергий, быстрыми нейтронами, протонами, быстрыми ионами.Paramagnetic defects associated with silicon vacancies are created in silicon carbide during growth. Their concentration can be significantly increased by quenching the crystal, that is, rapid cooling from temperatures of the order of 2000 ° C. Also, the concentration of these defects can be significantly increased by irradiation with ionizing radiation: high-energy electrons, fast neutrons, protons, fast ions.
Настоящий мазер с оптической закачкой (см. фиг.3) содержит генератор 1 СВЧ, циркулятор 2, магнит 3, между полюсами которого размещен резонатор 4 со светопрозрачным окном 5, активный материал 6, помещенный внутри резонатора 4, и источник 7 импульсного или непрерывного света, оптически связанный через светопрозрачное окно 5 резонатора 4 с активным материалом 6. Выход генератора 1 СВЧ соединен коаксиальным кабелем 8 (или волноводом) с входом циркулятора 2. Вход/выход циркулятора 2 подключен коаксиальным кабелем 9 (или волноводом) к входу резонатора 4, а выход излучения из циркулятора 2 осуществляется через коаксиальный кабель 10 (или волновод).The present maser with optical injection (see Fig. 3) contains a
Активный материал 6 является кристаллом карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты.The active material 6 is a silicon carbide crystal containing paramagnetic vacancy defects.
Мазер с оптической закачкой работает следующим образом.Optical injection maser operates as follows.
Излучение СВЧ от генератора 1 или от другого источника излучения, которое необходимо усилить (например, космическое излучение), поступает через циркулятор 2 в резонатор 4, в который помещен активный материал 6. Магнитное поле на активном материале 6 создают магнитом 3. На активный материал 6 через светопрозрачное окно 5 в резонаторе 4 падает свет от источника 7 света. В качестве источника 7 света могут быть выбраны различные типы лазеров, энергия излучения которых попадает в полосы поглощения дефектов в выбранном активном материале 6 для создания инверсной населенности спиновых подуровней. В качестве примера для дефектов в карбиде кремния использовали лазеры, излучающие в области длин волн 800-850 нм. Для более эффективного возбуждения активного материала 6 могут использоваться лазеры в виде гребенки с одновременным набором разных частот, а также ламповые излучатели с непрерывным спектром. Излучение СВЧ, поступающее в резонатор 4 с активным материалом 6 в результате взаимодействия с активным материалом, усиливается и далее через циркулятор 2 поступает на выход. Частоту СВЧ-излучения, которая должна усилиться в резонаторе 4 из-за взаимодействия с активным материалом 6, подбирают путем приложения внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом 3 и приводящего к расщеплению спиновых подуровней дефектов в активном материале.Microwave radiation from a
Пример. В резонатор помещали кристаллы карбида кремния (SiC) разных политипов, содержащих вакансионные дефекты, в состав которых входит вакансия кремния, занимающая различные кристаллические положения в выбранном политипе. Указанные дефекты обладали свойством поляризации электронных спинов в основном высокоспиновом состоянии (для двух реализуемых возможностей спинов S=1 и S=3/2) при оптической накачке, приводящим к созданию инверсной населенности спиновых подуровней вплоть до комнатной температуры, а оптическая накачка осуществлялась в полосы поглощения указанных дефектов в этих политипах. Эффект излучения СВЧ на частоте 9,3 ГГц продемонстрирован для политипа карбида кремния 4H-SiC на фиг.1 и для политипа карбида кремния 6H-SiC на фиг.2. На фиг.1. приведен спектр импульсного ЭПР дефектов, связанных с вакансией кремния в карбиде кремния политипа 4H-SiC, зарегистрированный на частоте 9,3 ГГц в ориентациях магнитного поля параллельной (верхний спектр) и перпендикулярной (нижний спектр) гексагональной оси кристалла при комнатной температуре с инверсией спиновых подуровней (мазерным эффектом), вызванным оптической накачкой светом лазера с длиной волны 800 нм. На вставке представлены два возможных варианта системы уровней с инверсной населенностью для электронного спина S=1 и электронного спина S=3/2, при этом высокополевой переход инвертирован, то есть в данном эксперименте наблюдается излучение СВЧ с частотой 9,3 ГГц. На фиг.2 приведен спектр импульсного ЭПР дефектов, связанных с вакансией кремния в карбиде кремния политипа 6H-SiC, зарегистрированный на частоте 9,3 ГГц в ориентации магнитного поля, перпендикулярной гексагональной оси кристалла при комнатной температуре с инверсией спиновых подуровней (мазерным эффектом), вызванным оптической накачкой светом лазера с длиной волны 800 нм. Внизу представлен стандартный спектр ЭПР, зарегистрированный в непрерывном режиме с оптическим возбуждением. На вставке представлены два возможных варианта системы уровней с инверсной населенностью для электронного спина S=1 и электронного спина S=3/2, при этом низкополевой переход инвертирован, то есть в данном эксперименте наблюдается излучение СВЧ с частотой 9,3 ГГц.Example. Silicon carbide (SiC) crystals of various polytypes containing vacancy defects, which include a silicon vacancy occupying different crystalline positions in the selected polytype, were placed in the resonator. These defects had the property of polarization of electron spins in the ground high-spin state (for two realized spin possibilities S = 1 and S = 3/2) under optical pumping, which led to the creation of an inverse population of spin sublevels up to room temperature, and optical pumping was carried out in absorption bands specified defects in these polytypes. The effect of microwave radiation at a frequency of 9.3 GHz is demonstrated for the polytype of
На фиг.2 видно (схема энергетических уровней на вставке), что инверсная населенность спиновых подуровней создается при комнатной температуре под действием оптического облучения даже в нулевых или близких к нулю (земное магнитное поле) магнитных полях. Таким образом, этот активный материал может работать на фиксированных частотах, определяемых физическими параметрами стабильного дефекта, то есть имеется возможность измерения малых магнитных полей подобно тому, как это осуществляется в современных газовых квантовых магнетометрах. При этом использование нанокристаллов 6H-SiC позволит проводить такие измерения локально.Figure 2 shows (the energy level diagram in the inset) that the inverse population of spin sublevels is created at room temperature under the influence of optical irradiation even in zero or near zero (terrestrial magnetic field) magnetic fields. Thus, this active material can operate at fixed frequencies determined by the physical parameters of a stable defect, that is, it is possible to measure small magnetic fields in the same way as in modern gas quantum magnetometers. In this case, the use of 6H-SiC nanocrystals will make it possible to carry out such measurements locally.
