DE1279244B

DE1279244B - Broadband molecular amplifier

Info

Publication number: DE1279244B
Application number: DE1964S0089727
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dietrich Philipp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-02-27
Filing date: 1964-02-27
Publication date: 1968-10-03

Description

Breitbandiger Molekularverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen breitbandigen Festkörper-Molekularverstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem in einem Hohlraumresonator angeordneten aktiven Material, dessen Energieniveaus mittels einer Magnetisierungsvorrichtung aufgespalten sind und bei dem dem aktiven Material einerseits Pumpenergie zur Invertierung von Niveaupaaren und andererseits die zu verstärkende Signalenergie zugeführt sind.Broadband Molecular Amplifier The invention relates to a broadband solid-state molecular amplifier for very short electromagnetic waves, consisting of an active material arranged in a cavity resonator, whose Energy levels are split by means of a magnetization device and at the active material, on the one hand, pump energy for inverting level pairs and on the other hand the signal energy to be amplified is supplied.

Das allgemeine Prinzip eines Molekularverstärkers ist zwar in der Literatur schon hinreichend beschrieben, doch soll zum besseren Verständnis zunächst an Hand eines einfachen Beispiels nochmals kurz auf die Wirkungsweise eines derartigen Verstärkers eingegangen werden.The general principle of a molecular amplifier is in the Literature has already been adequately described, but for a better understanding it should first be Using a simple example again briefly on the mode of operation of such a system Amplifier.

Die F i g. 1 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Ordinate die Energie E und auf der Abszisse die sogenannten Besetztzahl n aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein aktives Material mit drei Energieniveaus. Die einzelnen Energieniveaus sind mit E1, E2 und E3 bezeichnet. Ihre Besetzung, darunter wird die Anzahl der jeweiligen Atome mit diesem Energiezustand verstanden, ist im thermischen Gleichgewicht so, daß die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die niedrigeren Energieniveaus. Die Verteilung entspricht einer Boltzmann-Verteilung und ist in der F i g. 1 mit V bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen den einzelnen Energieniveaus zukommen.The F i g. 1 shows a diagram in which the ordinate shows the energy E and the so-called occupied number n are plotted on the abscissa. The diagram contains the representation of the energy distribution for an active material with three Energy levels. The individual energy levels are labeled E1, E2 and E3. Their occupation, including the number of the respective atoms with this energy state understood, is in thermal equilibrium such that the higher energy levels are less occupied than the lower energy levels. The distribution corresponds a Boltzmann distribution and is shown in FIG. 1 denoted by V. The intersection this curve with the individual energy levels indicates which occupation numbers the individual energy levels.

Beim Festkörper-Molekularverstärker, das ist ein Molekularverstärker, bei dem das aktive Material aus einem Festkörper wie Rubin od. dgl. besteht, wird die Aufspaltung in die einzelnen Energieniveaus beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld entsprechender Orientierung und Größe erzwungen. Die Aufspaltung wird nun so gewählt, oder es wird ein solches Material verwendet, daß der Abstand d E 12 zwischen den Energieniveaus E1 und E2 dem Produkt h - fs und der Abstand d E 13 der Energieniveaus E1 und E3 dem Produkt h- fp entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, fs die Signalfrequenz und fp die Frequenz einer von außen zugeführten Pumpschwingung sind.In the solid-state molecular amplifier, i.e. a molecular amplifier in which the active material consists of a solid such as ruby or the like, the splitting into the individual energy levels is forced, for example, by an external magnetic field of the appropriate orientation and size. The splitting is now chosen, or a material is used, that the distance d E 12 between the energy levels E1 and E2 corresponds to the product h - fs and the distance d E 13 of the energy levels E1 and E3 corresponds to the product h-fp, where h is Planck's constant, fs is the signal frequency and fp is the frequency of an externally supplied pump oscillation.

Der Verstärkungsvorgang in einem derartigen Drei-Niveau-Molekularverstärker geht nun etwa wie folgt vor sich: Mittels von außen zugeführter Pumpenenergie wird die Besetzungszahln in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf E3 sich die Besetzungszahl von n3 auf n3' erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem aktiven Material festliegt, verringert sich damit die Besetzung bei E1 um den gleichen Betrag. Die Besetzung geht also für E 1 zurück von n 1 auf n 1'. Es ist somit für E 2 eine größere Besetzungszahl (n2) erzwungen, als E1 durch die Besetzung n 1' hat.The amplification process in such a three-level molecular amplifier proceeds roughly as follows: By means of externally supplied pump energy, the occupancy numbers in the individual energy levels are changed in such a way that the occupancy number increases from n3 to n3 ' at E3. Because the number of atoms in the active material is fixed, the population at E1 is reduced by the same amount. The occupation therefore goes back for E 1 from n 1 to n 1 '. A larger occupation number (n2) is thus forced for E 2 than E1 has due to the occupation n 1 '.

