Verstärker für elektromagnetische Wellen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ver stärker für elektromagnetische Wellen und inssbeson- d-Cre einen verbesserten Verstärker vom Maser - Typ.
Die Bezeichnung Maser ist bekanntlich eine Abkürzung für Iden Ausdruck Microwave A.mplifi- aation by Stimulated Emission .of Ra@diation . Die Verstärkung durch einen Maser ist abhängig vom Vorhandensein von diskreten Energieniveiaus in einem Madium. Im .allgemeinen ist die <RTI
ID="0001.0027"> Elektronen- verteilung unter den möglichen Energieniveaus in einem Medium in einem Zustand thermischen Gleich- gewichts, so @dass die Besetzungszahlen irgend zweier Zustände der Boltzmannschen Verteilung gehorchen, welche durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückt ist:
EMI0001.0040
wo N-9 gleich der Anzahl Partikel pro Volumen einheit im Zustand höherer Energie und Ni gleich der Anzahl Partikel pro Volumeneinheit im Zu stand niedriger Energie ist, wenn sich das System im thermischen Gleichgewicht befindet, E gleich der Energiedifferenz zwischen .den zwei Zuständen,
k gleich der Boltzmann-Konstanten (1,4 X 10-1c erg/ .K) und T die ,absolute Temperatur in K des- Partikel-Systems ist.
Demgemäss sind in einem atü- maren System .höhere Energieniveaus weniger dicht besetzt als tiefere Energieniveaus. Es findet ein Austausch der Elektronenbesetzungen zwischen den Energieniveaus @statt, wenn elektromagnetische Wel len dem Medium zugeführt wenden, deren Frequenz in einer bestimmten Beziehung zur Energiedifferenz zwischen ,
zwei besonderen Energieniveaus steht. Die Beziehning zwischen der Frequenz -der e}ektroma- gnetischen Wellen und :der Energiediffe,renz zwischen den zwei Energieniveaus ist gegeben durch die Plancksche Gleichung:
EMI0001.0088
wo<I>h</I> die Plancksche Konstante, <I>f</I> die beim über- gang zwischen -den beiden Ernergleniveaus emittierte Frequenz, El die Energie des höheren Energie niveaus und E2 die Energie des tieferen Energie niveaus ist.
Ein gewisser Bruchteil der Elektronen besetzung im tieferen Energieniveau absorbiert Strah- lung und wird auf das höhere Energieniveau und ein gleich grosser Bruchteil der El<B>ek</B> tronenbesetzung im höheren Energieniveau wird inn- geregt und remittiert eine Strahlung und <RTI
ID="0001.0117"> fällt sauf das tiefere Energienivieau .ab. Im thermischen Gleich 01 wicht, bei welchem im tieferen Energieniveau eine grössere Eloktronenbesetzung vorhanden ist, gibt die elektromagniefsche Welle ,bei der Wechselwirkung mit dem Medium Energie ab, welche dem Medium zukommt,
um die Netto-Elektronenbesetzung aus Odem tieferen zum höheren Energieniveau anzuhaben. Das Netto-Engebnis besteht meiner Absorption von Energie durch das Medium laus :der elektromagneti schen. Welle.
Wenn anderseits ein Medium vorliegt, :in welchem während einer endlichen Zeit ein höheres Energieniveau eine grösswre Dichte der Elektronen besetzung aufweist Aals ein tieferes Energieniveau, kann eine Netto-Emission vorliegen, d. h.
einfallende elektromagnetische Wellen, deren Retriebsfrequenz in richtiger Beziehum.g .zur Energiedifferenz der Ener- gieniveaus steht, bewirken während :dieser endlichen Zeit, @dass .bei -der Bstriebsfrequenz eine grössere Lei- stung abstrahlt als absorbiert wird, so d ass sich :
eine Verstärkung der elektromagnetischen Wellen ergibt.
Um elektromagnetische Wellen zu verstärken, muss daher ein Medium vorliegen, in welchem idie ,Elektronenbesetzung ,des höheren Energieniveaus grö sser ist als diejenige des tieferen Energieniveaus, d. h.
es ist eine Inversion oder Umkehrung der Elektronen, :basetzung zwischen den Energieniveaus des Mediums vorhanden.
Eine solche Verteilung der Elektronen- ,besetzung befindet sich jedoch nicht im :
thermischen Gleichgewicht, und sie entspricht seinem negativen Wert der .absoluten Temperatur. Es sind bereits mehrere Verfahren verwendet worden, um eine In version der Elaktronenbesetzungszahlen zwischen Energieniveaus in einem Medium zu erzielen.
Ein solches Verfahren wind bei dem :sogenannben Zwei-Niveau-Maser !angewendet. Ein Medium, wel ches zwei Energieniveaus .aufweist, wind auf seine Temperatur abgekühlt, die einige Grade über dem absoluten Nullpunkt liegt, beispielsweise nuteinem Bad aus flüssigem Helium, mit der Absicht,
ein thermisches Gleichgewicht herzustellen, so :dass die meisten Elektronen des Mediums in das tiefere Niveau der beiden Energieniveaus :abfallen.
Um das Verhältnis der Besetzungszahlen umzukehren, wird das Medium einem Pump-signal in der Form eines Hochleistungs-lvlikrowellenimpulses unterwor fen, welcher die Elektronen kurzzeitig auf das höhere Energieniveau anhebt und dadurch ,das Me- dium in einen angeregten Zustand versetzt. In diesem angeregten Zustand wirkt das Medium :
als Verstärker für ein schwaches Mikrowellensignal, welches eine Frequenz aufweist, die in rsohtiger Beziehung zur Differenz der En rgieniveaus steht und gleich der jenigen des Pumpsignals ist. Die sich ergebende Energieverstärkung ist sntermittierend, da der er forderliche Zustand für eine Maser-Verstärkung, d. h.
der :angeregte Zustand, nur während einer kurzen. Dauer nach dem P:umpimpuls :andauert. Nach dem P:umpimpuls kehrt das Medvum langsaan durch einen Relaxationsvorgang in das thermische Gleichgewicht zurück, id. h.
das tiefere Energieniveau wird wieder- um dichter besetzt. Abgesehen von dem intermttie- renden Betrieb, welcher idieser Art von Zwei-Niveau- Maser eigen ist, erweist sich dieser Maser zu Ver- stärkerzwecken .als ungeeignet,
da die Arbeite- oder Betriebszeit gewöhnlich ein kleiner Bruchteil der Rückstellzeit ist.
Ein anderes Verfahren .zur Erzielung :der Inver sion -der Besetzungszahlen .und zur Vermeidung des Nachteils -des intermittierenden Betriebs des oben erwähnten Zwei-Niveau-Masers wird .bei Odem soge nannten Drei-Niveau-Maser angewendet. Dieser Typ von Maser macht sich den Vorteil <RTI
ID="0002.0142"> zunutze, dass in gewissen Medien drei Energieniveaus vorhanden sind. Das Medium wird wie beim ZwetNiveau-Maser :abgekühlt, um eine :grosse Besetzungsdifferenz zwi schen allen drei Energieniveaus zu erzielen. In das Medium wird ;
ein Wechselstrom-Pumpsignal einge koppelt, um zwischen mindestens zwei ider Energie- niveaus eine invertierte Elektronenbesetzung ,zu er zeugen.
Beispielsweise hebt idas Wechselstrom-Pump- signal Elektronen vom tiefsten Energieniveau :auf :das höchste Energieniveau an, und zwar so, dass sich eine .gleiche gesättigte Elektronen-Besetzung in diesen Niveaus ergibt.
In diesem Zustand hat ent weder :das höchste Energieniveau eine grössere Elek- tronenbesetzung .als das mittlere Energieniveau oder .das mittlere Energieniveau eine :grössere Elektronen# besetzung als das tiefste Energieniveau, und zwar in Abhängigkeit der Energie des .mittleren Energie niveaus.
