WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 2 01;08 Резонансная дестабилизация микроволнового индуцированного излучения фононов в акустическом квантовом генераторе (фазере) при периодической модуляции накачки © Д.Н. Маковецкий Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, 61085 Харьков, Украина e-mail: makov@ire.kharkov.ua (Поступило в Редакцию 31 октября 2002 г. В окончательной редакции 16 июля 2003 г.) Экспериментально обнаружены два качественно различных типа резонансной дестабилизации фононного индуцированного излучения (ИИ) в условиях периодической модуляции многомодового рубинового фазера, генерирующего в области частот 9 GHz (частота электромагнитной накачки 23 GHz). При глубокой модуляции накачки в низкочастотном диапазоне (частота модуляции m = 70-200 Hz) наблюдается быстрое хаотическое чередование микроволновых фононных мод ИИ. Указанная область дестабилизации соответствует релаксационному резонансу в оптических лазерах. Вне области релаксационного резонанса (при m 10 Hz) обнаружен второй тип ризонансной дестабилизации стационарного фононного ИИ, который приводит к формированию очень медленных регулярных самоперестроек микроволновых спектров ИИ.

Период этих самоорганизованных движений очень сильно зависит от m и изменяется на несколько порядков при вариации m всего лишь на несколько процентов. Предлагается интерпретация второго типа резонансной дестабилизации ИИ, основанная на антифазовом механизме межмодового энергообмена в модулированном фазере.

Введение фазерной генерации гораздо ближе к тем процессам, которые реализуются в оптических лазерах, а не в Возможность наблюдения фононного индуцированно- мазерных генераторах микроволнового диапазона. Дейго излучения (ИИ) в активированных кристаллах те- ствительно, длина гиперзвуковых волн в акустическом оретически рассматривалась еще в 1960-х годах [1,2], резонаторе Фабри–Перо (АРФП) составляет приблиразличные новые механизмы фононного ИИ обсужда- зительно 1-3 µm (т. е. отвечает длине волны электроются и в настоящее время (см., например, [3]). Экспе- магнитного излучения в ближнем инфракрасном диапариментально фононное ИИ было впервые обнаружено зоне). При этом добротность АРФП QC, как и доброти исследовано в работах [4–8] на диэлектрических кри- ность электромагнитных резонаторов во многих лазерах, сталлах, легированных парамагнитными ионами группы достигает больших значений QC 105-106 [11,17,18] железа. Эффект ИИ в этих работах наблюдался в (естественно, лишь при температурах жидкого гелия, виде квантового парамагнитного усиления когерентного когда нерезонансное затухание гиперзвука невелико).

потока микроволновых фононов (гиперзвука) при инвер- В результате для акустических квантовых генератосии населенностей спиновых уровней, переходы между ров, работающих в автономном режиме, эксперименкоторыми разрешены для спин-фононного взаимодей- тально зарегистрированные спектры ИИ [11,15,17] в ствия. Этот эффект можно рассматривать как акустиче- ряде случаев очень напоминают те, что наблюдаются ский аналог [9] мазерного усиления электромагнитных в многомодовых твердотельных лазерах класса B (для микроволновых колебаний (с учетом определенных осо- которых 1 C 2, где 1 и 2 — соответственно бенностей нелинейных процессов в каналах сигнала и времена продольной и поперечной релаксации активных накачки [10–13]).

центров, C — время жизни полевых возбуждений в В то же время природа механизма квантовой гене- резонаторе).

рации микроволновых акустических колебаний, экспе- Однако есть и принципиальное отличие акустического риментально обнаруженных в [14,15], на протяжении квантового генератора от оптического лазера, касаюдлительного времени оставалась невыясненной. По сути щееся интенсивности собственных квантовых шумов тут сказывалась своеобразная инерция — стремление (спонтанного излучения) Jspont. Поскольку скорость гипровести такую же аналогию [16] между акустическим перзвука vu на 5 порядков меньше, чем скорость света, квантовым генератором (фазером) и электромагнитным то при длине гиперзвуковой волны 1-3 µm частота ИИ мазерным генератором, какая имеет место для соответ- в фазере лежит в диапазоне 3-10 GHz [12,18,19], ствующих усилителей.