Wird nun eine äußere Signalschwingung mit der Frequenz fs zugeführt, so gehen Atome mit dem Energiezustand E2 in den Energiezustand E1 über. Gleichzeitig tritt auch eine gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes E 1 in den Energiezustand E 2 ein. Der Übergang von E 2 nach E 1 entspricht einer induzierten Emission des aktiven Materials auf der Frequenz fs, während der übergang von E 1 nach E 2 einer Absorption der induzierenden Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Pumpens erzwungene Besetzung der Energieniveaus E1 und E2 überwiegt jedoch die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß insgesamt mehr Signalenergie der Frequenz fs vom aktiven Material emittiert wird, als einfallende bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz fs in dem aktiven Material absorbiert wird.If an external signal oscillation with the frequency fs is now supplied, so atoms with the energy state E2 pass into the energy state E1. Simultaneously There is also a certain transport of atoms of the energy state E 1 into the Energy state E 2 a. The transition from E 2 to E 1 corresponds to an induced one Emission of the active material at the frequency fs, during the transition from E 1 according to E 2 corresponds to an absorption of the inducing signal energy. Through the Occupation of the energy levels E1 and E2, which is forced by the pumping, predominates however, the induced emission versus the absorption, so that overall more signal energy the frequency fs is emitted by the active material, as incident or inducing Signal energy with the frequency fs is absorbed in the active material.

Die F i g. 2 zeigt ersatzschaltbildmäßig einen Molekularverstärker. Dieser wird in dem Ersatzschaltbild als Sechspol wiedergegeben, bei dem je ein Anschluß zur Zuführung der PumpenergieP (fp) und der zu verstärkenden Signalenergie S (fs) sowie der Entnahme der verstärkten Signalenergie S' (fs) dient. In dem Sechspol ist der eigentliche Verstärker enthalten, bestehend aus einem aktiven Material mit mehreren Energieniveaus.The F i g. 2 shows a molecular amplifier as an equivalent circuit diagram. This is shown in the equivalent circuit as a six-pole, in which one connection each serves to supply the pump energy P (fp) and the signal energy S (fs) to be amplified as well as the extraction of the amplified signal energy S '(fs). The actual amplifier is contained in the six-pole, consisting of an active material with several energy levels.

Für Festkörper-Molekularverstärker haben gewisse Kristalle, insbesondere der Edelstein Rubin, als aktives Material eine besondere Bedeutung erlangt. Rubin, der aus mit dreiwertigem Chrom dotiertem einkristallinem Aluminiumoxyd besteht, spaltet unter dem Einfiuß eines Magnetfeldes das Grundniveau in vier Energieniveaus auf. In der F i g. 3 ist für einen bestimmten Winkel zwischen der ausgezeichneten Achse, sogenannte C-Achse, eines Rubins und dem Magnetfeld die Energie E der einzelnen Energieniveaus 1 bis 4 über der Feldstärke H des Magnetfeldes aufgetragen. Die Bandbreite des mit einem solchen Kristall arbeitenden Molekularverstärkers ist, abgesehen von der Güte des verwendeten Hohlraumresonators, der Breite der am Verstärkungsprozeß beteiligten Niveaus direkt proportional. Diese sogenannte Linienbreite ist bei allen -vier Niveaus verhältnismäßig klein. Um eine große Bandbreite zu erzielen, können zwei und mehr Molekularverstärker mit ihren Hohlraumresonatoren hintereinandergeschaltet werden. Die magnetischen Arbeitspunkte und damit die Signalfrequenz, bei der die einzelnen Verstärker ihre maximale Verstärkung aufweisen, sind hierbei derart gegeneinander verschoben, daß die wirksame Linienbreite der Gesamtanordnung größer ist als die Linienbreite eines einzelnen Molekularverstärkers. - - -Im Diagramm der F i g. 3 sind die Arbeitspunkte für einen solchen aus zwei hintereinandergeschalteten Molekularverstärkem bestehenden Verstärker -eingetragen. Bei beiden Molekularverstärkern wird mittels der zugeführten Pumpenergie die Besetzung des Niveaupaares 1, 3 so geändert, daß das Niveaupaar 2, 1 invertiert wird und zur Signalverstärkung ausgenutzt werden kann. Der Energieunterschied d E zwischen den Niveaupaaren im Arbeitspunkt liegt durch die bereits erwähnte Beziehung d E = h - f, die Mittenfrequenz fp für die Pumpenergie wie auch die der maximalen Verstärkung der Signalenergie entsprechenden Mittenfrequenzen f 1 und f 2 für die beiden Molekularverstärker fest. Die magnetischen Arbeitspunkte der beiden Molekularverstärker sind durch die Feldstärken H1 und H2 bestimmt. Wie aus der F i g. 3 zu erkennen ist, ist die Energiedifferenz dE (fs) im Arbeitspunkt H1 trotz der geringen Verschiebung der beiden Arbeitspunkte kleiner als die Energiedifferenz E (f2) im Arbeitspunkt H2. Die Verstärkungsmaxima beider Verstärker sind also verschieden, so daß die bei ihrer Hintereinanderschaltung erzielte Verstärkungskennlinie eine Art Bandcharakteristik erhält, deren Breite bei geeigneter Bemessung erheblich größer ist als die Breite eines der beiden Molekularverstärker. Die auf diese Weise mögliche breitbandige Verstärkung bedingt allerdings, daß die Pumpenergie ein entsprechend breites Frequenzband aufweist.For solid-state molecular amplifiers, certain crystals, in particular the gemstone ruby, have become particularly important as an active material. Ruby, which consists of monocrystalline aluminum oxide doped with trivalent chromium, splits the basic level into four energy levels under the influence of a magnetic field. In FIG. 3, the energy E of the individual energy levels 1 to 4 is plotted against the field strength H of the magnetic field for a certain angle between the marked axis, so-called C-axis, of a ruby and the magnetic field. The bandwidth of the molecular amplifier working with such a crystal is, apart from the quality of the cavity resonator used, directly proportional to the width of the levels involved in the amplification process. This so-called line width is relatively small for all four levels. In order to achieve a large bandwidth, two or more molecular amplifiers with their cavity resonators can be connected in series. The magnetic working points and thus the signal frequency at which the individual amplifiers have their maximum amplification are shifted relative to one another in such a way that the effective line width of the overall arrangement is greater than the line width of an individual molecular amplifier. - - -In the diagram of FIG. 3 shows the operating points for such an amplifier consisting of two molecular amplifiers connected in series. In both molecular amplifiers, by means of the pump energy supplied, the occupancy of the level pair 1, 3 is changed so that the level pair 2, 1 is inverted and can be used for signal amplification. The energy difference d E between the level pairs at the working point is determined by the above-mentioned relationship d E = h - f, the center frequency fp for the pump energy and the center frequencies f 1 and f 2 for the two molecular amplifiers corresponding to the maximum amplification of the signal energy. The magnetic working points of the two molecular amplifiers are determined by the field strengths H1 and H2. As shown in FIG. 3, the energy difference dE (fs) at operating point H1 is smaller than the energy difference E (f2) at operating point H2 despite the slight shift in the two operating points. The gain maxima of the two amplifiers are therefore different, so that the gain characteristic obtained when they are connected in series is given a kind of band characteristic, the width of which, when dimensioned appropriately, is considerably greater than the width of one of the two molecular amplifiers. The broadband amplification possible in this way, however, requires that the pump energy has a correspondingly broad frequency band.

