грузка - к третьему. Это обеспечивает развязку источника и резонатора от нагрузки (рис. 7.1,а).

Резонатор, содержащий активную среду, настраивается на частоту f= {Ez-Ei)[h, где £2 и £1 - энергетические уровни активных атомов (или молекул), между которыми происходят переходы. Помимо сигнала с частотой /, присутствует также сигнал накачки с большой амплитудой, который возбуждает энергетический уро-

Выход

thfAfgc

€Xp(f,f/Hr)-1

Рис. 7.1. Устройство резонаторного мазера с циркулятором (о) и его эквивалентная схема (б)..

вень Ez через уровень, обладающий большей энергией, или через уровень, лежащий ниже состояния с энергией El, и таким образом осуществляет инверсию населенности. Это означает, что если N2 я Ni - число атомов (или молекул) с энергиями Е2 и Ei соответственно, то под действием сигнала накачки tNz>Ni.

Условимся, что устройство находится при темпера-

туре Тс, а температура источника равна Те. В таком случае эквивалентная схема резонатора имеет вид, показанный на рис. 7.1,6. Активная среда здесь представлена проводимостью g{g<Q), собственные потери - проводимостью gc, а трансформированный характеристический адмиттанс линии - проводимостью gg. Коэффициент усиления по мощности такой системы равен квадрату коэффициента отражения:

G[{gg-go-g)KgB+:gc+g)r- (7.1)

Поскольку g<0, G>1.

Шумовая мощность, доставляемая в проводимость нагрузки gg источником, равна

Если Nl и Л^2 - по-прежнему количество атомов в состояниях с энергиями El и Е2 соответственно, то шумовая мощность, передаваемая в gg активной цепью, определяется соотношением

р 4 Ig I hfAfN,/{N, - N,r+ 4ftfg,Af/[exp (hf/kT,) - 1 ]

(gg + g. + er

G - l

~~ i-gc/\g\

так как

hf\f -A ffSc/]g\ /70ч

(ge + g + g) i-gc/]g\ Таким образом, полная шумовая мощность равна

Рвых = Р. + Ра, (7.4)

и, следовательно, коэффициент шума

Однако удобнее ввести эквивалентную шумовую температуру Гус усилителя, используя как определение [93]

р G (7 5\

Чтобы еще более облегчить анализ, пренебрежем потерями и предположим, что интенсивность накачки достаточно велика для обеспечения сильной инверсии на-

селенности (A2i)- Будем также считать, что GI. Усилитель, удовлетворяющий всем этим трем условиям, называется идеальным квантовым усилителем. Для него выражение (7.4) приводится к виду

exp(ftf/ftr,

откуда следует:

Гуе = (/г /е)/1п [2 - ехр (- НЦкТ,)].

(7.6)

При hf/>kTs<l для этой формулы справедлива аппроксимация

Tyc = T,+ {hf/k), (7.6а)

которая вытекает из разложения экспоненты и логарифма в ряд Тейлора. В этом случае Ts и hf/k складываются и hfjk может интерпретироваться как шумовая температура идеального мазера. Подстановка h=6,&iX X10-34 дж-сек, k=\,S8X XI0-23 дж/град и f= = 10 гц дает А А=0,5 °К, так что идеальный мазер и в самом деле имеет очень низкую шумовую температуру.

При hf/ikTsl формула (7.6) может быть записана

0.2 0,3 0.5 0,71,0 HTjbf

2.0 4,0

Рис. 7.2. Зависимость кТу^Щ от kTJhf и две аппроксимирующие кривые: kTyJhf=\,AA и кТуМ= =k(T,+hflk)lhf 153].

как

(7.66)

Эта величина называется эквивалентной шумовой температурой флуктуации спонтанной эмиссии активного материала. При f=10io гц и Г^ = 4°К hf/kTs=0,l2, так что преобладает первое условие.

На рис. 7.2 приведена зависимость kTyc/hf от kTs/hf и показаны два предельных случая, отвечающих соотношениям (7.6а) и (7.66),