т. е. на 5 порядков ниже, чем в лазере. Соответственно В работах [11,17,18] при экспериментальном исследо- относительный уровень спонтанной компоненты излучевании микроволнового акустического ИИ в кристаллах ния в фазере на 15 порядков меньше, чем в лазере Ni2+: Al2O3 и Cr2+: Al2O3 было показано, что процессы (из-за того, что Jspont возрастает как 3). По сути это 6 84 Д.Н. Маковецкий позволяет рассматривать фазер как детерминированную динамическую систему практически во всем доступном для исследований диапазоне интенсивностей ИИ. Указанное обстоятельство имеет решающее значение при изучение движений в системах со сложным, стратифицированным фазовым пространством. Как известно, мультипликативные шумы (к числу которых относится и спонтанное излучение в нелинейной активной среде) весьма нетривиальным образом влияют на поведение динамических систем [19], что приводит, например, к огрублению топологии фазового пространства [20] и т. п.

Ранее нами было экспериментально обнаружено [21] многократное динамическое сужение спектров ИИ в нелинейном АРФП, вызванное резонансной дестабилизацией межмодового энергообмена, что приводит к качественным изменениям топологии фазового простран- Рис. 1. Схема энергетических уровней активных центров Cr3+ в рубиновом фазере.

ства, не связанным с шумовыми эффектами. Дальнейшее исследование этой микроволновой детерминированной системы в составе неавтономного фазерного генератора позволило обнаружить еще более неожиданное ее при которой возникает возбуждение фазерной генесвойство — медленные крупномасштабные ламинарные рации), лежат вблизи 9.12 GHz в соответствии с часамоперестройки спектров ИИ, напоминающие автовол-стотой S = 32 [E3(H) - E2(H)] инвертированновые движения [18,22]. Детальное изложение полученного спинового перехода активных центров E3 Eных экспериментальных результатов и их теоретическая в статическом магнитном поле H H0. Таким обинтерпретация и составляет предмет данной работы.

разом, частота S отвечает вершине линии акустического парамагнитного резонанса (АПР), совмещенной по магнитному полю с двумя линиями элек1. Эксперимент тронного парамагнитного резонанса (ЭПР) накачки.

Величина H0 определяется частотой P микровол1.1. Микроволновой акустический резонового поля накачки, которое одновременно насыщанатор Фабри- Перо, активные центры, гиет спиновые переходы E1 E3 и E2 E4, причем перзвуковой преобразователь. Эксперименты - P = 31 = 42 S, где 31 = [E3(H0) - E1(H0)], были выполнены нами на рубиновом фазере [11,21,23] - 42 [E4(H0) - E2(H0)] (рис. 1). Символами |i при периодической модуляции мощности накачки P в обобозначены волновые функции, принадлежащие энергеласти низких и сверхнизких частот (НЧ и СНЧ), а иментическим уровням Ei основанного спинового квадруплено в диапазоне m/2 = 1Hz–3kHz, где m — частота та (спин S = 3/2, орбитальное квантовое число L = 0) модуляции (далее делитель 2 в подобных выражениях иона Cr3+ в кристаллическом поле рубина. Поскольку будем опускать). Твердотельный АРФП, изготовленный это поле имеет тригональную симметрию, то все Ei и из монокристалла розового рубина Al2O3 : Cr3+, имеет |i зависят лишь от H |H| и азимутального угла форму цилиндра с диаметром dC = 2.6mm и длиной между H и O3 [24].