Es kann nun seine Verstärkung elektro- magnetisch.er Wellen stattfinden, welche eine Fre quenz aufweisen, idie ider Differenz der Energie niveaus zwischen dem mittleren Energieniveau und dem höheren Energieniveau oder zwischen dem tiefe- ran Energieniveau :
und dem höheren Energieniveau entspricht, und zwar je nachdem, welches Paar von Niveaus die Inversion :der Besetzung aufweist. Unter diesen Verhältnissen kann seine kontiniuier- l:
iche Verstärkung einer elektromagnetischen Welle erfolgen, @da Elektronen vom tiefsten Energivmveau zum höchsten Energieniveau gepumpt werden kön nen, um das Meidiüm idauernd in einem angeregten Zustand zu halten, während die elektromagnetischen Wallen gleichzeitig verstärkt wenden, und zwar da durch, d@ass :
die Elektronen ,dazu @angeregt werden, vom höchsten Energieniveau zum mittleren Energie niveau. zurückzukehren. Obwohl es zutrifft, @d@ass der Drei Niveau-Maser eine kontinuierliche Verstärkung ermöglicht, ist ein Pumpsignal erforderlich, welches eine Mikrowellenfrequenz aufweist,
idie höher ist als idejenige der zu verstärkenden elektromagneti schen Wellen. Dieser Umstand führt zu einer kom plizierten und kostspieligen Einrichtung und einer Beschränkung der Betriebsfrequenz .des Maiers.
Der Betrieb eines solchen Maiers kann .nicht in den Sub- millimeter-Wellenlän,genbereich (tiefere Infrarotfre- quenzen) ausgedehnt werden, :
und zwar wegen der Forderung, @dass die Pumpsignalfrequenz höher als die Frequenz .des zu verstärkenden Signals sein muss, ida heute bekannte Oszillatoren nicht in ider Lage sind, Signale im Submillim,eter-Wellenlängenibereiah zu erzeugen.
Gegenstand :der Erfindung ist ein Verstärker für elektromagnetische Wellen, welcher einen Körper mit mehreren atomaren Energieniveaus und Mittel auf weist, um dem Körper elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Frequenz zuzuführen und solche Wellen diesem Körper zu entnehmen.
Dieser Verstärker ist gekennzeichnet durch eine Quelle, welche dem Körper einen Erregergleichstrom zu führt, um eine Änderung der Elektronenbesetzung der Energieniveaus @zu erzeugen,
so dass mindestens ein Teil des Körpers bei ider genannten Frequenz eine Besetzung ider Niveaus ,aufweist, die derjeni- gen :bei einer negativen absoluten Temperatur ent spricht.
Gemäss einer Ausführungsform wird eine Gleich- stromquelle zur Lieferung Ader Erregerenergie vor- gesehen, um eine Inversion der Elektronenbesetzung in einem Maser mit zwei .Energieniveaus zu bewirken, idamit elektromagnetische Wellen im Subm:
illimeter- bereich (tiefere Infrarotfrequenzen) .uiid nm Mikro- wellenbereich verstärkt werden können.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird ein Festkörper-Maser -mit zwei Energieniveaus vorge sehen, welcher einen Körper aufweist, welcher einen Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand und nega tivem oder abnormalem g-Faktor und ein Material mit positivem oder normalem g -Faktor enthält,
wo bei der Halbleiter und das genannte Material in praktisch kontinuierlicher enger Berührung stehen, wobei eine Gleiehstrompumpquelle im Nebenschluss mit dem Festkörper gekoppelt ist und die Polarität des Signals dieser Gleichstromquelle oder das für Aden Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand ge wählte Material den iB.etriebsfrequenzb,
eneich des Maiers bestimmen. Die Wahl eines .gegebenen Ma terials für Halbleiter in invertiertem Spin Zustand und Tals Material mit positivem g-Faktor für einen besonderen Betriebsfrequenzbereich verbessert Iden Betrieb des Masers in idiesem besonderen Frequenz bereich.
Das Symbol g und ,der Ausdruck gFaktor , welche in Aden vorliegenden Unterlagen verwendet werden, beziehen sich auf den spektroskopischen Aufspaltungsfaktor, welcher gleich 2,0023 für freie Elektronen ist und .dem Landäschen Aufspaltungs- faktor ider atomaren Spektroskopie entspricht. Der Ausdruck g-Faktor wird gelegentlich auch magne tischer
Aufspaltungsfaktor genannt, @da die Energie- aufspaltung durch ein Magnetfeld erfolgt.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezug nahme auf die Zeichnung beispielsweise näher er läutert. In der Zeichnung zeigt: -die Fig. 1 einen teilweise im Schnitt dargestell ten.
Verstärker für elektromagnetische Wellen im Infrarot-B;enelch in schematischer Form, die Fig. 2 ein Energieniveau-Diagrammzur Er läuterung der Arbeitsweise :
des Verstärkers nach Fig. 1, <B>,die</B> Fig. 3 in schematischer Form einen Ver stärker für elektromagnetische Wellen sm Mikro wellen Frequenzbereich, die Fig. 4 ein Energienive@au-Diagnainm zur Er läuterung einer Arbeitsweise :
des Verstärkers nach Fig. 3 und die Fig. 5 ein Energieniveau-Diagramm zur Er läuterung einer anderen möglichen Arbeitsweisse des Verstärkers nach Fig. 3.
Bevor besondere Ausfiührungsbeispiele der vor liegenden Erfindung eingehender .beschrieben wer den, soll kurz -auf das allgemeine bei der vorlie- g2nden Erfindung angewandte Prinzip eingegangen werden, welches zur Wahl und besonderen Form der Materialien führt, welche zur Erzielung der erforderlichen Inversion :
der Elektronenbesetzung ent sprechend einem negativen Wert iderabsoluten Tem- peratur zur Verstärkung durch induzierte Emission eingegangen wenden.
Der erfindungsgemässe Ver stärker für elektromagnetische Wellen verwendet ,die paramagnetische Resonanz der Spins von Leitungs elektronen in Festkörpern. Zunächst sollen freie Elektronen .betrachtet werden, die in einem Magnet- feld liegen.
Das Feld .hebt die räumliche Unordnung der Elektronen auf und bewirkt, dass sich die Spin- Vektoren parallel oder antiparallel zum Magnetfeld ausrichten, und zwar mit Energiedifferenzen. Mit ian- @deren Worten werden die Spin-Zustände der Lei- ,
tungselektronen in zwei Zeeman-Sulbzustände oder -Subniveaus aufgespalten. Die Energiedifferenz .zwi schen diesen beiden Spin-Orientnerungen ist :gegeben ,durch die Gleichung:
EMI0003.0164
wo ,u Idas Bohrsehe Magneten mit dem Wert 0;
927 X 10-20,erg/Gauss, g ider zuvor definierte ma gnetische Aufspaltungsfaktor und H die Magnet feldstärke in Gauss ist. Wiebereits erwähnt, ist g für freie Elektronen gleich 2,0023 und weist nahe zu den gleichen Wert für Leitungselektronen in Me tallen und in .den meisten Halbleitern auf.
Theore tische 17berlegungen haben jedoch -das Vorhanden sein von grossen negativen g-Faktoren in gewissen Halbleitern vorausgesagt, welche eine h@.ohe Beweg- lichkeit und eine kleine effektive Masse ;aufweisen. Dies ist an zwei Tatsachen ;
hinsichtlich der Elektro nenenergien in einem Magnetfeld gebunden. Erstens ist die Energiedifferenz 4E direkt proportional zu g und H.
Es ist jedoch eine praktische Grenze vor handen, welche idie Vergrösserung der Magnetfeld stärke über einen gewissen Punkt hinaus verunmög- licht. Aus der Planckschen Gleichung erkennt man ebenfalls, dass die Energiedifferenz direkt propor tional ist zur Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, welche beim Energieübergang zwischen den .beiden Niveaus .auftritt.
Ein .grosser g-Faktor würde die Trennung von Energieniveaus in einem Material bedeutend vergrössern und -daher fauch @die Frequenz der ..elektromagnetischen Strahlung. Zwei tens bestimmt Idas Vorzeichen das g -Faktors idie Beziehung der Energieniveaus der Spin-Orientierung in der folgenden Weise. Jedes der Zeeman-Sub-
niveaus ist gekennzeichnet durch eine Spin-Quanten- zahl m von der Grösse 1/2, wobei das Vorzeichen dieser Quantenzahl positiv ist, falls die Richtung ides Spin-Vektors parallel zum !angelegten Feld ver läuft, und negativ, falls er antiparallel verläuft.
