Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Мазер (значения) .
Первый прототип аммиачного мазера и изобретатель Чарльз Х. Таунс . Форсунка для аммиака находится в коробке слева, четыре латунных стержня в центре - это переключатель состояния квадруполя , а резонансная полость - справа. Выход микроволн на 24 ГГц через вертикальный волновод, который Таунс настраивает. Внизу - вакуумные насосы.
Водородный радиочастотный разряд, первый элемент в водородном мазере (см. Описание ниже)

Мазера ( / м eɪ г ər / , акроним для микроволнового усиления при вынужденном испускании излучения ) представляет собой устройство , которое производит когерентные электромагнитные волны через усиление с помощью индуцированного излучения . Первый мазер был построен Чарльзом Х. Таунсом , Джеймсом П. Гордоном и Гербертом Дж. Зейгером в Колумбийском университете в 1953 году. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике 1964 года.за теоретические работы, ведущие к мазеру. Мазеры используются в качестве устройства отсчета времени в атомных часах и в качестве сверхмалошумящих СВЧ- усилителей в радиотелескопах и наземных станциях связи космических кораблей .

Современные мазеры могут быть разработаны для генерации электромагнитных волн не только на микроволновых частотах, но также на радиочастотах и ​​инфракрасных частотах. По этой причине Чарльз Таунс предложил заменить слово «микроволновая печь» словом «молекулярный» в качестве первого слова в аббревиатуре « мазер» . [1]

Лазера работает по тому же принципу , как мазера, но дает более высокую частотную когерентное излучение в видимом диапазоне. Мазер был предшественником лазера, вдохновив на теоретические работы Таунса и Артура Леонарда Шавлова, которые привели к изобретению лазера в 1960 году Теодором Майманом . Когда в 1957 году впервые представили когерентный оптический генератор, он первоначально назывался «оптическим мазером». Это , в конечном счете изменено на лазер для « L РАВО A mplification от S timulated E миссии R adiation». Гордон Гулд приписывают создание этого акронима в 1957 году.

История [ править ]

Теоретические принципы , регулирующие функционирование мазера впервые были описаны Джозеф Вебер из Университета штата Мэриленд, Колледж - Парк на электронно - лучевая трубка научно -практической конференции в июне 1952 года в Оттаве , [2] с резюме , опубликованном в июне 1953 г. Труды Института группы специалистов радиоинженеров по электронным приборам, [3] и одновременно Николаем Басовым и Александром Прохоровым из Физического института им. П.Н. Лебедева на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии, проведенной Академией наук СССР в мае 1952 г., впоследствии опубликованной в октябре 1954 г.

Независимо от этого Чарльз Хард Таунс , Джеймс П. Гордон и Х. Дж. Зейгер построили первый мазер на аммиаке в Колумбийском университете в 1953 году. В этом устройстве использовалось стимулированное излучение в потоке возбужденных молекул аммиака для усиления микроволн с частотой около 24,0 гигагерц . [4] Таунс позже работал с Артуром Л. Шавловым описать принцип оптического квантового генератора , или лазера , [5] из которых Теодор Х. Maiman создал первую рабочую модель в 1960 году.

За свои исследования в области вынужденного излучения Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году [6].

Технология [ править ]

Мазер основан на принципе вынужденного излучения, предложенном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы были переведены в возбужденное энергетическое состояние, они могут усилить излучение с частотой, зависящей от элемента или молекулы, используемых в качестве мазевой среды (аналогично тому, что происходит в лазерной среде).

Помещая такую ​​усиливающую среду в резонатор , создается обратная связь, которая может производить когерентное излучение .