Die geschilderte Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Verstärker bringt einen sehr großen Aufwand mit sich, da die einzelnen Einheiten einerseits sorgfältig durch Ferritzirkulatoren entkoppelt werden müssen und andererseits jeweils ein genau abgestimmtes Magnetsystem benötigen. Unter gewissen Umständen müssen auch mehrere Kühlgefäße vorgesehen werden.The described series connection of two or more amplifiers brings with it a lot of effort, since the individual units on the one hand must be carefully decoupled by ferrite circulators and on the other hand each need a precisely matched magnet system. In certain circumstances, too several cooling vessels can be provided.

Es ist auch bereits ein Molekularverstärker bekannt, bei dem zur Erhöhung der Bandbreite des zu verstärkenden Signals zwei oder mehr verschiedene Kristalle mit unterschiedlicher Achsrichtung zum statischen Magnetfeld in einem Hohlraumresonator angeordnet sind. Bei dieser Anordnung wird davon ausgegangen, daß es eine Reihe verschiedener aktiver Kristalle gibt, deren maximale Verstärkungseigenschaften unter anderem auch von dem Winkel bestimmt sind, den die Richtung des statischen Magnetfeldes mit der ausgezeichneten Achse des Kristalls einschließt. Durch die gleichzeitige Verwendung verschiedener Kristalle im Hohlraumresonator, deren Winkel zwischen ihrer ausgezeichneten Achse und der Richtung des statischen Magnetfeldes im Sinn ihrer jeweils optimalen Verstärkung zwangläufig unterschiedlich sind, soll erreicht werden, daß die Bandbreite des Molekularverstärkers zunimmt, ohne daß damit gleichzeitig eine Einbuße an Verstärkung in Kauf genommen werden muß. Der Realisierung dieser Erkenntnis stehen jedoch außerordentlich große Schwierigkeiten entgegen, weil aktive Materialien mit den gewünschten entsprechenden unterschiedlichen Eigenschaften praktisch nicht zur Verfügung stehen.A molecular enhancer is also already known in which to increase the bandwidth of the signal to be amplified is two or more different crystals with different axial directions to the static magnetic field in a cavity resonator are arranged. This arrangement assumes that there are a number of different active crystals, their maximum reinforcement properties below other factors are also determined by the angle that the direction of the static magnetic field with the excellent axis of the crystal. Due to the simultaneous Using different crystals in the cavity resonator, their angle between their excellent axis and the direction of the static magnetic field in the sense of their in each case optimal amplification are inevitably different, the aim is to achieve that the bandwidth of the molecular amplifier increases without at the same time a loss of gain has to be accepted. Realizing this Knowledge, however, is opposed to extremely great difficulties because it is active Materials with the desired corresponding different properties practical are not available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung für einen breitbandigen Molekularverstärker der einleitend beschriebenen Art anzugeben, die keinen größeren Aufwand benötigt und darüber hinaus leicht realisierbar ist.The invention is based on the object of a further solution for to specify a broadband molecular amplifier of the type described in the introduction, which does not require any great effort and is also easy to implement.

