微波激射器

利用電磁波與原子或分子等量子系統的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振蕩的量子器件。對於原子（或分子）的某兩個能級，若其布居數是處於粒子數反轉的狀態，即上能級的布居數大於下能級的布居數，則與入射電磁波相互作用后總的表現為原子輻射相干電磁波，從而使入射電磁波的能量增加，這就是量子放大。如果入射電磁波的頻率為微波頻率，則利用這種原理製成的放大器稱為微波量子放大器。若再加上適當的反饋裝置，則微波量子放大器就可以變成為微波量子振蕩器。微波激射器是微波量子放大器和微波量子振蕩器的統稱。

在微波激射器中，為了加強原子與電磁波的相互作用，往往把工作物質放在一個微波諧振腔中，諧振腔的諧振頻率正好等於原子的躍遷頻率。有的微波量子放大器用慢波結構來代替諧振腔。諧振腔本身又是一個反饋裝置，原子輻射出的電磁波能量的一部分留在腔內，再次作用於原子上構成正反饋作用。當諧振腔的

值足夠高，原子輻射的功率足夠大時，微波量子放大器就變成微波量子振蕩器。

造成原子某兩個能級粒子數反轉的方法很多，最常用的是選態法和三能級（或四能級）抽運法。選態法常用在原子束（或分子束）中，當原子束通過一個不均勻磁場（或電場）時，處在不同能級上的原子因受力不同其運動軌跡就不同。這樣，就可把處在某一對能級的上能級的原子選出來，然後讓它進入一個諧振腔。三能級（或四能級）抽運法常用於氣體、液體、固體的工作物質。先用某一頻率的電磁波，把原子從最低能級抽運到一個高能級上，從而可以造成該高能級與另一個較低能級之間的粒子數反轉，或者造成另一個較低能級與最低能級之間的粒子數反轉。

微波量子放大器的優點是它具有特別低的雜訊。因為在微波波段，可能成為雜訊源的自發輻射可以忽略，如果把放置工作物質的諧振腔再放入液氦中，則它的雜訊溫度只有幾開爾文，非常接近於無雜訊的理想放大器。微波量子振蕩器的優點是振蕩頻率可以做得非常穩定。因為它決定於原子能級的穩定性，只要選擇合適的能級使能級位置對各種外界宏觀條件不敏感即可。

在微波量子放大器方面，常用的是固體微波量子放大器，適於在極低溫度下工作，從而可獲得極低的雜訊溫度。在射電天文方面，微波量子放大器在天線仰角較大（輸入雜訊小）時，可用於微弱微波信號放大。用紅寶石作工作物質的微波量子放大器如圖1，

為能量值，

為半零場分裂值。紅寶石中Cr

離子基態能級圖如圖1a。此圖對應其晶軸和外磁場的夾角為54.7°，在磁感應強度

=0.42T（特）時，抽運頻率為24.2吉赫，可同時引起在能級1與3間及能級2與4間的躍遷，只要抽運功率足夠大，就可以造成能級2與3間的粒子數反轉。能級2與3間的躍遷頻率，就是工作頻率（9.4吉赫）。圖1b是這種量子放大器結構的示意。紅寶石放在一個雙頻諧振腔中。此腔同時對24.2吉赫和 9.4吉赫頻率諧振，整個腔置於液氦中冷卻到4.2K以下。

氨分子振蕩器是在1954年建成的世界上第一種微波量子振蕩器。頻率穩定度較高，可達10

,故可製成氨分子鐘。但它已被氫原子量子振蕩器所代替。氫原子量子振蕩器是量子振蕩器中長期頻率穩定度最高的（達10

數量級）,可以作為頻率和時間的標準（圖2）。圖2a是氫原子基態能級圖(

為能量值

為零場分裂值，

為玻爾磁子)。其中

＝1,

＝0態和

＝0,т

＝0態兩個能級在弱磁場下對外磁場變化不敏感，不易受外磁場的干擾而使能級移動，其間的躍遷頻率也就非常穩定，因而被選作為頻率標準。圖2b是它的結構示意圖，原子束中的氫原子經過磁鐵選態，可以把處在

＝1，т

＝0態的原子集中到諧振腔內的儲存泡中；而把處在

＝0,т

＝0態的原子偏離開。只要原子數足夠多，諧振腔

值足夠高，就可以產生微波量子振蕩。

參考書目

J.R.Singer,

John Wiley and Sons,New York,1959.