Настоящий мазер основан на эффекте поляризации спиновых подуровней под действием оптического излучения и создании, в результате, инверсной населенности между частью этих подуровней при комнатной температуре в активном материале на основе карбида кремния с вакансионными дефектами. Наличие инверсной населенности приводит к усилению СВЧ-сигнала малой мощности с очень низким дополнительным шумом. Благодаря тому, что населенности спиновых подуровней инвертированы, при оптической накачке активный материал увеличивает интенсивность СВЧ-излучения в резонаторе благодаря стимулированному излучению.This maser is based on the polarization effect of spin sublevels under the influence of optical radiation and, as a result, creates an inverse population between part of these sublevels at room temperature in an active material based on silicon carbide with vacancy defects. The presence of an inverse population leads to the amplification of a microwave signal of low power with very low additional noise. Due to the fact that the populations of the spin sublevels are inverted, with optical pumping, the active material increases the intensity of microwave radiation in the cavity due to stimulated emission.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012136533/28A RU2523744C2 (en) | 2012-08-24 | 2012-08-24 | Active material for optically pumped maser and optically pumped maser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012136533/28A RU2523744C2 (en) | 2012-08-24 | 2012-08-24 | Active material for optically pumped maser and optically pumped maser |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012136533A RU2012136533A (en) | 2014-02-27 |
RU2523744C2 true RU2523744C2 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=50151738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012136533/28A RU2523744C2 (en) | 2012-08-24 | 2012-08-24 | Active material for optically pumped maser and optically pumped maser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2523744C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU791153A1 (en) * | 1979-04-04 | 1983-06-23 | Институт Геохимии И Физики Минералов Ан Усср | Maser and method for driving the same |
US5291145A (en) * | 1991-03-14 | 1994-03-01 | Hitachi, Ltd. | Microwave processing equipment |
US6515539B1 (en) * | 2000-04-12 | 2003-02-04 | Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem | Microwave devices based on chemically induced dynamic electron spin polarization |
-
2012
- 2012-08-24 RU RU2012136533/28A patent/RU2523744C2/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU791153A1 (en) * | 1979-04-04 | 1983-06-23 | Институт Геохимии И Физики Минералов Ан Усср | Maser and method for driving the same |
US5291145A (en) * | 1991-03-14 | 1994-03-01 | Hitachi, Ltd. | Microwave processing equipment |
US6515539B1 (en) * | 2000-04-12 | 2003-02-04 | Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem | Microwave devices based on chemically induced dynamic electron spin polarization |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
C.Santori и др. "Coherent population trapping in diamond N-V centers at zero magnetic field", OPTICS EXPRESS Vol. 14, No. 17, 03.08.2006, стр. 7986-7994. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012136533A (en) | 2014-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yariv et al. | The laser | |
Lezama et al. | Electromagnetically induced absorption | |
Ahlefeldt et al. | Ultranarrow optical inhomogeneous linewidth in a stoichiometric rare-earth crystal | |
Youn et al. | Dysprosium magneto-optical traps | |
De Seze et al. | Experimental tailoring of a three-level Λ system in Tm 3+: YAG | |
Böttger et al. | Material optimization of Er3+: Y2SiO5 at 1.5 um for optical processing, memory, and laser frequency stabilization applications | |
Zharikov et al. | Spectral, luminescence, and lasing properties of a yttrium scandium gallium garnet crystal activated with chromium and erbium | |
Pollack | Spectrum of trivalent erbium ion in the matrix of calcium fluoride | |
Cone et al. | Rare-earth-doped materials with application to optical signal processing, quantum information science, and medical imaging technology | |
Devor et al. | Microwave generation in ruby due to population inversion produced by optical absorption | |
RU2523744C2 (en) | Active material for optically pumped maser and optically pumped maser | |
US3403349A (en) | Optically pumped maser and solid state light source for use therein | |
Buckingham | Theory of the stimulated Raman and related effects | |
US6515539B1 (en) | Microwave devices based on chemically induced dynamic electron spin polarization | |
EP3659220B1 (en) | Room temperature masing using spin-defect centres | |
Townes | Production of coherent radiation by atoms and molecules | |
Tobin et al. | Stark effect on FIR waveguide laser action | |
Apolonsky et al. | Lasing on the D 2 line of sodium in a helium atmosphere due to optical pumping on the D 1 line (up-conversion) | |
Krupke | Performance of laser-pumped quantum counters | |
Kamal | Laser Abstracts: Volume 1 | |
Stalder et al. | Spectroscopy of 3‐μm laser transitions in YAlO3: Er | |
US3678400A (en) | {11 s{11 {11 {11 impurity maser | |
RU2633722C2 (en) | Quantum generator (laser) with optical pumping (versions) | |
Shtykov et al. | Some Types of Quantum Generators and Amplifiers | |
Burdett et al. | Tunable lasers |