Für :ein Material mit positivem g-Faktor gilt für das untere Energieniveau m = -1/2, was einer antiparalle- len Spin-Richtung ,zum iangelagten Feld entspricht.
Für ein Material mit negativem g-Faktor ist jedoch für das tiefere Energieniveau m = -i- 1/2, was einer Spin-Richtung entspricht, welche parallel zum an- gelegten Magnetfeld verläuft. Somit wenden :bei einem Halbleiter mit negativem oder :
abnormalem g -Faktor, d. h. einem Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand, -die parallel zum angelegten Feld ver laufenden Spins energiemässig herabgesetzt und lie- .gen im tieferen Energieniveau, wodurch sich eine Inversion der Energieniveaus der beiden möglichen Spin-Orientienungen ergibt.
Wenn das Material, welches ein atomares System bildet, sich im thermischen Gleichgewicht befindet, ist die gewöhnliche Verteilung der Elektronenbe- setzung ider Spn Niveaus vorhanden, id. h.
es ist ein Ü:berschuss an Elektronen im tieferen Energie zustand vorhanden, und zwar unbekümmiert darum, ob das Material einen negativen oder einen positiven g-Faktor aufweist.
Das Verhältnis oder Spin Beset zungszahien zwischen dem oberen und unteren Ener- gieniveau lässt sich ,aus ider vorstehenden Gleichung (1) ableiten und wie folgt darstellen:
EMI0004.0049
wo El die Energie im oberen Energieniveau und E2 die Energie im tieferen Energieniveau ist und Er und E2 .gleich E der Gleichung (1) ist. Nun kann T idurch diese Gleichung wie folgt jausgedrückt werden:
EMI0004.0064
Der Zähler der Gleichung (5) ist immer positiv, da das Energieniveau Ei defiinitionsgemäss :grösser ist als E2. Unter normalen Verhältnissen, d.
h. bei thermischern Gleichgewicht ist Ni kleiner als N2, und das den natürlichen Logarithmus enthaltend Glied der Gleichung (5) ist negativ, so dass sich für T ein Wert ergibt,
welcher grösser als Null ist. Wenn anderseits eine Biesetzungsinversion vorhanden ist, .so @dass im oberen Energienivasu eine grössere Anzahl Elektronen vorhanden ist als im tieferen Energieniveau, d.
h., IV, grösser als N2 ist, wird der Nenner der Gleichurig (5) positiv, so dass sich eine negative Temperatur T ergibt. Wenn somit die gewünschte Inversion der Elektronenbesetzungszah- l.en zwischen dem höheren und tieferen Energie niveau für eine Verstärkung durch induzierte Emis sion auftritt, hat die absolute Temperatur einen negativen Wert.
Die Inversion oder Elektronenhesetzungszahlen kann verbessert und die Betnlabsfrequ enz kannbe trächtlich erhöht wenden @durch Verwendung von Halbleitern in:
it grossen gFaktoren mit invertiertem Spin-Zustand in Verbindung mit ie2nem Material, wel- ches einen positiven g-Faktor aufweist. Die Verwen dung eines Halbleiters .mit invertiertem Spin-Zustand gestattet das Pumpen der überschusselektronen vom tieferen Energieniveau des <RTI
ID="0004.0138"> Materials mit positivem g-Faktor auf das höhere Energieniveau des Halb- leiters rnit innvertiertem Spin-Zustand, wodurch die er- forderliche invertierte Elektronenbesetzung im Halb leiter zustande kommt.
Das Verhältnis --der Elek- tronenbesetzungszahlen kann auf diese Wele er höht wenden, da die -Elektronen von einem Spin- Quantenniveau einer Orientierung im Material mit positivem g-Faktor auf ein Spin-Quantenniveau der ,
gleichen Orientierung im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand überführt werden, so dass die über- führten und die bereits vorhandenen Elektronen die gleiche Spin-Orsentierung aufweisen,
so dass sich eine Zunahme der Besetzung .und nicht eine Vermindb- rung infolge von Spin-Löschung oder -Aufhebung er gibt. Der grosse Wert des, g-Faktors und damit die Energieniveau-Aufspaltung oder -Trennung gestattet die Verstärkung von elektromagnetischen Wellen im Infrarot-Bereich und .im Mikrowellen-Bereich.
Gewöhnlich führen -kleine effektive Massen und beträchtliche Spinbahnaufspaltungskonstanten bezüg lich der Grösse der Energiedifferenz auf grosse ne gative Werbe für ,die gFaktoren. Halbleiter snt grossen Atomzahlen weisen ,
auch kleine Energie- differenzen und kleine effektive Massen für die Elektronen im Leitungsband sauf.
,Damit die obigen Betrachtungen Gültigkeit haben, !ist es nötig, dass Idas Minimum des Leitungsbandes rund Idas Maxi mum des Valenabandes in der Mitte oder Brillouin- zone auftreten. Halbmetall-Festkörper mit grosser Atomzahl,
bei welchen das Leitungsband und Idas Valenzband ;sich überlappen und welche kleine effek tive Massen für die Träger und grosse Spinbahnkopp- lung aufweisen, haben ebenfalls negative g-Faktoren.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verstärkers für die kontinuier liche Verstärkung elektromagnetischer Wellen im Infrarot-Frequenzbereich dargestellt. Ein Festkör per 1 mit den Teilen 2 und 3 bildet .bei geeigneter Einwirkung ein Mehrfach Energieniveausystem. Im allgemeinen weist einer
der Teile 2 oder 3 :ein Material mit normalem g-Faktor auf, wobei g einen positiven Wert aufweist, während oder !andere der Teile 2 und 3 ein Material mit abnormalem g- Faktor, d. h. .ein g mit ,negativem Wert, also ein Material mit invertiertem,Spin-Zustand,
aufweist.
Die Teile 2 und 3 Astehen in engem ,und praktisch kontinuierlichem Kontakt. Um dies Du verwirklichen, kann man die in Berührung zu ibfingen@den Ober- flächen des Materials der Teile 2 ,und 3 seit optischen Mitteln schleifen und polieren, so dass diese Ober flächen möglichst glatt werden,
worauf diese Ober flächen beispielsweise mit Hilfe einer plasfüchsn ,Klammer 4 aufeinander gedrückt werden, wobei zwischen den Teilen 2 und 3 dann die Zwischen fläche 5 vorhanden ist. Dank der Oberflächenbe- handlung der Teile 2 und 3 und .dank d er Klammer 4 befinden sich :
die beiden Teile 2 und 3 in praktisch kontinuierlicher Berührung, wobei die Zwischen fläche 5 gegen aussen praktisch luftdicht abgeschlos sen ist. Durch die Klammer 4 wird auch dafür ge sorgt, dass sich die Teile 2 und 3 längs der Zwischen fläche 5 nicht gegeneinander verschieben können.
Der Körper 1 in ider Fig. 1 enthält einen aus einem Nichteisenmetall, wie z. B. Kupfer (Cu), Gold (Au), Silberf(Ag), Cäsium (Cs) und Rubidium (Rd),
bestehenden Teil 2 mit einen g-Faktor mwi- sehen -I- 1 und -!- 2 und einen aus einem Halb leiter mit invertiertem Spin-Zustand, wie z.
B. In- i;1iiumantimonid (InSb), Indiumarsenid (InAs), Gel= li!umarsenid (GaAs), Quecksilbertellurid (HgTe), Quecksilberselenid (HgSe), Wismut (B:
i) und Anti mon (Sb), bestehenden Teil 3 mit negativen g-.F.ak- toren. Die Materialien der Teile 2 und 3 sind an sich praktisch monokristallin.
Der Körper 1 liegt innerhalb eines Dewarschen Gefässes 6, welches einen evakuierten Raum 7 zwi schenden Wandungen 8 .und 9 und dinen Raum 10 zwischen .den Wandungen 9 und<B>11</B> aufweist, welch letzterer für ein Kühlmittel bestimmt ist.