Ausgehend von einem breitbandigen Festkörper-Molekularverstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem in einem Hohlraumresonator angeordneten aktiven Material, dessen Energieniveaus mittels einer Magnetisierungsvorrichtung aufgespalten sind und bei dem dem aktiven Material einerseits Pumpenergie zur Invertierung von Niveaupaaren und andererseits die zu verstärkende Signalenergie zugeführt sind, bei dem in den Hohlraumresonator wenigstens zwei das aktive Material darstellende Kristalle eingebracht sind, deren ausgezeichnete Achsen hinsichtlich des homogenen Magnetfeldes derart unterschiedlich orientiert sind, daß die wirksame Linienbreite der Gesamtanordnung größer ist als die Linienbreite eines einzelnen Kristalls, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kristalle gleichartig sind, runde Stabform aufweisen und zur Einstellbarkeit der Orientierung ihrer ausgezeichneten Achsen hinsichtlich des Magnetfeldes um ihre Stabachse drehbar im Hohlraumresonator angeordnet sind.Starting from a broadband solid-state molecular amplifier for very short electromagnetic waves, consisting of one in a cavity resonator arranged active material, its energy levels by means of a magnetization device are split and in which the active material on the one hand pump energy for inversion of level pairs and on the other hand the signal energy to be amplified are supplied, in the case of which in the cavity resonator at least two constituting the active material Crystals are introduced, the excellent axes of which are homogeneous Magnetic field are so differently oriented that the effective line width the overall arrangement is larger than the line width of a single crystal This object is achieved according to the invention in that the crystals are identical are, have round rod shape and adjust the orientation of their excellent Axes with respect to the magnetic field rotatable around their rod axis in the cavity resonator are arranged.

Beim Erfindungsgegenstand wird ebenfalls von der Erkenntnis ausgegangen, daß die Aufspaltung der Energieniveaus eines aktiven Materials, beispielsweise Rubin, mittels eines Magnetfeldes nicht nur von der Feldstärke des angelegten Feldes bestimmt ist, sondern auch vom Winkel, den die ausgezeichneten Achsen eines solchen aktiven Materials mit dem Magnetfeld einschließen. Im Gegensatz zu der einleitend geschilderten bekannten Anordnung mehrerer verschiedener Kristalle in einem Hohlraumresonator wird beim Erfindungsgegenstand durch die Verwendung gleichartiger Kristalle auf eine maximale Verstärkung zugunsten der erwünschten Erhöhung der Bandbreite verzichtet. Bei der Verwendung gleichartiger Kristalle ist ja eine Erhöhung der Bandbreite nur dann möglich, wenn der Winkel, den die ausgezeichnete Achse eines Kristalls hinsichtlich der Richtung des Magnetfeldes einnimmt, vom Winkelwert maximaler Verstärkung abweicht. Dieser Verzicht wird aber durch die drehbare Anordnung der Kristallstäbe praktisch wieder aufgehoben, da hierdurch in außerordentlich einfacher und vorteilhafter Weise die Orientierung der ausgezeichneten Achsen der Kristalle hinsichtlich der Richtung des Magnetfeldes so eingestellt werden können, daß bei gegebener Bandbreite optimale Verstärkungsverhältnisse vorhanden sind.The subject matter of the invention is also based on the knowledge that the splitting of the energy levels of an active material, e.g. ruby, by means of a magnetic field not only determined by the field strength of the applied field is, but also on the angle that the marked axes of such an active Enclose material with the magnetic field. In contrast to the one described in the introduction known arrangement of several different crystals in a cavity resonator is due to the use of crystals of the same type in the subject matter of the invention a maximum gain is waived in favor of the desired increase in bandwidth. When using crystals of the same type, there is only an increase in bandwidth then possible if the angle which the distinctive axis of a crystal with respect to the direction of the magnetic field, deviates from the angular value of maximum gain. This waiver is made practical by the rotatable arrangement of the crystal rods repealed because this is an extremely simple and advantageous way the orientation of the marked axes of the crystals with respect to the direction of the magnetic field can be adjusted so that with a given bandwidth optimal Boost ratios are present.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Hohlraumresonator des Molekularverstärkers nach der Erfindung aus einem auf beiden Seiten von Kurzschlußschiebern begrenzten Reckteckhohlleiter mit einem Koaxialleitungsabschnitt, der an eine der Zuführung der Signalenergie dienende Koaxialleitung angekoppelt ist. Der Mittelleiter des Koaxialleitungsabschnitts ist ein dem Querschnitt des Rechteckhohlleiters in seinem Querschnitt angepaßter Bandleiter, der auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils einen mit seiner Stabachse parallel zur Hohlleiterbreitseite und senkrecht zur Hohlleiterschmalseite angeordneten stabförmigen Kristall trägt. Zweckmäßig ragen die stabförmigen Kristalle mit einem Ende durch die Hohlleiterschmalseiten hindurch in den Außenraum. Das Einstellen erfolgt dann durch Drehen der Stäbe um ihre Achse, wozu ihre aus dem Hohlleiter herausragenden Enden als Drehknopf benutzt werden können.In a preferred embodiment, there is the cavity resonator of the molecular enhancer according to the invention of one on both Rectangular waveguide with a coaxial line section bounded by short-circuit slides, coupled to a coaxial line serving to supply the signal energy is. The center conductor of the coaxial line section is in the cross section of the Rectangular waveguide adapted in its cross-section strip conductor, which on each other opposite sides each one with its rod axis parallel to the waveguide broadside and carries rod-shaped crystal arranged perpendicular to the narrow side of the waveguide. The rod-shaped crystals expediently protrude with one end through the narrow sides of the waveguide through into the outside space. The adjustment is then made by turning the rods their axis, for which their ends protruding from the waveguide are used as a rotary knob can be.