Некоторые распространенные типы [ править ]

  • Мазеры на атомных пучках
    • Аммиачный мазер
    • Мазер на свободных электронах
    • Водородный мазер
  • Газовые мазеры
    • Рубидиевый мазер
    • Жидкий краситель и химический лазер
  • Твердотельные мазеры
    • Рубиновый мазер
    • Режимы шепчущей галереи железо-сапфировый мазер
  • Двойной мазер на благородном газе (Двойной благородный газ в мазерной среде, которая неполярна . [7] )

События 21 века [ править ]

В 2012 году группа исследователей из Национальной физической лаборатории и Имперского колледжа в Лондоне разработал твердотельный мазер , который работает при комнатной температуре с использованием оптической накачкой, пентаценовой -легированный р-терфениле в среде усилителя. [8] [9] [10] Он генерировал импульсы мазерного излучения длительностью несколько сотен микросекунд.

В 2018 году исследовательская группа из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона продемонстрировала непрерывную мазерную генерацию с использованием синтетических алмазов, содержащих дефекты в виде вакансий азота . [11] [12]

Использует [ редактировать ]

Мазеры служат в качестве высокоточных эталонов частоты . Эти «атомные стандарты частоты» - одна из многих форм атомных часов . Мазеры также использовались в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах , хотя они в значительной степени были заменены усилителями на основе полевых транзисторов . [13]

В начале 1960-х годов Лаборатория реактивного движения разработала мазер, обеспечивающий сверхмалошумящее усиление микроволновых сигналов S-диапазона, полученных от зондов дальнего космоса. [14] В этом мазере использовался глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры в четыре кельвина . Усиление достигалось за счет возбуждения рубиновой гребенки клистроном с частотой 12,0 гигагерц.. В первые годы на охлаждение и удаление примесей из водородных линий уходили дни. Охлаждение представляло собой двухэтапный процесс с большой установкой Linde на земле и компрессором крейцкопфа внутри антенны. Окончательная закачка производилась под давлением 21 МПа (3000 фунтов на кв. Дюйм) через регулируемый микрометром вход в камеру размером 150 мкм (0,006 дюйма). Шумовая температура всей системы при взгляде на холодное небо (2,7  кельвина в микроволновом диапазоне) составляла 17 кельвинов. Это дало такой низкий коэффициент шума, что космический зонд Mariner IV мог отправлять неподвижные изображения с Марса обратно на Землю, хотя выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15  Вт., и, следовательно, общая мощность принятого сигнала составила всего -169  децибел по отношению к милливатту  (дБм).

Водородный мазер [ править ]

Основная статья: Водородный мазер
Водородный мазер.

Водородный мазер используется в качестве атомного эталона частоты . Вместе с другими видами атомных часов они составляют Международный стандарт атомного времени («Temps Atomique International» или «TAI» по-французски). Это международная шкала времени, согласованная Международным бюро мер и весов . Норман Рэмси и его коллеги впервые задумали мазер как эталон времени. Более поздние мазеры практически идентичны своей первоначальной конструкции. Мазерные колебания основаны на вынужденном излучении между двумя уровнями сверхтонкой энергии атомарного водорода . Вот краткое описание того, как они работают:

  • Сначала создается пучок атомарного водорода. Это делается путем подачи газа под низким давлением в высокочастотный радиоволновой разряд (см. Рисунок на этой странице).
  • Следующим шагом является «выбор состояния» - чтобы получить некоторое стимулированное излучение, необходимо создать инверсную населенность атомов. Это делается очень похоже на эксперимент Штерна – Герлаха . После прохождения диафрагмы и магнитного поля многие атомы в пучке остаются на верхнем энергетическом уровне лазерного перехода. Из этого состояния атомы могут переходить в более низкое состояние и испускать микроволновое излучение.
  • Микроволновый резонатор с высокой добротностью (добротностью) ограничивает микроволны и повторно направляет их в атомный пучок. Вынужденное излучение усиливает микроволны при каждом прохождении луча. Эта комбинация усиления и обратной связи определяет все генераторы . Резонансная частота СВЧ - резонатор настроена на частоту сверхтонкого перехода энергии водорода: 1,420,405,752 герц . [15]
  • Небольшая часть сигнала в микроволновом резонаторе передается в коаксиальный кабель и затем отправляется на когерентный радиоприемник .
  • Выходящий из мазера микроволновый сигнал очень слабый (несколько пиковатт ). Частота сигнала фиксированная и очень стабильная. Когерентный приемник используется для усиления сигнала и изменения частоты. Это делается с помощью серии контуров фазовой автоподстройки частоты и высокопроизводительного кварцевого генератора .