Das Kühlmittel kann aus flüssigem Stickstoff bestehen, aber vorzugsweise wird flüssiges Helium verwendet, um den Körper 1 :auf eine sehr tiefe Temperatur .abzukühlen, welche sich vorzugsweise in der Nähe des absoluten Nullpunktes :befindet. Die Abkühlung des Körpers 1 ist erwünscht, um das Verhältnis der Besetzungen zwischen dem tieferen und höheren Energiezustand für die Spin-Orientie- rung zu vergrössern.
Ein weiterer Vorteil, welcher sich durch @die Kühlung ergibt, besteht darin, idass in jedem der Teile 2 und 3 die Streuung elektroma gnetischer Wellen !durch Gitterwellen oder Gitter schwingungen, welche 'n einem thermisch beweg ten Festkörper entstehen, auf einen vernachlässig- baren Wert vermindert wird.
Weiter wird gemäss der vorstehenden Gleichung (4) durch die tiefe Tem peratur für Iden Maser ein beträchtlicher Empfind- lichkeitsgewinn !erzeugt. Durch die Polschuhe 12 und 13 wird ein Magnetfeld erzeugt, um :
die Spins der Leitungselektronen in den Energieniveaus des Materials der Teile 2 und 3 richtig zu orientieren. Somit wird durch das durch die Polschuhe 12 und 13 erzeugte Magnetfeld nm Körper 1 ein Mehrfach- Energi,enive,ausystem erzeugt,
und zwar werden zwei Energieniveaus im Metall ödes Teils 2 und zwei Energieniveaus im Halbleiter .mit invertiertem Sp.in des Teils 3 erzeugt.
Wie bereits oben dargelegt wurde, ist es nötig, die Elektronenbesetzungszahlen zu invertieren, um eine Verstärkung elektromagnetischer Wellen durch irnd.uzierte Strahlungsemission zu .gestatten. Die ge wünschte Inversion -der Elektronenbesetzungszahlen wird durch Erregerenergie erzielt, welche eine kon stante kontinuierliche Intensität aufweist, wie z. B.
durch die Gleichspannung der Batterie 14, welche elektrisch mit den Elektroden 15 und 16 verbunden ist, welche auf der Aussenseite des Teils 2 bzw. 3 angeschmolzen sind, und zwar durch bekannte Ver fahren.
Die Batterie 14 liegt somit .parallel zum Körper 1, wobei die positive Klemme mit dem Halbleiter des Teils 3 verbunden ist. Die elektrischen Verbindungen von den Klemmen der Batterie 14 zu den Elektroden 15 und 16 ,sind mit Hilfe von Ohm schen oder nichtinjizierenden Kontakten hergestellt. Somit wird .durch Hilfe einer Gleichstrom-Pumpe (Batterie 14),
deren Klemmen gemäss Fi,g. 1 mit idem Körper 1 verbunden sind, die gewünschte In- version der Elektronenbesetzungszahlen im Halblei ter des Teils 3 erzeugt, @um eine kontinuierliche Ver stärkung von elektromagnetischen Wellen im In- fr.arot,
Frequenzbereich durch induzierte Strahlungs- emisson zu ermöglichen.
Die infraroten elektromagnetischen Wellen kön nen in energieaustauschender Weise mit :gewissen Energieniveaus im .Körper 1 gekoppelt werden, d. h. den Energieniveaus .des Halbleiters des Teils 3 im Infrarot-Maser, um diesem Energie durch eine An zahl verschiedener optischer Einrichtungen zu ent nehmen.
Eine optische Einrichtung ist ,in Fig. 1 dar gestellt. Sie weist ein Empfangsorgan z. B. mit Form eines reflektierenden ssarabolspiegels 17 auf, welcher die infraroten elek trom.agnetischen Wellen aus einer Quelle erhält rund @diese .auf ein Linsensystem 18 reflektiert,
welches im vorliegenden Fall durch eine .einzelne Linse dargestellt ist, um die einfallenden elektromagnetischen Wellen zu einem Strahl zu bün- idel.n, welcher in den Körper 1 eingestrahlt oder ein gekoppelt wird, um diesen zu erregen, so dass eine Verstärkung ider elektromagnetischen Wellen statt findet,
wenn die Elektronenbesetzung gewisser Ener gieniveaus des Körpers 1 sich im unstabilen Zu stand befindet, d. h. einem negativen Wert der Tem peratur entspricht. Selbstverständlich muss das Ge fäss 6 geeignete Fenster für die elektromagneti- schen Wellen aufweisen. Solche Fenster sind mit 6a und 6b bezeichnet.
Da es nicht zweckmässig ist, den Körper 1 in einem Hohlraum unterzubringen, wie dies ein .einer Anordnung der Fall ist, welche mm Mikrowellenbemich arbeitet, um ,den Mikrowellen verstärker frequenzselektiv zu .gestalten, werden vor zugsweise der Körper 1 und @dk Kopplungseinrich tung für die elektromagnetische Wellenenergie so angeordnet, @dass die effektive Weglänge der Wellen durch :
dien Körper 1 erhöht wind, um auf diese Weise das Q des Infrarotverstärkers .und dadurch die Fre- quenzselektivität des Verstärkers zu erhöhen. Diese Erhöhung von Q im Infrarotverstärker kann erzielt werden durch einen mehrfachen Durchgang der Infrarotwelle durch den Teil 3.
Eine Art und Weise zur Erzielung eines solchen mehrfachen DuTchganges der infraroten elektro magnetischen Wellen besteht darin, den Einfalls- winkel des Ausgangsstrahls der Linse 18 sorgfältig so einzustellen, @dass der so gebildete Strahl zwischen der Metallwand der Elektrode 15 :
und der hoch- -gradig polierten Oberfläche desRTI ID="0005.0222" WI="11" HE="4" LX="1518" LY="2163"> Metalls des Teils 2 an der Zwischenfläche 5 hin und her reflektiert wird. Durch richtige Einstellung und Formgebung des op tischer Systems und des Teils 3 ,des Körpers 1 .umd durch richtige Beleuchtung des Teils 3 ist es mög lich, mehrere tausend Reflexionen .zwischen denbei den Metallwänden zu erzielen,
welche durch die Elektrode 15 und das Metall des Teils 2 :gebildet werden, :bevor der Strahl laus dem Verstärker aus tritt und zum Spiegel 19 gelangt, von wo er zu einem I.nfnarcotdetektor 20 reflektiert wind, welcher beispielsweise aus einer Golay-Zelle bestehen kann.
Die Weglänge durch den Halbleiter des Teiles 3 des-Körpers 1 kann weiter erhöht werden durch Ver wendung halbversilberter Spiegel 21 und 22, welche bezüglich ,des Halbleiters des Teiles 3 und,des Strahls aus Infrarotwellen so angeordnet sind, dass oder Strahl. nicht nur zwischen Iden Metallwänden,
welche durch die Elektrode 15 und das Metall des Teiles 2 :ge- bildet werden, reflektiert wird, sondern auch eine Anzahl von Malen zwischen den Spiegeln 22 und 21, bevor er aus dem Verstärker -austritt und zum Spiegel 19 gelangt.
Die Spiegel 21 und 22 können je aus einem Glasteil 23 bestehen, .auf welchem Silberstreifen 24 aufgebracht sind, welche eine Breite und einen gegenseitigen Abstand .aufweisen,
dass 50 der Spiegeloberfläche reflektieren und die -.anderen 50 % lichtdurchlässig sind. Die Streifen 24 --auf dem Spiegel 21 sind bezüglich oder Streifen 24 auf denn Spiegel 22 so .angeordnet, dass eine Reflexion von Licht zwischen diesenbeiden Spiegeln,
der Elektrode 15 und dem Metall des Teils 2 stattfindet, um die Anzahl Durchgänge der Infrarotenergie durch den Halbleiter des Teils 3 zu erhöhen. Beim vorliegen den Beispiel sind die Streifen horizontal ange ordnet.
