RU2110336C1

RU2110336C1 - Method of generation of hypersonic-frequency oscillations

Info

Publication number: RU2110336C1
Application number: RU96119452A
Authority: RU
Inventors: В.И. Урвачев
Original assignee: Совместное научно-производственное предприятие Центр "Содружество"
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-05-10

Abstract

FIELD: physics, applicable in quantum acoustics for studying the interaction of quanta of elastic disturbances with electrons, magnons and other quasi-particles in crystals. SUBSTANCE: crystal with an activator (contaminant) placed in an optical and at the same time hypersonic resonator is used as medium; the crystal is influenced by electromagnetic radiation of the optical wave band, and in the conditions of simultaneous generation of electromagnetic modes of another frequency an excess concentration of excited atoms or other particles and their systems in the lower laser state as compared with the equilibrium one is produced providing a non-optical transition from it to the main state and actuating resonance oscillations of the crystal lattice and generation of hypersonic- frequency oscillations. EFFECT: facilitated procedure. 3 dwg

Description

Изобретение относится к физике и может найти применение в квантовой акустике для изучения взаимодействия квантов упругих возмущений с электронами, магнонами и другими элементарными возбуждениями в кристаллах. The invention relates to physics and can be used in quantum acoustics to study the interaction of quanta of elastic perturbations with electrons, magnons and other elementary excitations in crystals.

В настоящее время известен способ генерации колебаний УСВЧ диапазона частот, включающий в себя возбуждение пьезоэлектрических кристаллов высокочастотным электромагнитным полем [1], для чего СВЧ-радиоизлучение направляют, например, через преобразователь на основе пленки ZnO на кристалл LiNbO. Currently, a known method of generating oscillations of the UHF frequency range, which includes the excitation of piezoelectric crystals by a high-frequency electromagnetic field [1], for which microwave radiation is directed, for example, through a converter based on a ZnO film to a LiNbO crystal.

Известен способ генерации звуковых колебаний с помощью вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, заключающийся в облучении среды мощным световым потоком, например от лазера, сфокусированным в небольшую область внутри образца [2].Однако для достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна необходимы значительные мощности. There is a method of generating sound vibrations using stimulated Mandelstamm-Brillouin scattering, which consists in irradiating the medium with a powerful light flux, for example, from a laser focused in a small area inside the sample [2]. However, significant powers are required to reach the threshold for stimulated Mandelstamm-Brillouin scattering.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ возбуждения акустических колебаний УСВЧ диапазона частот и нижней части диапазона гиперзвуковых частот под воздействием электромагнитного излучения, интенсивность которого имеет пространственную периодичность в объеме среды [3] . Звуковые колебания с длиной волны, равной периоду интерференции двух, падающих на среду световых пучков, возникают за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции. The closest in technical essence to the invention is a method of exciting acoustic oscillations of the UHF frequency range and the lower part of the hypersonic frequency range under the influence of electromagnetic radiation, the intensity of which has spatial periodicity in the medium volume [3]. Sound vibrations with a wavelength equal to the interference period of two light beams incident on the medium arise due to nonlinear effects of absorption and electrostriction.

Недостатком способа является необходимость использования для облучения среды когерентного электромагнитного излучения, невозможность создания одинакового пространственно-периодического распределения плотности излучения во всем объеме среды и, следовательно, сложность получения когерентных звуковых колебаний, а также невозможность получения достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот в диапазоне 10¹⁰-10¹³ Гц за счет нелинейных эффектов поглощения и электрострикции.The disadvantage of this method is the need to use coherent electromagnetic radiation for irradiation of the medium, the impossibility of creating the same spatially periodic distribution of the radiation density in the entire volume of the medium and, therefore, the difficulty of obtaining coherent sound vibrations, as well as the impossibility of obtaining sufficiently powerful coherent vibrations of hypersonic frequencies in the range 10 ¹⁰ - 10 ¹³ Hz due to nonlinear effects of absorption and electrostriction.

Целью изобретения является снижение требований к когерентности электромагнитного излучения, воздействующего на среду, и обеспечение возможности получения достаточно мощных когерентных звуковых колебаний вплоть до диапазона 10¹⁰-10¹³ Гц.The aim of the invention is to reduce the requirements for the coherence of electromagnetic radiation acting on the medium, and to provide the possibility of obtaining sufficiently powerful coherent sound waves up to a range of 10 ¹⁰ -10 ¹³ Hz.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве среды используют кристалл с активатором (примесями), помещенный в оптический и одновременно в гиперзвуковой резонатор, на кристалл воздействуют электромагнитным излучением оптического диапазона волн и в режиме одновременной генерации электромагнитных колебаний другой частоты создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию возбужденных атомов или других частиц и их систем в нижнем лазерном состоянии, обеспечивая неоптический переход с него в основное состояние и приводя к резонансным колебаниям решетки кристалла и генерации колебаний гиперзвуковых частот. This goal is achieved by the fact that as a medium a crystal is used with an activator (impurities) placed in an optical and simultaneously in a hypersonic resonator, the crystal is exposed to electromagnetic radiation in the optical wavelength range and, in the mode of simultaneous generation of electromagnetic waves of a different frequency, creates an excess concentration in comparison with equilibrium excited atoms or other particles and their systems in the lower laser state, providing a non-optical transition from it to the ground state and leading to resonant vibrations of the crystal lattice; and generation of hypersonic frequency vibrations.