Wenn als aktives Material ein Kristall mit einer einzigen ausgezeichneten Achse, beispielsweise Rubin, verwendet wird, ist es vorteilhaft, das magnetische Feld mit der Stabachse des Kristalls einen endlichen Winkel und mit der ausgezeichneten Achse (C-Achse) vorzugsweise einen rechten Winkel einschließen zu lassen.When as the active material a crystal with a single excellent Axis, for example ruby, is used, it is advantageous to use the magnetic one Field with the rod axis of the crystal a finite angle and with the excellent Axis (C-axis) preferably to include a right angle.

Bei Verwendung eines aktiven Materials mit zwei ausgezeichneten Achsen, beispielsweise Rutil, ist es sinnvoll, den Kristall mit seinen ausgezeichneten Achsen hinsichtlich des Magnetfeldes so zu gestalten, daß bei einer Drehung des Kristalls in seiner Stabachse sich lediglich der Winkel zwischen einer seiner beiden ausgezeichneten Achsen und dem Magnetfeld ändert. Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß das Magnetfeld mit der einen der beiden ausgezeichneten Achsen, vorzugsweise der C-Achse, einen rechten Winkel bildet, während die zweite ausgezeichnete Achse (Z-Achse) in der Stabachse angeordnet ist und das Magnetfeld hierzu einen endlichen Winkel einschließt.When using an active material with two excellent axes, for example rutile, it makes sense to use the crystal with its excellent axes in terms of the magnetic field so that when the crystal is rotated in its rod axis only the angle between one of its two distinguished Axes and the magnetic field changes. This can be achieved in a simple manner be that the magnetic field with one of the two marked axes, preferably the C-axis, forms a right angle, while the second excellent axis (Z-axis) is arranged in the rod axis and the magnetic field for this purpose is finite Includes angle.

An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.Using the exemplary embodiments shown in the drawings the invention is to be explained in more detail below.

Das Diagramm der F i g. 4 zeigt analog zum Diagramm der F i g. 3 die durch ein Magnetfeld H aufgespaltenen vier Energieniveaus 1 bis 4 und 1' bis 4' zweier gleichartiger Rubinkristalle. Die etwas unterschiedliche Aufspaltung beim gleichen Arbeitspunkt H 1 kommt dadurch zustande, daß die Orientierung der C-Achse der Kristalle zum Magnetfeld H etwas unterschiedlich gewählt ist. Der Vergleich mit der F i g. 3 zeigt, daß die im Arbeitspunkt H1 gepumpten Niveaupaare 1, 3 und 1', 3' hinsichtlich der zur Signalverstärkung ausgenutzten Niveaupaare 2, 1 2', 1' ebenfalls voneinander verschiedene Mittenfrequenzen f 1 und f 2, bezogen auf das Verstärkungsmaximum, ergeben. Bei geeigneter unterschiedlicher Orientierung der C-Achsen der Kristalle zum Magnetfeld läßt sich also bei gleichem Arbeitspunkt mit dieser Anordnung auch eine Bandpaßcharakteristik der Signalverstärkung erreichen.The diagram of FIG. 4 shows analogously to the diagram in FIG. 3 the four energy levels 1 to 4 and 1 'to 4' split by a magnetic field H two similar ruby crystals. The slightly different breakdown in the the same working point H 1 is due to the fact that the orientation of the C-axis of the crystals to the magnetic field H is chosen to be slightly different. The comparison with the fig. 3 shows that the level pairs 1, 3 and 1 ', 3' with regard to the level pairs 2, 1 2 'used for signal amplification, 1 'also different center frequencies f 1 and f 2, based on the gain maximum result. With a suitable different orientation the C-axes of the crystals to the magnetic field can be determined with the same working point with this arrangement also achieve a bandpass characteristic of the signal amplification.