Es besteht jedoch kein Grund, diese nicht in vertikaler Richtung anzuordnen, solange das 1 : 1-Verhältnis von reflektierender zu durch lässiger Oberfläche beibehalten wird, um die Ein kopplung der Infrarotwellen in den Halbleiter des Teiler 3, die Reflexion zwischen den Spiegeln 21 und 22 und die übertragung der Infrarotwellen vom Spiegel 22 zum Spiegel 19 zu gestatten.
Im vor stehenden ist ein Mittel beschrieben worden, um dem Körper 1 elektromagnetische Wellen zuzuführen und diesem zu entnehmen, wobei .diese Wellen eine Frequenz .im Infrarotbereich aufweisen,
welche pro portional ist zur Differenz zwischen Aden Energie- niveaus im Halbleiter des Teils 3, wenn dieser eine negative Temperaturcharakteristik aufweist.
Die Arbeitsweise ides mit einer Gleichstrom- Pumpe versehenen Infrarot-Masers der Fig.. 1 wird besser verständlich unter Bezugnahme auf das Ener- geniveaud'iagramm der Fig.2,
für welche als Ma terial für den Teil 3 Indiumanfiimionid mit einem g-Faktor von -58 und als Material für den Test 2 ein Nichteisenmetall mit einem g@Faktor von -I- 2 vorausgesetzt äst. Wenn ider Körper 1 dem Magnet feld ausgesetzt wird,
werden die Spin Zustände der Leitungselektronen des Metalls des Teils 2 und des Indiumantimonid-Halbleiters des Teils 3 in die -bei den Zeeman-Niveaus 25, 26 bzw. 27, 28 auf-. gespalten.
Es ist zu erwähnen, dass Idas Energicniveau- dagramm der Fig. 2 nur illustrativ ist und keinen Arspruch :
darauf erhebt, die relativen Amplituden ider Energieniveaus 25, 26 und 27, 28 massstäblich darzustellen, da die Enengienivoaus 27 und 28 des Halbleiters des Teils 3 einen Abstand aufweisen,
welcher 29mal grösser ist Tals derjenige der Niveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2.
Ausserdem erhebt das Diagramm- der Fig. 2 auch keinen An spruch darauf, die relativen Lagen der Energie- niveaus 25 und 26 und ,der -Energieniveaus 27 und 28 massstäblich darzustellen, da die Energieniveaus 25, 26 tatsächlich höher oder tiefer liegen können, -als dies in der Fig. 2 zum Ausdruck kommt.
Tat sächlich können .die Niveaus 25, 26 eines der Niveaus 27, 28 eIngabeln. Die Elektronen-Spins des Metalls .des Teils 2, welche sich parallel .zum .angelegten Magnetfeld ausrichten, haben eine positive Spin- Qwantenzahl m = -h 1/ und wenden :
energiemässig auf das höhere Energieniveau 25 angehoben, während die Elektronen-Spins, welche sich antiparallel zum angelegten Magnetfeld ausrichten, eine negative Spin- Quantenzahl m = -1/ haben und energiemässig .auf das tiefere Energieniveau 26 abgesenkt werden.
Im Indiumantimonid des Teils 3 haben, wie ersichtlich, die Elektronen-Spins, welche sich parallel zum an- gelegten Magnetfeld ausrichten, eine positive Spin- Quantenzahl m = -h 1/ und wenden energiemässig jauf das tiefere Energieniveau 28 abgesenkt, während die Elektronenspins,
welche .sich antiparallel zum -.angelegten Magnetfeld .ausrichten, eine negative Spin- Quantenzahl m = -1/ haben und energiemässig auf das höhere Energieniveau 27 angehoben werden.
Somit zeigt .die Fig. 2 die Inversion der Spin- Quantenzahlen im Halbleiter mit umgekehrtem Spin- Zustand des Teils 3, wobei diese Inversion bestimmt ist durch die Polarität des g-Faktors, wie dies oben dargelegt wurde.
Wenn der Körper 1 in ein De, warsches Gefäss 6 eingebracht und auf eine nahe ,dem absoluten NullpunktRTI ID="0006.0239" WI="12" HE="4" LX="1496" LY="1415"> liegende Temperatur @ab- gekühlt wird, richtet sich die Elektronenb;
setzung der Energieniveaus im Körper 1 auf ihren stabilen Zustand aus, und zwar im Metall des Teiles 2, wobei die grösste Elektronenbesetzung im Energie- niveau 26 auftritt, wähnend im Halbleiter des Teils 3 die .grösste Elektronenbesetzung im Energieniveau 28 vorhanden ist.
Somit befindet sich die Elektronen- besetzung im Metall des Teils 2 und im Halbleiter ,des Teils 3 .in ihrem üblichen stabilen Zustand.
Zur Erzielt mg der notwendigen Besetzungsinver sion für Maser-Betrieb wird die Batterie 14, id. h. die Erregerenergiequelle, gemäss Fig. 1 angeschlos- sen, um zu bewirken, @dass die Elektronen im Metall des Teiles 2 von idiesem Teil 2 in den Halbleiter des Teiles 3 fliessen.
Somit veranlasst .die Gleich strom-Pumpquelle, d. h. die Batterie 14, dass der Besetzungsübersohuss dir Energieniveau 26 die Zwi schenfläche 5 durchläuft, wie :
dies in der Fing. 2 durch die gestrichelte Linie 29 angedeutet ist, und zum höheren Energieniveau 27 des Halbleiters des Teiles 3 gelangt und @dass gleichzeitig die Elektronen im oberen Energieniveau 25 des Metalls ides Teils 2 .die Zwischenfläche 5 durchlaufen,
wie dies durch die gestrichelte Linie 30 der Fig. 2 zum Ausdruck kommt, und zum tieferen Energieniveau 28 des Halbleiters ,des Teils 3 gelangen.
Falls die Gitterstrukturen des Metalls des Teils 2 und des Halbleiters des Teils 3 so sind, dass an der Zwischenfläche 5 wenige mdu- zierte Spin-übergänge von Elektronen stattfinden,
wird das im. Metall des Teils 2 vorhandene Be- setzungsverhältnis in Aden Halbleiterdes Teils 3 trans feriert, und infolgedessen ist das Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlen im Halbleiter des Teils 3 praktisch umgekehrt proportional zum ursprüngli chen Verhältnis des Elektronenbesetzungszahlen,
wel ches im Metall des Teils 2 vor dem Pumpvorgang vorhanden war. Diese Umkehrung oder Inversion des Verhältnisses der Elektronenbesetzungszahlen ist möglich, da das Metall eine bedeutend grössere Menge von Elektronen enthält .als ;
der Halbleiter des Teils 3, und die Hinzufügung einer verhältnismässig grossen Anzahl von Elektronen zu einer verhältnismässig kleinen Anzahl von Elektronen bewirkt, dass das Material mit der kleineren Anzahl von Elektronen einen Elektronenbesetzungswert .annimmt,
welcher praktisch gleich dem Wert der grösseren Anzahl von Elektronen ist, welche gezwungenermassen in dieses Material gelangen.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, -besteht der Teil 3 aus Indiumantimonid mit einem g-Faktor von.<B>-58</B> und der Teil 2 aus einem Metall mit einem g- Faktor von + 2.
Dadurch ergibt sich eine Energie- differenz dE3 der Zeemanniveaus des Halbleiters -des Teils 3, welcher 29mal grösser ist als die Energie differenz dE2 der Zeemanniveaus im Metall ides Teils 2. Die Elektronen, die aus Odem Metall -des Teils 2 in den Halbleiter des Teils 3 verlagert wer den, gewinnen somit Energie bei ihrem über gang vom Energieniveau 26 zum Energieniveau 27.
Der Energiegewinn wird ermöglicht durch die Quelle der Gleichstrom-Erregerenergie, das heisst durch die Batterie 14. Dass Ergebnis der Pump wirkurig besteht darin, dass eine grössere Elek tronenbesetzung nun auf dem Energieniveau 27 vor handen ist als auf dem tieferen Energieniveau 28 im Halbleiter des: Teils 3 und, wie zuvor dargelegt, weist der Halbleiter des Teiles 3 eine Inversion oder Elektronenbesetzung @entsprechend einer negativen Temperatur auf.
