室温和低温下的单晶蓝宝石微波频谱表征

摘要

低温蓝宝石振荡器由于在短期积分时间内具有超高频率稳定性和超低相位噪声而成为理想的二级微波频标，因此被用作铯原子喷泉钟的本地振荡器，使其可以达到量子投影噪声极限。蓝宝石是振荡器的核心部件，它的Q值将直接决定振荡器的短期频率稳定性水平。蓝宝石的Q值与其内部的介质损耗有关，但目前还没有人在微波范围内研究过影响蓝宝石内部介质损耗的因素。本论文主要工作为在室温和低温下利用回音壁模式和电子自旋共振频谱在微波范围内对蓝宝石性能进行标定。 文中利用严格的电磁仿真软件对所有可能出现在蓝宝石谐振腔中的模式频率进行了仿真预测，用于指导实验中高Q值模式的搜寻，并探究了谐振频率对蓝宝石尺寸和介电常数的敏感度，结果表明，仿真和测量频率的误差仅为0.2%。实验采用获得的高Q值模式计算得到蓝宝石的介质损耗，发现从国内公司购买的蓝宝石样品具有和世界著名蓝宝石生产公司生产的蓝宝石一样低的介质损耗。室温下实验测量得到蓝宝石样品在5.7GHz处品质因数高达3.18×105，该结果为目前室温下测得的最高Q值。 4K时，蓝宝石的介质损耗极低，在10.124GHz频率附近找到的Q值高达3.59×108。但这一结果距报道过的最高Q值还差一个量级，且比理论预测极限差三个量级。为了寻找蓝宝石的内在损耗机制，本文利用微波频谱实验对两个非掺杂蓝宝石样品和三个掺杂蓝宝石样品进行了标定。标定前通过广泛调研和一系列复杂计算分析总结了大部分可能存在于蓝宝石中的顺磁杂质离子的哈密顿量表达式，电子自旋共振频率，和朗德g因子等信息，并通过这些信息绘制了离子的电子自旋共振理论跃迁频谱图，提出从测得的离子跃迁频谱反推出离子哈密顿量参数信息的观点。将实验结果与理论频谱图对比发现，在两个非掺杂样品中有Cr3+、Fe3+、和Ti3+离子的存在，同时在样品2中标定了Mn4+离子的精细分裂跃迁线。标定了三个钛掺杂的样品中的Ti3+离子，及Cr3+、Mo3+、Mn4+和V2+离子。 在低温下对蓝宝石中顺磁杂质离子的浓度进行分析得到，在两个非掺杂蓝宝石中Ti3+离子的浓度约为（10±1）ppb量级，其中一个样品中的Cr3+和Fe3+离子浓度分别为（11±1）ppb和（13±1）ppb。通过分析不同频率下的杂质离子浓度发现，其中一个非掺杂蓝宝石中的Ti3+离子均匀地分布在样品边缘，而另外一个样品中的Ti3+在样品中心处呈非均匀分布。最后利用频率温度拐点的关系对杂质浓度进行了评估。根据以上结果提出Ti3+离子可能是影响蓝宝石品质的可能因素之一。

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