Мазеры (стр. 2 из 2)

Индуцированное излучение, представляющее собой основу действия мазера, является обратным процессом по отношению к поглощению электромагнитных волн или фотонов атомными системами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона переходит во внутреннюю энергию атома. Атом в этом случае переходит в возбужденное квантовое состояние. Позднее он может спонтанно излучить эту энергию, эмитируя фотон и возвращаясь в основное или в некоторое иное промежуточное состояние. В продолжение периода, когда атом еще возбужден, он может быть вынужден эмитировать фотон, если этот возбужденный атом испытает соударение с фотоном, имеющим в точности энергию фотона, который был бы испущен атомом спонтанно. В результате пришедший со стороны фотон или волна получают приращение за счет фотона от данного возбужденного атома. Наиболее важным и примечательным является то, что волна после ее испускания находится точно в той же фазе, что и первоначальная волна, обусловившая испускание вторичной. Это явление — наиболее существенный момент самого принципа мазера.

Основной задачей при проектировании мазера является создание активной среды, в которой большинство атомов может быть приведено в возбужденное состояние, так что электромагнитная волна соответствующей частоты, проходящая через нее, обусловит целую лавину фотонов. Для того чтобы вынужденное излучение доминировало над поглощением, должен быть обеспечен избыток возбужденных атомов. Атомы приводятся возбужденное состояние путем впуска в систему электромагнитной энергии с длиной волны, отличающейся от наведенной волны; процесс активации называется подкачкой. Коль скоро активная среда приготовлена, она может быть заключена в зеркальный ящик или полый резонатор. Тогда волна, начавшаяся у одной из стенок ящика, будет расти по амплитуде, пока не достигнет другой стенки, где она отразится обратно, в массу возбужденных атомов. На стенках неизбежны потери вследствие неидеального отражения. Если усиление вследствие вынужденного излучения достаточно велико для перекрывания этих отражательных потерь, в ящике установится стоячая волна. В сантиметровом диапазоне нетрудно построить ящик, имеющий размеры длины волны и спроектированный таким образом, что установится волна лишь одного определенного вида. Каждый вид колебаний соответствует выходной частоте; добавочные типы колебаний обусловливают дополнительные частоты, или шум, и конкурируют с желаемым типом колебаний, отнимая энергию от источника, возбуждающего атомы.

Атомы хрома (черные кружки) в кристалле рубинового мазера закачиваются на более высокие энергетические уровни и затем вынуждаются к эмиссии фотонов, образующих мазерный луч Атомы в основном состоянии (а) поглощают фотоны (волнистые стрелки), которые накачивают их на одну из двух энергетических полос (б) Атомы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят на метастабильный энергетический уровень (в) Под действием фотонов от других атомов хрома они излучают фотоны характерной длины волны и переходят в основное состояние (г).

Предложение об использовании доплеровского преобразования частоты излучения электронов-осцилляторов, перемещающихся с релятивистской поступательной скоростью

породило несколько классов когерентных и квазикогерентных источников электромагнитных волн в диапазоне см. Соответствующие источники когерентного излучения – лазеры и мазеры на свободных электронах (ЛСЭ и МСЭ)- обеспечивают излучене с импульсной мощностью порядка 10000 Вт на волне 3, 4 мкм и Вт на волнах от 1см до 0, 4 мм. Однако ЛСЭ и МСЭ, использующие в качестве инжекторов сильноточные электронные ускорители из-за отсутствия или несовершенства систем обратной связи обладали до сих пор низкой эффективностью и низкой степенью когерентности сигнала.

Основная трудность в создании электродинамических систем, адекватных сильноточным МСЭ и ЛСЭ заключается в необходимости одновременно удовлетворить требованиям, чтобы такая система обеспечивала селективное возбуждение моды, образованной потоком лучей, которые распространялись бы под малым углом

к поступательной скорости частиц : и могла бы транспортировать интенсивный электронный поток. Решением проблемы может служить использование высокоселективных резонаторов в виде отрезка металлического волновода с гофрированной боковой стенкой, где при брэгговском условии:

реализуется резонансное рассеяние волн.

Наряду с совершенствованием электродинамических систем развитие МСЭ и ЛСЭ должно включать в себя и совершенствование активного вещества. Каждому типу инжекторов и каждому частотному диапазону должен соответствовать свой наиболее удобный способ придания электронам осцилляторного движения. Пока же в качестве осцилляторов используют электроны, колеблющиеся с баунс-частотой

в периодическом магнитном поле. МСЭ и ЛСЭ соответствующего типа – убитроны – весьма перспективны для продвижения в оптической, а возможно и в более коротковолновые диапазоны. Что же касается относительно длинных волн, то здесь наиболее привлекателен мазер на циклотронном авторезонансе (МЦАР), где электроны, вращающиеся с частотой в однородном магнитном поле взаимодействуют с волной, фазовая скорость которой близка к скорости света. В таких условиях, близких к авторезонансу, отклонение частиц от синхронизма с волной, вызванные изменением их энергий и поступательных скоростей, почти полностью компенсируют друг друга: . Благодаря этому МЦАР, согласно теории, должен обладать более высоким КПД и быть менее чувствительным (адаптивным) к начальному разбросу скоростей электронов, чем другие МСЭ и ЛСЭ.

Для проверки изложенных соображений была рассчитана на основе нелинейной теории конструкция, в которой изменением параметров ускорителя и электронно-оптической системы можно было реализовать как режим убитрона, так и режим МЦАР. Трубчатый электронный пучок имел диаметр 6 мм, энергию частиц 350-600 кэВ, ток 0, 4-1, 0 кА и длительность 100 нс. Для уменьшения разбросов поперечных скоростей частиц

и радиусов их ведущих центров использовался двойной катод, помещённый в магнитное поле той же величины, что и на участке взаимодействия. Накачка осцилляторной энергии в пучок производилась пространственно- модулированным магнитным полем с периодом D=2 cм. Модуляция осуществлялась вытеснением поля импульсного соленоида системой медных колец, имеющих радиальные разрезы. Такая конструкция отличается от широко применяемых систем сплошных колец тем, что не приводит к снижению продольного поля. В МЦАР использовались 3 кольца, в убитроне 12 колец.

Резонатор МСЭ представляет собой отрезок цилиндрического волновода кругового сечения с двумя брэгговскими зеркалами- периодически гофрированными участками, разделёнными гладким участком. В качестве рабочей была выбрана волна

с фазовой скоростью 0, 97с; коэффициэнты отражения волны от гофрированных участков составляют 0, 9. Излучение выводится дифракционным способом.

Частота излучения определялась полосовыми фильтрами. Идентификация моды проводилась на основе диаграммных и поляризационных измерений. Мощность измерялась полупроводниковыми датчиками на горячих носителях, к которым излучение поступало по калиброванному тракту, образованному выходным волноводом, приемным рупором и участком волновода сечением 3, 6*1, 8 мм.