Da die Gleichstrom Pumpquelle eine Quelle kontinuierlicher konstanter Energie ist, wind: die gewünschte Inversion der Elektronenbesetzung ,so lange aufrechterhalten, wie das Magnetfeld, die Kühleinrichtung und die Batterie 14 wirksam sind bzw. in Betrieb stehen.
Die Aufrechterhaltung der Inversion der Elektronenbesetzung sm Halbleiter des Teiles 3 gestattet somit die kontinuierliche Ver stärkung der infraroten elektromagnetischen Wellen, welche den Halbleiter des Teils 3 dank irgendeiner von zahlreichen optischen Einrichtungen, von denen einem der Fig. 1 dargestellt ist, durchlaufen.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des Verstärkers nach Fig. 1 bestand der Körper 1 aus -dem besonderen Material, welches .der Beschrei bung der Fig. 2 vorausgesetzt wurde, und dieser Körper 1 war in einem,Dewarschen Gefäss 6 unter gebracht.
Der Raum 10 war mit ,flüssigem Helium gefüllt, um den Körper 1 auf ungefähr 1,25 K üb- Dukühlen. Hierauf wunde ein Magnetfeld von unge- fähr 20 000 Gauss angelegt, um die orientierten Spin- Zustände der Leitungselektronen zu bewirken.
Un- ter diesen Bedingungen weisen die Energieniveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2 eine Energie- differenz von ungefähr 4 X 10-1s erg auf.
Aus die ser Grösse lässt sich :durch Verwendung der obigen Gleichung (4) Idas Verhältnis oder Elektronenbeset- zungszahlen im Metall des Teils 2 wie folgt be stimmen:
EMI0007.0146
d. h. das Verhältnis beträgt ungefähr<I>ein</I> Elektron im Energieniveau 25 zu neun Elektronen im Energie- niveau 26.
Beim Anschluss der Batterie 14 gemäss Fig. 1 wurden die Leitungselektronen des Metalls des Teils 2 durch die Zwischenfläche 5 in den Halbleiter des Teils 3 getrieben, und unter der Voraussetzung, dass die Leitungselektronen nur leicht ändernde Kristall eigenschaften im übergang antreffen, wird die Wahr- scheinlichkeit, dass das Kristallgitter ein ,
Umkippen oder Übergänge des Spins induziert, weitgehend her abgesetzt. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass man für die Materialien der Teile 2 und 3 monokristalline Materialien wählt,
so dass zwischen Iden Gitterstrukturen oder beiden Materialien kein grosser Unterschied besteht. Dann wird nicht nur die Energiedifferenz zwischen den beiden Energie niveaus 25 und 26 des Metalls des Teils 2 um das.
Verhältnis der Grösse der g-Faktoren !des Halb- leiters des Teils 3 und des Metalls des Teils 2 erhöht, ,sondern der Spin-Zustand (Ei), welcher die kleinere Besetzung im Metall des Teils 2 .aufweist, wird fauch die kleinere Energie Im Halbleiter mit umgekehrtem Spin des Teils 3 rufweisen,
und zwar wegen der Wirkung der magnetischen Quantenzahl ,durch die Zwischenfläche 5. So wurde festgestellt, ,dass:
EMI0007.0215
wo N3 die Elektronenbesetzungszahl des Energie- niveaus 27 und N4 die Elektronenbesetzungszahl im Energieniveau 28 ist.
Somit sind im .oberen Energieniveau 27 neunmal .so viele Elektronen vor handen wie im :
tieferen Energieniveau 28, was einer (effektivenRTI ID="0007.0230" WI="39" HE="4" LX="1194" LY="2041"> Elektronenspintemperatur von ungefähr - 36 K bei einer Frequenz von 1,7 X 10+12 Hz ent spricht, was wiederum feiner Wellenlänge von 200m gleichkommt, welche somit im oberen (längerwel- ligen)
Infrarot-Frequenzbereich liegt. Wenn somit infrarote elektromagnetische Wellen in oder in der Fig. 1 beschriebenen Weise in den Körper 1 ein gekoppelt worden zwecks Wechselwirkung mit den Energieniveaus 27 und 28 des Halbleiters des Teils 3,
gewinnt die .elektromagnetische Welle Energie idurch induzierte Strahlungsemission aus dem Halbleiter des Teils 3, so @dass die elektromagnetische Eingangs welle verstärkt wird.
Die vorstehend erwähnten Halbleitermaterialien n n *t ne gativen g-Faktoren sind lediglich als Beispiel zu werten, Ida :
eine Infrärot-Verstärkung -durch Ver wendung irgend eines Halbleiters mit umgekehrtem Spin-Zustand mit Verbindung mit einem Material, z. B. einem Metall, erzielt werden kann,. welches einen normalen --Faktor von ungefähr + 2 auf weist.
Der Infrarot-Verstärker ider Fmg. 1 eignet sich insbesondere zur Verstärkung von Infrarot Frequen- zen, und idie Betrizbsfrequenz kann,durch Einstellung des Magnetfeldes, welches die Orientierung oder Spn- Zustände der Leitungselektronen erzeugt,
gesteuert werden.
Der oben beschriebene Maser mit Gleichstrom- Pumpbetrieb unterscheidet sich von bekannten Ma sern dadurch, dass .das Arbeiten ides Maiers mit Gleichstrom Pumpbetrieb@ auf die Leitungselektronen abstellt und nicht auf den Umstand, dass die Elektro nen fester an das Gitter desi Kristalls:
gekoppelt sind-, .auf welchem Umstand,das Arbeiterbekannter Maser beruht. Ein weiterer Vorteil :
des oben beschriebenen Maiers mit Pumpbetrieb hesteht in der Leichtigkeit, mit welcher .der Frequenzbereich des Verstärkers vom Mikrowellenbereich zum Infrarot-Bereich geändert werden. kann, wobei die Frequenzänderüng lediglich durch Umkehrung der Polarität der Batterie erfodgt,
wodurch sich eine Besetzungsinversion mm Teil 2 ergibt.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, welches igleiche Bauteile auf weist wie die Anordnung nach der Fig. 1, welche mit :
den gleichen Überweisungszeichen versehen sind, <I>wobei</I> die Anordnung nach der Fig. 3 zur Ver- stärkung von Mikrowellenfrequenzen dient. Der Ma ser nach Fig. 3 weist einen Körper 1 mit zwei Teilen 2 und 3 auf.
Der Teil 2 enthält ein Material mit positivem --Faktor, wie z.
B. Silizium, rund ider Teil 3 einen Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand. Wie unter Bezugnahme auf ade Füg. 1 dargelegt, stehen .der Halbleiter des Teils 3 und ,der Halbleiter mit positivem g -Faktor :
des Teils 2 in enger Berührung, .so dass isich eine nach aussen hermetisch @abge- schlossene Zwischenfläche 5 zwischen ,dem Halb- leiter :des Teils 3 und des Halbleiters des Teils 2 ergibt.
Dies geschieht idurch optisches Schleifen ider Oberflächen, welche miteinander in Beruhrung .zu bringen isind, und dadurch, idass man die Materialien der Teile 2 und 3 mit Hilfe der Klammer 4 :
unter Druck aneinander presst.
Der Körper 1 liegt mit seinem Magnetfeld, welches durch die ,dargestellten Polschuhe 12 und 13 er zeugt wird, um die Leitungselektronen-Spin-Zustände in der igleichen Weise zu orientieren,
wie dies unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. Der Körper 1 ist ebenfalls meinem Dewarschen Gefäss 6 untergebracht,
welches einen evakuierten Raum 7 zwischen den Wänden 8 und 9 und! einen für .die Aufnahme eines Kühlmittels bestimmten Raum 10 zwischen tder Wand 9 und der metal- lischen Oberfläche eines
Hohlleiter-Resonanzhohl- raumes 33 aufweist, welcher so abgestimmt ist, dass er während ides Betriebes elektromagnetische Wellten aufnimmt, deren Frequenz im Mikrowellenbereich liegt.
Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt die Abkühlung des Körpers 1 im Gefäss 6 ein ther- misches Gleichgewicht für die Elektronenbesetzung in den Energieniveaus des Halbleiters Idas Teils 3 und -des Halbleiters des Teils 2.