Изобретение поясняется на фиг. 1-3. The invention is illustrated in FIG. 1-3.

Возможная схема квантового генератора гиперзвуковых частот показана на фиг. 1. На ней обозначены: 1 -кристалл квантового генератора с активатором, 2 - отражающее зеркало резонатора электромагнитного излучения, 3 - обработанный торец кристалла, отражающий электромагнитное излучение и излучение гиперзвуковых частот, 4 - обработанный торец кристалла, отражающий излучение гиперзвуковых частот, 5 - источник оптической накачки, 6 - согласующие пленки. A possible scheme of a quantum hypersonic frequency generator is shown in FIG. 1. On it are indicated: 1 - a crystal of a quantum generator with an activator, 2 - a reflecting mirror of an electromagnetic resonator, 3 - a processed end of a crystal, reflecting electromagnetic radiation and radiation of hypersonic frequencies, 4 - a processed end of a crystal, reflecting radiation of hypersonic frequencies, 5 - a source optical pumping, 6 - matching films.

В квантовом генераторе гиперзвуковых частот с помощью источника оптической накачки 5 осуществляют облучение кристалла с активатором (примесями) электромагнитным излучением. Излучение накачки, поглощающееся частицами активной среды, переводит их в возбужденное состояние. При этом подобранный спектральный состав излучения источника накачки и определенное соотношение между вероятностями поглощения на переходах, ведущих к заселению и обеднению уровней активного вещества, приводит к преимущественному заселению верхних уровней. При наличии резонатора электромагнитного поля, образованного отражающим зеркалом 2 и торцом кристалла 3, в результате стимулированного электромагнитным полем резонатора переходом частиц с верхнего лазерного состояния на нижнее лазерное состояние генератор через зеркало 2 излучает электромагнитное поле, частота которого не совпадает с частотой излучения накачки. В процессе излучения электромагнитного поля при достаточно большой интенсивности излучения поля накачки наряду с преимущественным заселением верхнего лазерного состояния будет иметь место и преимущественное, по сравнению с основным состоянием, заселение нижнего лазерного состояния, совпадающего с возбужденным состоянием примесь-решетка кристалла, расположенном выше основного состояния. In a quantum generator of hypersonic frequencies using an optical pump source 5, a crystal is irradiated with an activator (impurities) of electromagnetic radiation. The pump radiation absorbed by the particles of the active medium transfers them to the excited state. In this case, the selected spectral composition of the radiation of the pump source and a certain ratio between the absorption probabilities at the transitions leading to the population and depletion of the levels of the active substance lead to the predominant population of the upper levels. In the presence of an electromagnetic field resonator formed by a reflecting mirror 2 and a crystal end 3, as a result of a resonator stimulated by an electromagnetic field by the transition of particles from the upper laser state to the lower laser state, the generator emits an electromagnetic field through mirror 2 whose frequency does not coincide with the pump radiation frequency. In the process of electromagnetic field emission at a sufficiently high intensity of the pump field radiation, along with the predominant population of the upper laser state, there will also be a predominant, compared with the ground state, population of the lower laser state, which coincides with the excited state of the crystal impurity located above the ground state.

Последующий неоптический стимулированный переход атомов, других частиц или их систем, вызванный колебаниями решетки кристалла на частоте резонатора гиперзвуковых частот, образованного торцами кристалла 3 и 4, приводит к резонансным колебаниям решетки и излучению гиперзвуковых волн через согласующие пленки 6. The subsequent non-optical stimulated transition of atoms, other particles or their systems, caused by vibrations of the crystal lattice at the frequency of the resonator of hypersonic frequencies formed by the ends of the crystal 3 and 4, leads to resonant vibrations of the lattice and the emission of hypersonic waves through matching films 6.

При отсутствии согласующих пленок 6 возникающие резонансные колебания кристалла могут приводить к его разрушению, что практически часто и имеет место в твердотельных оптических квантовых генераторах. In the absence of matching films 6, the resulting resonant oscillations of the crystal can lead to its destruction, which is often the case in solid-state optical quantum generators.

Наиболее вероятно излучение гиперзвуковых волн можно получить в кристаллах с активаторами, имеющими четырехуровневую схему рабочих состояний. Most likely, the emission of hypersonic waves can be obtained in crystals with activators having a four-level scheme of working states.