LC = 17.6 mm. Торцевые поверхности цилиндра выполНа одно из зеркал АРФП нанесена тонкая (с толнены плоскими и параллельными с оптической точнощиной приблизительно 0.5 µm) текстурированная пьестью — они являются акустическими зеркалами для зоэлектрическая пленка ZnO с подслоем Al толщигиперзвуковых волн. Кристаллографическая ось рубина ной 0.1 µm (обе пленки были получены методом ватретьего порядка O3 совпадает с геометрической осью куумного испарения). Ось текстуры перпендикулярна АРФП OC. Атомная концентрация ионов Cr3+ составпо отношению к зеркалу АРФП. Пленка ZnO является ляет Ca = 1.3 · 1019 cm-3 (т. е. 0.03%). Все измерения главной компонентой двунаправленного гиперзвуковобыли выполнены при температурах T = 1.8-4.2K.

го преобразователя, презназначенного для конверсии Расстояние между продольными акустическими момикроволнового фононного поля в электромагнитное дами АРФП при частотах гиперзвука в окрестности поле и обратно. Так, фононное ИИ, возникающее вну = 9.1 GHz для указанного выше значения LC сотри АРФП, возбуждает электромагнитные колебания в ставляет 0 (0) - (0) = 310 kHz. Здесь 0) — пленке ZnO, а соответствующий электромагнитный сигN N N-1 N частота N-й моды АРФП в „холодном“ режиме, нал может быть зарегистрирован обычными методами т. е. при P = 0. Частоты излучаемого гиперзвука, т. е.

микроволновой техники. С другой стороны, возбуждая частоты мод фононного ИИ N (P) в „горячем“ пленку ZnO снаружи электромагнитными волнами с N режиме (при P > Pg, где Pg — мощность накачки, частотой S, мы инжектируем в АРФП гиперзвуковые Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Резонансная дестабилизация микроволнового индуцированного излучения фононов... (S) (S) волны с той же частотой, причем u 3.3 · 10-4e Указанная „добротность“ определяется следующим (S) образом:

(где u — длина волны продольного гиперзвука в (S) (S) нашей системе, u 1 µm; e — длина электромагQ1 = -k1/1(P, H, 1) -k1[K(P, H) (H, 1)]-1, (2) нитной волны, имеющей ту же частоту, что и гиперзвук, (S) e 3cm).

где 1 —положительный (при K(P) > 0) коэффициент 1.2. Инверсионные состояния активных квантового усиления гиперзвука для рассматриваемой центров и условия самовозбуждения фо- моды, — коэффициент парамагнитного поглощения н о н н о й г е н е р а ц и и. Инверсионые спиновые состо- гиперзвука при P = 0.

яния активных центров Cr3+ формируются, как было Выражение для имеет следующий вид [25, с. 283]:

отмечено выше, микроволновым электромагнитным по22Ca2g()| |лем накачки. Частота источника накачки P может mn mn =, (3) перестраиваться в пределах 22–25 GHz, т. е. длина волны (2S + 1) v3kBT u (P) накачки e лежит в диапазоне 1.25 cm. Максимальная где = /2, g() — форм-фактор линии АПР; — мощность накачки достигает P = P(full) = 12 mW при плотность кристалла; kB — постоянная Больцмана;

P 23 GHz. Поле накачки через дифракционный эле — параметр связи спинового перехода Em En с mn мент связи возбуждается в цилиндрическом электромаггиперзвуковой волной, имеющей заданное направление нитном объемном резонаторе накачки типа H011, имеюраспространения и поляризацию.

(0) щем собственную частоту CP = 23.0 GHz, добротность Форм-фактор линии АПР нормирован на единицу QCP 8 · 103 и геометрическую длину, совпадающую с длиной АРФП LC.