Eine Quelle, im vor liegenden Fall :die Batterie 14, welche Erregungs- energie liefert, ist über einen isolierten Leiter 34 mit ider Elektrode 15 .und über die leitende Wand des Hohlraumes 33 .und den Leiter 35 mit der Elektrode 16 gekoppelt.
Man erkennt, dass bei .dem so gewählten Anschluss der Batterie 14 die Polarität der Batterie bezüglich Idas Anschlusses der Batterie .an den Körper 1 ider Fig. 1 vertauscht ist.
Die positive Klemme oder Batterie 14 ist über diezu geordnete Elektrode mit dem Material mit positivem g-Faktor 'm Teil 2 und nicht mit der Elektrode ver bunden, welche dem Halbleitet mit invertiertem Spin- Zustand :des Teils 3 in der Fig. 1 zugeordnet äst.
Wie im Fall der Fig. 1 besteht -die Wirkung ider Pumpbatterie 14 darin, die notwendige Inversion -der Elektronenbesetzung, id. h.
die negative Tempe ratur für die Verstärkung elektromagnetischer Wel len im Mikrowellenbereich zu erzeugen. Die Inver- sion der Elektronenbesetzung ist nun nicht mehr .im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand des Teils 3 vorhanden,
sondern .die invertierte Spin- B.esetzung ist nun im Material des Teils 2 vorhanden,
welches Iden positiven -Faktor aufweist. Die elektro- magnetischen Wellen können durch idme Antenne 36' iaufgenommeri und idem Resonanzhohlraum 33 über den Zirkulator 37 und idie Übertragungsleitung 38 zugeführt werden,
so idass das diatektierte Mikro- wellensignal im richtig abgestimmten Resonanzhohl raum 33 vorhanden ist und ;dem Körper 1 .zugeführt wird, um .die invertierten Elektronenbasetzungen im Halbleiter des Teils 2 anzuregen zwecks Verstärkung .der elektromagnetischen Wellen.
Nach ider Verstär- kung der elektromagnetischen Wellen durch Iden Halbleiter ,des Teils 2, werden die Wellen dem Hohl raum 33 über die Leitung 38 und dem Zirkulator 37 entnommen, worauf sie einem Detektor 39 oder irgendeiner andren Nutzvorrichtung zugeführt wer den können.
Die Arbeitsweise des Verstärkers nach Fig. 3 kann unter Bezugnahme auf das Energienüveaudia- gramm ider Fig. 4 besser verstanden werden.
Die Energieniveaus 40 und 41 stellen das höhere bzw. tiefere Energieniveau des Materials mit positivem --Faktor des Teils 2 idar, welches beispielsweise Silizium sein kann, wenn dieses der Einwirkung des Magnetfeldes zwecks Orientierung :
der Spin-Quanten unterworfen ist. In analoger Weise stellen :die Ener gieniveaus 42 und 43 die Orientierung der Spin- Zustände der Leitungselektronen im Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand des Teils 3 dar,
wenn dieser unter der Einwirkung (des Magnetfeldes steht. Der genannte Halbleiter kann beispielsweise Indium- antimonid sein. Das resultierende Energien'veaud-la- gramm ist von gleicher Art wie idasjen'ge der Fig. 2,
und es gelten die .gleichen Einschränkungen hin- sichtlich des Massstabes, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erwähnt wunden.
Wenn der Körper 1 ,durch das Gefäss 6 im thermischen Gleichgewicht gehalten wird, ist im Energieniveau 43 eine dichtere Elektronenbesetzung vorhanden als im Energieniveau. 42 des Halbleiters -des Teils 3, und in .gleicher Weise hat das Energieniveau 41 eine grössere Elektronen besetzung als :das Energieniveau 40 des Halbleiters des Teils 2.
Nach Anlegung :der Gleiehstrom-Pumpenergie,an den Körper 1, und zwar mit der in der Fig. 3 an gegebenen Polarität, werden die Elektronenbesetzun- gen der Energieniveaus 42 und 43 durch die Zwi- schenfläche 5 getrieben, wie dies in der Fig. 4 durch die gestrichelten Linien 44 und 45 zum Ausdruck kommt.
Dadurch wird die dichtere Elektronenbe ,setzung des Energieniveaus 43 auf Idas Energie- niveau 40 des Halbleiters ides Teils 2 verlagert und gleichzeitig die Elektronenbesetzung des Energie- niveaus 42 des Halbleiters des Teils 3 jsuf das Ener gieniveau 41 des Halbleiters des Teils 2 verlagert. Falls wie :im Fall :
der Fig. 1 und 2 an der Zwischen- fläche 5 wenige induzierte Spin-Übergänge vorhan den :sind, wird das Besetzungsverhältnis, welches während des thermischen Gleichgewichtes im Halb leiter des Teils 3 vorhanden ist, praktisch unver ändert, ,aber mit invertierter Beziehung zum Halb- Liter des Teils 2 übertragen.
Die Energiedifferenz dE3 zwischen den Niveaus 42 und 43 wird nun um einen Faktor 29 vermindert. Es ist weiter zu erwähnen, @dass im thermischen Gleichgewicht die Anzahl Elektronen im Halbleiter des Teils 3 sehr viel grösser ist als die Anzahl Elektronen
im Halb leiter des Teils 2, und wenn daher die Elektronen vom Energieniveau 40 nach 43 und vom Niveau 42 nach 41 transferiert werden, ist :das Verhältnis der Elektronen im. Halbleiter des Teils 2 prak tisch umgekehrt proportional zum Verhältnis der Elektronen im Halbleiter des Teils 3.
Somit ergibt sich eine Besetzungsinversion entsprechend einer negativen Temperatur im Halbleiterdes Teils 2,
und eine Verstärkung von Mikrowellenenergie kann nun stattfinden durch eine Wechselwirkung zwischen idem Halbleiter des Teils 2 und der elektromagnetischen Welle, die über das Empfangsorgan 36 und den Resonanzhohlraum 33 in :
den Körper 1 eingekoppelt wird. Wie zuvor ist die Betriebsfrequenz bestimmt durch :
den Abstand der Energieniveaus, welcher di rekt proportional ist zum g-Faktor und zum magne tischen Feld. Somit liegt die Betriebsfrequenz des Maiers nach Fig. 3 im Mikrowellenbereich,
Ida der Energiznivaauabstand im Material des Teils 2 be züglich des Enerö eniveauabstandes im Teil 3 nm Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 um einen Faktor von 29 vermindert worden ,
ist. Diese Verminderung des Energieniveauabstandes um einen :Faktor vom Wert 29 ergibt eine Verminderung des Frequenz bereiches von ungefähr 29 und idamit seine Herab- Setzung der Betriebsfrequenz !auf dem Mikrowellen- bereich.
Zur Erzielung einer Verstärkung von Mikro- wellenenergie sind ,andere Varianten möglich. An stelle von Indiumantimonid im Teil 3 wäre es :
mög lich, irgendeines oder anderen oben im Zusjammen- hang mit der Fig. 1 erwähnten Materialien mit um gekehrtem Spin-Zustand zu verwenden, beispiels- weise Indiumarsenid mit einem g -Faktor von - 18 und Galliumarsend mit einem g-Faktor von -1,6.
Anstelle .des Siliziums des Teils 2 könnte Graphit oder Germanium verwendet wenden.
Das Kühlmittel. in der Einrichtung nach Fig. 3 kann flüssiger Stickstoff sein, ida idie Temperatur des Körpers 1 bei gleich grossem ,angelegben Magnet feld wie beim Infrarot-Maser gegenüber der :
beim Infrarot-Verstärker benötigten Temperatur um das Verhältnis der g-Faktoren erhöht werden kann. So wurde festgestellt, dass eine Elektronenverteilung in .der Grössenordnung von<B>1:9</B> :erhalten werden kann durch Eintauchen des Körpers 1 in :ein Kühlmittel, welches eine Temperatur von 36 K aufweist, was der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühl mittel entspricht.