Da beide Kristalle dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt werden können, können sie auch gemäß der Erfindung in einem einzigen Hohlraumresonator angeordnet werden. Ein Ausführungsbeispiel eines Molekularverstärkers nach der Erfindung zeigen die F i g. 5 a und 5 b. Der Hohlraumresonator besteht aus einem Rechteckhohlleiter H, der auf beiden Seiten von Kurzschlußschiebern K1 und K2 abgeschlossen ist. Der auf diese Weise gebildete Resonatorraum weist einen Koaxialleitungsabschnitt auf, der von dem Rechteckhohlleiter Ho als Außenleiter und einem Bandleiter B gebildet ist. Der Querschnitt des Bandleiters B ist hierbei, wie die F i g. 5 b erkennen läßt, dem Querschnitt des Rechteckhohlleiters angepaßt. In der Mitte des Koaxialleitungsabschnitts sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Bandleiters B zwei das aktive Material darstellende Kristallstäbe M1 und M2 angeordnet. Die Kristallstäbe haben kreisförmigen Querschnitt und sind mit ihren Stabachsen parallel zur Hohlleiterbreitseite und senkrecht zur Hohlleiterschmalseite ausgerichtet. In Höhe des oberen Endes des Koaxialleitungsabschnittes mündet in den Rechteckhohlleiter eine Koaxialleitung Ko ein, die der Zuführung der Signalenergie S (fs) dient. Die Koaxialleitung Ko ist im Bereich ihres übergangs in den Rechteckhohlleiter Ho zur Breitbandkompensation als Tiefpaß ausgebildet. Der Koaxialleitungsabschnitt des Hohlraumresonators ist kapazitiv an die Koaxialleitung Ko und der Resonatorraum über die Öffnung O des Kurzschlußschiebers K2 an den die Pumpenergie P (fp) führenden Rechteckhohlleiterabschnitt angekoppelt.Since both crystals can be exposed to the same magnetic field, they can also be arranged in a single cavity resonator according to the invention will. Show an embodiment of a molecular enhancer according to the invention the F i g. 5 a and 5 b. The cavity resonator consists of a rectangular waveguide H, which is terminated on both sides by short-circuit sliders K1 and K2. Of the resonator chamber formed in this way has a coaxial line section, formed by the rectangular waveguide Ho as an outer conductor and a strip conductor B. is. The cross section of the strip conductor B is here, as in FIG. 5 b recognize can be adapted to the cross section of the rectangular waveguide. In the middle of the coaxial line section are the active material on opposite sides of the strip conductor B two representative crystal rods M1 and M2 arranged. The crystal rods have circular ones Cross-section and are with their rod axes parallel to the waveguide broadside and aligned perpendicular to the narrow side of the waveguide. At the level of the upper end of the coaxial line section opens into the rectangular waveguide a coaxial line Ko, which feeds the Signal energy S (fs) is used. The coaxial line Ko is in the area of its transition formed as a low-pass filter in the rectangular waveguide Ho for broadband compensation. The coaxial line section of the cavity resonator is capacitive to the coaxial line Ko and the resonator chamber via the opening O of the short-circuit slide K2 to the Pump energy P (fp) coupled leading rectangular waveguide section.

Die F i g. 5 b zeigt den Schnitt AB entsprechend der in die F i g. 5 a eingetragenen Schnittlinie. Sie läßt erkennen, daß die Kristallstäbe M 1 und M 2 einseitig durch die Hohlleiterschmalseiten in den Außenraum ragen. Diese Maßnahme hat den Zweck, die Einstellung der Kristallstäbe hinsichtlich der Orientierung ihrer ausgezeichneten Achsen zum Magnetfeld mittels Drehen zu erleichtern.The F i g. 5 b shows the section AB corresponding to that in FIG. 5 a registered cutting line. It shows that the crystal rods M 1 and M 2 protrude on one side through the narrow waveguide sides into the outside space. The purpose of this measure is to facilitate the adjustment of the crystal rods with regard to the orientation of their marked axes to the magnetic field by means of rotation.

Um eine möglichst hohe Verstärkung zu erzielen, ist der Koaxialleitungsabschnitt des Hohlraumresonators durch entsprechende Wahl der Länge des Bandleiters B eine halbe mittlere Signalwellenlänge As groß gewählt. Der Koaxialleitungsabschnitt stellt somit einen auf beiden Seiten leerlaufender As/2-Koaxialleitungsresonator dar, dessen magnetisches Feld im Bereich der Kristallstäbe M1 und M2 ein Maximum aufweist. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien mk kann dem Schnittbild der F i g. 6 a entnommen werden. Der Betrag der Feldstärke ist dabei durch die Strichstärke zum Ausdruck gebracht. Der Hohlraumresonator ist mit Hilfe der beiden Kurzschlußschieber K1 und K2 für die Pumpenergie P (fp) dadurch auf Resonanz abgestimmt, daß die wirksame Länge des Leitungskreises h - A. p/2 beträgt. Dabei bedeuten n eine ganze Zahl und A p die mittlere Hohlleiterwellenlänge der Pumpenergie. Die Abstimmung ist so vorgenommen, daß auch für die mittlere Pumpfrequenz fp ein Maximum der magnetischen Feldstärke in der Achse der Kristallstäbe vorhanden ist. Dem Verlauf der magnetischen Feldlinien auch für die Pumpenergie zeigt das Schnittbild der F i g. 6 b, und zwar für eine H,41 Welle.In order to achieve the highest possible gain, the coaxial line section of the cavity resonator is selected to be half an average signal wavelength As large by selecting the length of the strip conductor B accordingly. The coaxial line section thus represents an As / 2 coaxial line resonator which is open on both sides and whose magnetic field has a maximum in the area of the crystal rods M1 and M2. The course of the magnetic field lines mk can be seen in the sectional view of FIG. 6 a. The magnitude of the field strength is expressed by the line thickness. The cavity resonator is tuned to resonance with the aid of the two short-circuit sliders K1 and K2 for the pump energy P (fp) in that the effective length of the line circuit is h - A. p / 2 . Here n is an integer and A p is the mean waveguide wavelength of the pump energy. The tuning is carried out in such a way that a maximum of the magnetic field strength is also present in the axis of the crystal rods for the mean pump frequency fp. The cross-sectional view of FIG. 1 shows the course of the magnetic field lines for the pump energy as well. 6 b, for an H, 41 wave.