На фиг. 2 в качестве примера показана диаграмма энергетических уровней двухвалентного редкоземельного иона D $\binom{2+}{y}$ в кристалле CaF₂ [4], на которой стрелками показаны основные процессы, приводящие к заселению и обеднению уровней. На них обозначены:
W_н - плотность излучения накачки;
B₁₄ - коэффициент Энштейна, соответствующий поглощению электромагнитного поля накачки;
B₄₁ - коэффициент Энштейна, соответствующий излучению электромагнитного поля накачки;
Ni - населенности i-го состояния;
γ_i - суммарная вероятность обеднения i-го состояния.In FIG. 2 as an example, a diagram of the energy levels of the divalent rare-earth ion D $\binom{2+}{y}$ in a CaF ₂ crystal [4], on which the arrows show the main processes leading to population and depletion of levels. On them are indicated:
W _n - pump radiation density;
B ₁₄ - Einstein coefficient corresponding to the absorption of the electromagnetic field of the pump;
B ₄₁ - Einstein coefficient corresponding to the radiation of the electromagnetic field of the pump;
Ni — populations of the i-th state;
γ _i is the total probability of depletion of the i-th state.

Накачка генератора на CaF₂:D $\binom{2+}{y}$ обусловлена, главным образом, полосой 4f - 5d вблизи длины волны 0,9 мкм, совпадающей с областью излучения ксенонового разряда. Инфракрасное излучение, имеющее место в квантовом генераторе на CaF₂:D $\binom{2+}{y}$ обусловлено переходом ⁵I₇-⁵I₈ расположенным приблизительно на 90 см^-1 выше основного состояния. Этот переход и может быть использован для создания гиперзвуковых волн в кристалле на длине λ ≈ 100 мкм.Pump generator on CaF ₂ : D $\binom{2+}{y}$ This is mainly due to the 4f - 5d band near the 0.9 μm wavelength, which coincides with the xenon discharge emission region. Infrared radiation occurring in a CaF ₂ : D quantum generator $\binom{2+}{y}$ due to the transition ⁵ I ₇ - ⁵ I ₈ located approximately 90 cm ^-1 above the ground state. This transition can also be used to create hypersonic waves in a crystal at a length of λ ≈ 100 μm.

Действительно, систему исходных кинетических уравнений для процессов, имеющих место при накачке кристалла электромагнитным полем, можно записать в виде:

N₁ + N₂ + N₃ + N₄ = N
Известное решение данной системы уравнений позволяет представить зависимости населенности состояний от плотности излучения накачки в виде:

В данных уравнениях символ γ обозначает суммарную вероятность объединения i-го состояния, A = γ₃γ₂γ₄, Г = 2γ₂γ₃+γ₄₂γ₃+γ₄₃γ₂+γ₃₂γ₄₃. .Indeed, the system of initial kinetic equations for the processes that occur when a crystal is pumped by an electromagnetic field can be written as:

N ₁ + N ₂ + N ₃ + N ₄ = N
The well-known solution to this system of equations allows us to represent the dependence of the population of states on the pump radiation density in the form:

In these equations, the symbol γ denotes the total probability of combining the ith state, A = γ ₃ γ ₂ γ ₄ , G = 2γ ₂ γ ₃ + γ ₄₂ γ ₃ + γ ₄₃ γ ₂ + γ ₃₂ γ ₄₃ . .

Возможный вид этих зависимостей показан на фиг.3. Из этих зависимостей видно, что при плотности накачки

населенность уровня 2 будет превышать населенность уровня 1.A possible view of these dependencies is shown in FIG. It can be seen from these dependences that at the pump density

a level 2 population will exceed a level 1 population.

Неоптический переход системы из возбужденного состояния примесь-решетка в основное состояние при наличии в квантовом генераторе резонатора гиперзвуковых волн, образованного обработанными торцами кристалла, приведет к резонансным колебаниям решетки и генерации достаточно мощных когерентных колебаний гиперзвуковых частот. The non-optical transition of the system from the excited state of the impurity-lattice to the ground state in the presence of hypersonic waves in the quantum oscillator formed by the processed ends of the crystal will lead to resonant lattice vibrations and the generation of sufficiently powerful coherent vibrations of hypersonic frequencies.

Claims

A method of generating vibrations of hypersonic frequencies, including exposure to a medium by electromagnetic radiation, characterized in that a crystal with an activator (impurities) is used as a medium, placed in an optical and simultaneously in a hypersonic resonator, the crystal is exposed to electromagnetic radiation from the optical wavelength range, and in the mode of simultaneous generating electromagnetic oscillations of a different frequency, create an excess concentration of excited atoms or other particles and their systems in the lower laser state, providing a non-optical transition from it to the ground state and leading to resonant vibrations of the crystal lattice and the generation of hypersonic frequency vibrations.