In der Fig. 5 ist ein Fnergieniveaudiagramm für ade Betriebsweise einer anderen Ausführungsform für den Mikrowellenverstärker nach Fig. 3, bei welcher verschiedene Materialien für die Teile 2 und 3 des Körpers zur Verwendung gelangen, dargestellt.
Ein Halbleiter mit invertiertem Spin-Zustand mit einem negativen g-Faktor von -1,6, wie :z. B. Gallium- arsenid, bildet den Teil 2, und ein Metall mit einem g-Faktor von + 2 @bildet den Teil 3 ider Fig. 3.
Wie aus der Anordnung ider Fig. 3 hervorgeht, ist :der Halbleiter mit invertiertem Spiin-Zustand des Teils 2 mit der positiven Klemme der Pumpquelle 14 und das Metall des Teils 2 mit .derRTI ID="0009.0234" WI="15" HE="4" LX="1679" LY="1683"> negativen Klemme der Pumpquelle 14 verbunden.
Wie bei ,den vorangehenden Anordnungen wirkt auf den Kör per 1 ein Magnetfeld ein, um die gewünschten Ener gieniveaus in jedem der Teile 2 und 3 des Körpers 1 zu erzeugen, welche .gemäss Fig. 5 die Energieniveaus 46 und 47 für das Galliumarsenid des Teils 2 und -die Energieniveaus 48 und 49 für das Metall des Teils 3 :
bilden. Die Arbeitsweise dieses Maiseis ist, nachdem er in das thermische Gleichgewicht @ge- ibracht worden ist, so, dass die Elektronen von den Energieniveaus 48 und 49 des Metalls des Teils 3 zu den invertierten Spin-Zustandsniveaus des Halb- leiteDs mit invertiertem Spin-Zustand de,s Teils. 2, .d. h.
zu den Energieniveaus 46 und 47, gepumpt werden. Da das Metall mehr Elektronen enthält als der Halbleiter mit umgekehrtem Spin-Zustand, enthält das obere Energieniveau 46 des Gallium- arsenides des Teils 2 nun die Elektronen, welche ur sprünglich im tieferen Energieniveau 49 !des Metalls des Teils 3 vorhanden waren,
und in analoger Weise .enthält nun :das tiefere Energieniveau 47 des Halb- leiters mit umgekehrtem Spin-Zustand des Teilas 2 die Elektronen des oberen Energieniveaus des Me- talls des Teils 3.
Daher ist infolge des Umstandes, dass das gut leitende Metall des Teils 3 mehr Elek tronen als der Halbleiterdes Teils 2 aufweist, Idas Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlen, welches im Metall vorhanden war, .nun zum Galliumarsenid ,des Teils 2 transferiert :
und in diesem invertiert wor den, so dass die Besetzung im Galliumarsenid einer negativen Temperatur entspricht. Die Verstärkung der elektromagnetischen Wellen, die mit Hilfe dies Empfangsorgans 36 und ides Zirkula-tors 37 i den Resonanzhohlraum 33 eingekoppelt werden,
ist dann möglich, wenn der Halbleiter mit invertiertem Spin- Zustand :des Teils 2 zur Emission angeregt wird, vorausgesetzt"dass die Frequenz dieser elektromagne- tischen Welle den richtigen Wert bezüglich :
der Eruer- giediffferenz 4E2 zwischen den Niveaus 46 und 47 .aufweist.
Der ,erfindungsgemässe Maser, welcher für die Verstärkung von Mikrowellen- und Infrarot-Frequen- zen bestimmt ist, kann so ausgebildet sein, dass er bei irgend einer Frequenz von 1010 bis unge- fähr 101s Hz arbeitet,
und er weist verschiedene Vorteile gegenüber bestehenden Masern auf, welche nur im Mikrowellen-Frequenzbereich .arbeiten. Zu nächst besteht keine Notwendigkeit für eine Hoch frequanzpumpe,
da die P-umpenergie durch eine Gleichstromquelle geliefert wird. Zweitens ist im Gegensatz zu bekannten Zwei-Niveau Masern cne Verstärkung nicht intermittierend,
und die konti- nuierliche Verstärkung wird durch idasbeschriebene Verfahren der Besetzungsinversion zustande gebracht.
Drittens und sehr wichtig :sind idie Temperaturan forderungen für den Verstärker im Mikrowellen- bereich. Wenn TB ,die Temperatur des Kühlmittels ist, welche .der Gleichgewichtstemperatur im Indnum- antimonid entspricht,
idann ist ;die effektive Spin- Temperatur T, im Silizium gegeben durch:
EMI0010.0128
Somit ist es möglich, ein Verhältnis der Besetzungs- zahlen von 9:
1 zu erhalten wie #m numerischen Beispiel für den Infrarot-Verstärker der Fig. 1, und zwar bei einer Badtemperatur von 36 K .anstatt von 1,25 K.
Tatsächlich würde ein Betrieb bei oder Temperatur des flüssigen Stickstoffes (77 K) ein Verhältnis der Elektronenbesetzungszahlm von un- gefähr 2 : 1 im Silizzlumhalbleiter ergeben, was für die meisten Maser Zwecke .angemessen ist.
Daher wird. das Vorzeichen des g-Faktors verwendet, um eine Besetzungsinversion sowohl beim Mikrowellen-Maser als auch beim Infrarot-Maser zu erzeugen, und @die Grösse des Faktors wird verwendet, um cdie Frequenz- aufspaltung für den Infrarot Verstärker zu vergrö- Bern,
während beim Mikrowellen-Verstärker der grosse g -Faktor idazu dient, ,die effektive Betriebs- temperatur zu vermindern.
Bei der vorstehenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen des erfindungsgemässen Maiers werden Elektronen mit Hilfe einer Gleichstromquelle von einem ersten in ein zweites Material injiziert. Die Relaxationszeit, ,d. h. die von den Elektronen zur Rückkehr in :
das thermische Gleichgewicht be nötigte Zeit, spielt eine wichtige Rolle beim wirk samen Betrieb des vorstehend .beschriebenen Maiers. Der Maser russ im Zustand der negativen Tempv- ratur -gehalten werden zwecks Verstärkung eines an regenden
elektromagnetischen Feldes. Es russ aber kein Aufbau einer Raumladung vorhanden sein. Um dies zu erreichen, müssen die injizierten Elektronen aus dem zweiten Material (herausgeschafft werden, bevor der Körper zum thermischen Gleichgewicht zurückkehrt. :
Dies kann dadurch geschehen, dass man an dass zweite Material ein elektrisches Feld anlegt, um die Elektronen herauszuspülen.
Im Hinblick :auf :diesen Zweck sollte @dne Laufzeit durch das. zweite Material, verglichen mit der Relaxationszeit, klein sein.
Ein anderes Verfahren, um die injizierten Elek tronen wirksam zu entfernen, besteht darin, für. Idas zweite Material einen p-lentenden Halbleiter zu ver wenden.
In :diesem Fall sollte die Rekombinations- zeit der injizierten Elektronen und der Majoritäts- trägerlöcher kleiner sein .als die Thermalisierung s- oder Relaxationszeit der Elektronen.
Die vorstehende Beschreibung hat sich mit der Erzeugung invertierter Spin-Besetzungen in diskre ten Energieniveaus befasst, welche den Elektronen eines Materials zugeordnet sind. Man :
erkennt, dass .es auch möglich ist, invertierte Spin-Besetzungen in diskreten Energieniveaus zu erzeugen, welche Dona- tor-Fremdstoffen zugeordnet ,sind. Bei deiner solchen Anordnung werden Elektronen in ein pleitendes Halbleitermaterial, welches mit einer vorgegebenen Menge von Donato:
r-Fremdstoffen .stark dotiert ist; injiziert. Unter geeigneten Voraussetzungen werden die injizierten Elektronen durch die ionisierten Dona- tor-Zentren eingefangen,
.und die resultierende Spin- Niveaubesetzung der neutralen Donator-Zentren @ent- spricht derjenigen der injizierten Elektronen.
Bei ,einem Maser dieser Art :ergibt sich beispielsweise im Fall von Silizium eine sehr lange Relaxations- zeit. Damit wird also Idas Problem der Relaxations- zeit weitgehend abgeschwächt.