Als aktives Material eigen sich für den Erfindungsgegenstand sowohl einachsige Kristalle, beispielsweise Rubin, als auch zweiachsige Kristalle, beispielsweise Rutil. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Orientierung der ausgezeichneten Achse eines einachsigen Kristalls zeigt die F i g. 7 a. Aus Gründen der übersichtlichkeit ist lediglich der Bandleiter B des Koaxialleitungsabschnitts und die beiden Kristallstäbe M 1 und M 2 nach den F i g. 5 a und 5 b dargestellt. Die Kristallstäbe M1 und M2 sind so aus dem Rohmaterial herausgeschnitten, daß ihre C-Achse senkrecht zur Stabachse ausgerichtet ist. Das die Energieniveaus aufspaltende Magnetfeld H ist seinerseits so ausgerichtet, daß es mit der C -Achse in etwa einen rechten Winkel O und mit der Stabachse den endlichen Winkel a einschließt. Der endliche Winkel « ist notwendig, um beim Drehen der Kristallstäbe M1 und M2 in ihrer Achse eine Änderung des Winkels O erreichen zu können. Der Winkel 0 ist absichtlich möglichst groß gewählt, weil die Übergangswahrscheinlichkeit der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 4 GHz zur Verstärkung ausgenutzten invertierten Niveaus hier besonders günstige Werte annimmt.As an active material, both are suitable for the subject matter of the invention uniaxial crystals, for example ruby, as well as biaxial crystals, for example Rutile. A preferred embodiment for the orientation of the excellent The axis of a uniaxial crystal is shown in FIG. 7 a. For the sake of clarity is only the strip conductor B of the coaxial line section and the two crystal rods M 1 and M 2 according to FIGS. 5 a and 5 b shown. The crystal rods M1 and M2 are cut out of the raw material in such a way that their C-axis is perpendicular to the rod axis is aligned. The magnetic field H splitting the energy levels is itself so aligned so that it is at approximately a right angle with the C axis and with the Member axis encloses the finite angle a. The finite angle "is necessary to a change in the angle when rotating the crystal rods M1 and M2 in their axis O to be able to achieve. The angle 0 is intentionally chosen as large as possible because the transition probability in the present exemplary embodiment at 4 GHz, inverted levels used for amplification are particularly favorable values here accepts.

Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für einen zweiachsigen Kristallstab zeigt die F i g. 7 b. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kristallstäbe M 1 und M2 aus dem Rohmaterial wiederum so herausgeschnitten, daß ihre eine ausgezeichnete Achse, und zwar die Z-Achse, mit der Stabachse zusammenfällt. Da beide ausgezeichneten Achsen des Kristalls senkrecht zueinander stehen, ergibt sich für die C-Achse wiederum eine Lage entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 7 a. Das Magnetfeld H schließt wiederum mit der C -Achse einen Winkel 0 von annähernd 90° und mit der Stabachse aus den bereits bei der F i g. 7 a erwähnten Gründen den endlichen Winkel 0 ein. Diese Orientierung hat den Vorteil, daß sich bei einer Drehung der Kristallstäbe in -ihrer Achse lediglich der Winkel O zwischen der C -Achse und dem Magnetfeld ändert, d. h. die Aufspaltung der Energieniveaus in Abhängigkeit der Drehung lediglich durch den Winkel D bestimmt wird.A corresponding embodiment for a biaxial crystal rod FIG. 7 b. In this embodiment, the crystal rods are M 1 and M2 cut out of the raw material again so that its an excellent Axis, namely the Z-axis, coincides with the rod axis. As both excellent Axes of the crystal are perpendicular to each other, this results in turn for the C-axis a position corresponding to the embodiment of FIG. 7 a. The magnetic field H in turn closes an angle 0 of approximately 90 ° with the C axis and with the Rod axis from the already shown in FIG. 7 a the finite angle 0 a. This orientation has the advantage that when the crystal rods rotate in its axis only the angle O between the C axis and the magnetic field changes, d. H. the splitting of the energy levels depending on the rotation only is determined by the angle D.