Рубиновый АРФП размещается внутри указанного реg()d = 1, (4) зонатора накачки вдоль его оси. Если P = 0, а величина и направление H лежат вне области АПР, то поглощение гиперзвука, инжектированного в АРФП, определя- а матричный элемент для продольной гиперзвукоmn вой волны, распространяющейся вдоль оси рубина O3, ется следующими двумя факторами: 1) нерезонансным определяется следующим образом (ось O3 параллельна объемным затуханием гиперзвука vol (сюда включаются оси координат z ):

и потери на боковых поверхностях АРФП); 2) потерями гиперзвука на зеркалах АРФП mirr.

Если при P = 0 величина и направление H находятся = m| |n mn zz в области АПР, т. е. выполняется H H0, то к указанным двум механизмам потерь добавляется третий — реG= 3 m|2|n -S(S + 1) m|n, (5) зонансное парамагнитное поглощение гиперзвука, очень z сильно зависящее от частоты инжектированного сигнала где zz — компонента тензора упругих деформаи от расстройки магнитного поля относительно вершины линии АПР [25].

ций, — гамильтониан спин-фононного взаимодейНаконец, при H H0 и при включении накачки ствия [6,9], G33 — компонента тензора спин-фононного наблюдается уменьшение резонансного парамагнитного взаимодействия в обозначениях Фогта [6], z —проекпоглощения гиперзвука. Если при дальнейшем увеличеция векторного оператора спина на ось z.

нии P удается перейти в область, где парамагнитное поДля оценки используем экспериментально поmn глощение становится отрицательным (т. е. достигаются лученное значение G33 = 5.8cm-1 = 1.16 · 10-15 erg и положительные значения коэффициента инверсии K (P, волновые функции для перехода E3 E2 ионов Cr3+ H)), то происходит частичная или полная компенсация в тригональном кристаллическом поле рубина, вынепарамагнитных потерь гиперзвука в АРФП. Полная численные в работе [24] на основе эксперименталькомпенсация потерь (т. е. самовозбуждение фазерной ных данных по ЭПР. При H = 3.92 kOe и при нагенерации) возникает сначала на той моде (обозначим правлении H под углом = symn по отношению к ее частоту как 1), которая лежит ближе всего к оси z, где symn = arccos(1/ 3) =5444, из (5) находим центру инвертированной линии АПР и для которой 10-15 erg. Выбор = symm, продиктован условиmn соответственно раньше всех других мод выполняется ями так называемого симметричного (или пушпульного) условие режима накачки [24]. Этот режим реализуется благодаря 1 1 указанному выше равенству E4 - E2 = E3 - E1 (рис. 1), + + < 0, (1) Q(1) Q(1) Q(1) которое имеет место при = symn и дает возможность magn vol mirr получить наиболее эффективную инверсию на сигнальгде Q(1) = k1/vol, Q(1) = k1/mirr, k1 = 1/vu, а vol mirr ном переходе E3 E2 спиновой системы. В итоге из (3) Q(1) — отрицательная (при K > 0) магнитная при S = 9.1GHz, g(S) =10-8 s, Ca = 1.3 · 1019 cm-3, magn „добротность“ этой первой моды, выходящей в область = 4g/cm3, vu = 1.1 · 106 cm/s, T = 1.8 K получаем генерации. 0.04 cm-1.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 86 Д.Н. Маковецкий (0) Нагруженная акустическая добротность QC руби- или разрушения небольшой части мод ИИ [18]. В нестанового АРФП (с пьезопленкой) была измерена нами ционарных фононных микроволновых спектрах (ФМС) эхо-импульсным методом на частотах = 9.0-9.2GHz. при | | 30 Oe возникают также и селективные расH (0) При H = 0, P = 0 было получено QC (5.2 ± 0.4) · 105 щепления мод свободной генерации.

Эти расщепления, как правило, составляют единицы для всех продольных акустических мод, лежащих или (значительно реже) десятки килогерц, что намного в указанном диапазоне частот. Отсюда находим (0) меньше по сравнению с N 300 kHz, количество vol + mirr = /QC vu 0.1cm-1.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.