АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ МАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И МАЗЕР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ
ACTIVE MATERIAL FOR OPTICALLY PUMPED MASER AND OPTICALLY PUMPED MASER

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к твердотельным мазерам с оптической накачкой и активным материалам для мазеров с оптической накачкой.
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.
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.
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.
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.
2+
2+
2+
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 Tm. Инверсная населенность зеемановских подуровней основного состояния ионов тулия путем оптической накачки циркулярно-поляризованным светом заданного направления относительно кристаллических осей флюорита в широкие полосы поглощения Tm, позволяющей селективно накачивать определенные спиновые подуровни основного состояния ионов тулия Tm.
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.
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.
2+
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 Tm.
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.
2
2
6
2
6
2
1/2
2
0
0
0
0
+
+
+
2+
2+
2+
3+
3+
3+
4+
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 Th, KCl, CaF, CsZrCl, ZnS, KPtCl, SnO, содержащего дефекты в виде ионов в Si основном состоянии, например Na, Cu, Ag, Au, Са, Sr, Ва, Ga, In, Tl, Si, Sn, Pbили Bi (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.
Недостатком известного активного материала является необходимость использования низких температур (не выше 12 К).
2
2+
2+
1/2
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 Si основном состоянии в виде двухзарядных таллия Tlили галлия Ga.
Недостатком известного мазера является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера.
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.
Недостатками известного активного материала являются необходимость использования низких температур и циркулярно-поляризованного света определенного направления, а также временная нестабильность центров окраски.
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.
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.
2
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 (Нтетрафенил-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.
Недостатками известного активного материала являются его жидкая форма, необходимость использования импульсного оптического возбуждения, отсутствие постоянного химического состава со строго определенными свойствами.
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.
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.
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.
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.
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}.
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.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
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.
Кристалл карбида кремния может представлять собой нанокристалл.
Кристалл карбида кремния может содержать уменьшенное содержание изотопов С13 и/или Si29 с ядерным магнитным моментом.
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.
Могут использоваться нанокристаллы карбида кремния, содержащие счетное количество дефектов с мазерным эффектом вплоть до единичного дефекта.
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).
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.
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.
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.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
s
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; M - проекции электронного спина на направление магнитного поля; В - магнитное поле; излучательные переходы обозначены толстыми линиями);
s
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; M - проекции электронного спина на направление магнитного поля; В - магнитное поле (излучательные переходы обозначены толстыми линиями);
на фиг.3. приведен пример мазера с оптической закачкой в соответствии с настоящим изобретением.
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.
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).
Активный материал 6 является кристаллом карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты.
Мазер с оптической закачкой работает следующим образом.
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.
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.
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.
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.