Durch die verschiedene Orientierung der Kristallstäbe M1 und M2- tritt nicht nur, wie bereits erwähnt wurde, eine Verbesserung der Signalbandbreite ein, sondern es wird auch eine entsprechende Erhöhung der Bandbreite der Pumpenergie nötig. Bei großen Signalbandbreiten kann dem in einfacher Weise dadurch Rechnung getragen werden, daß das die Pumpschwingung erzeugende Klystron mit einer Hilfsschwingung ausreichender Amplitude gewobbelt wird, deren Frequenz groß gegenüber dem Reziprokwert der mittlerenVerweilzeit (Relaxationszeit) des Pump-Übergangs ist. Für Rubinkristalle mit einer Chromdotierung von 0,1% beträgt die Relaxationszeit bei 4,2°K 40 msee. Damit dürfte eine Wobbelfrequenz von 250 Hz bereits ausreichen, um den Pumpübergang bei genügend hoher Pumpleistung in dem gewobbelten Frequenzband zu sättigen.Due to the different orientation of the crystal rods M1 and M2- occurs not only, as already mentioned, an improvement in the signal bandwidth, but there will also be a corresponding increase in the bandwidth of the pump energy necessary. In the case of large signal bandwidths, this can be taken into account in a simple manner be worn that the pumping vibration generating klystron with an auxiliary vibration sufficient amplitude is swept, the frequency of which is large compared to the reciprocal value is the mean residence time (relaxation time) of the pumping junction. For ruby crystals with a chromium doping of 0.1%, the relaxation time at 4.2 ° K is 40 ms. A wobble frequency of 250 Hz should therefore already be sufficient for the pump transition to saturate with sufficiently high pump power in the swept frequency band.

Die Inversion von Niveaupaaren kann bei Molekularverstärkern nach der Erfindung noch durch die Wahl besonderer Arbeitspunkte, z. B. durch Anwendung des Push-Push-Mode oder des Push-Pull-Mode gesteigert werden. Beide Modes setzen ein aktives Material voraus, das unter dem Einfluß eines Magnetfeldes in vier Energieniveaus aufspaltet. Beim Push-Push-Mode wird der Arbeitspunkt so gelegt, daß bei einer bestimmten Pumpfrequenz gleichzeitig der Übergang zwischen den ersten beiden Niveaus und dem zweiten und dem vierten Niveau gepumpt wird, während das vierte und das dritte Niveau zur Energieverstärkung ausgenutzt werden. Der Push-Pull-Mode geht seinerseits von einem Arbeitspunkt aus, bei dem bei einer Pumpfrequenz der Übergang vom ersten zum dritten und vom zweiten zum vierten Niveau gepumpt wird, während der Übergang zwischen dem dritten und dem zweiten Niveau für die Signalverstärkung zur Verfügung steht.In the case of molecular amplifiers, the inversion of level pairs can occur after the invention still through the choice of special working points, z. B. by application the push-push mode or the push-pull mode can be increased. Set both modes an active material precedes that under the influence of a magnetic field in four energy levels splits. In the push-push mode, the operating point is set so that at a certain Pump frequency simultaneously the transition between the first two levels and the second and fourth levels are pumped while the fourth and third levels can be used for energy amplification. The push-pull mode, for its part, works an operating point at which the transition from the first to the third and from second to fourth level is pumped during the transition between the third and the second level is available for signal amplification.

Claims

Claims: 1. Broadband solid-state molecular amplifier for very short electromagnetic waves, consisting of one in a cavity resonator arranged active material, its energy levels by means of a magnetization device are split and in which the active material on the one hand pump energy for inversion of level pairs and on the other hand the signal energy to be amplified are supplied, in the case of which in the cavity resonator at least two constituting the active material Crystals are introduced whose excellent axes with respect to the- homogeneous Magnetic field are so differently oriented that the effective line width the overall arrangement is larger than the line width of a single crystal, i.e. a d u r c h indicated that the crystals (M1, M2) are of the same type, round rod shape have and the adjustability of the orientation of their marked axes with respect to the magnetic field rotatably arranged around its rod axis in the cavity resonator are.

2. Solid-state molecular amplifier according to claim 1, characterized in that the cavity resonator represents a rectangular waveguide (Ho) limited on both sides by short-circuit slides (K1, K2) with a Koaxialleitungsabschniti which is coupled to a coaxial line (Ko) serving to supply the signal energy , and that the central conductor of the coaxial line section is a strip conductor (B) with a cross-section matched to the cross-section of the rectangular waveguide and carrying a rod-shaped crystal (M1, M2) on opposite sides with its rod axis parallel to the broad side of the waveguide and perpendicular to the narrow side of the waveguide.

3. Solid-state molecular amplifier according to claim 2, characterized in that the crystal rods (Ml, M2) protrude with their one end through the waveguide narrow sides into the outer space.

4. Solid State Molecular Enhancers according to one of the preceding claims, characterized in that the rod-shaped active material a crystal with a single distinct axis, for example Ruby, and that the magnetic field with the rod axis of the crystal is finite Angle (ca) - and with the marked axis (C-axis) approximately a right Includes angle (0).

5. Solid-state molecular amplifier according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rod-shaped active material is a crystal with two excellent axes, for example rutile, and that the magnetic field with one of the two excellent axes, namely the C-axis , forms an approximately right angle (O), while the second marked axis (Z-axis) is arranged in the rod axis and the magnetic field hereby encloses a finite angle ( x).