Астрофизические мазеры [ править ]

Основная статья: Астрофизический мазер

Мазероподобное стимулированное излучение также наблюдалось в природе из межзвездного пространства , и его часто называют «сверхизлучательным излучением», чтобы отличить его от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается от таких молекул, как вода (H 2 O), гидроксильные радикалы ( • OH ), метанол (CH 3 OH), формальдегид (HCHO) и монооксид кремния (SiO). Молекулы воды в областях звездообразования могут подвергаться инверсии населенности и испускать излучение на частоте около 22,0  ГГц , создавая самую яркую спектральную линию.во вселенной радио. Некоторые водные мазеры также испускают излучение вращательного перехода с частотой 96 ГГц. [16] [17]

Чрезвычайно мощные мазеры, связанные с активными галактическими ядрами , известны как мегамазеры и в миллион раз мощнее звездных мазеров.

Терминология [ править ]

Значение термина мазер немного изменилось с момента его появления. Первоначально аббревиатура была широко известна как «усиление микроволн за счет вынужденного испускания излучения» и описывала устройства, излучающие в микроволновой области электромагнитного спектра .

С тех пор принцип и концепция стимулированного излучения были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, первоначальная аббревиатура иногда модифицируется, как предложил Чарльз Х. Таунс [1], на « молекулярное усиление путем стимулированного излучения излучения». Некоторые утверждали, что попытки Таунса расширить аббревиатуру таким образом были в первую очередь мотивированы желанием повысить важность своего изобретения и его репутацию в научном сообществе. [18]

Когда был разработан лазер, Таунс и Шавлоу и их коллеги из Bell Labs продвинули использование термина « оптический мазер» , но от него отказались в пользу лазера , придуманного их соперником Гордоном Гулдом. [19] В современном мире устройства, которые излучают в рентгеновских лучах через инфракрасные участки спектра, обычно называются лазерами , а устройства, которые излучают в микроволновом диапазоне и ниже, обычно называются мазерами , независимо от того, излучают ли они микроволны или другие частоты. .

Гулд первоначально предложили различные имена для устройств , которые излучают в каждой части спектра, в том числе гразеров ( гамма - лазеры), xasers (рентгеновские лазеры), uvasers ( ультрафиолетовые лазеры), лазеры ( видимые лазеры), irasers ( инфракрасные лазеры), мазеры (микроволновые мазеры) и rasers ( RF- мазеры). Однако большинство этих терминов так и не прижились, и все они (кроме научной фантастики) устарели, за исключением мазера и лазера .

В популярной культуре [ править ]

Во франшизе « Годзилла » Силы самообороны Японии (JSDF) часто используют вымышленные танки Maser в тщетной попытке защитить Японию от Годзиллы и других кайдзю .

См. Также [ править ]

  • Spaser
  • Список типов лазеров
  • Астрофизический мазер

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Таунс, Чарльз Х. (1964-12-11). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF) . Нобелевская премия . п. 63. Архивировано (pdf) из оригинала 27 августа 2020 года . Проверено 27 августа 2020 . Мы назвали этот общий тип системы мазером, что является аббревиатурой от микроволнового усиления за счет вынужденного излучения излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы хорошо обобщить это название - возможно, чтобы обозначить молекулярное усиление за счет стимулированного излучения излучения.
  2. ^ Интервью Американского института физики устной истории с Вебером
  3. ^ Марио Бертолотти (2004). История лазера . CRC Press. п. 180. ISBN 978-1420033403.
  4. ^ Гордон, JP; Zeiger, HJ; Townes, CH (1955). «Мазер - СВЧ усилитель нового типа, эталон частоты и спектрометр» . Phys. Ред . 99 (4): 1264. Bibcode : 1955PhRv ... 99.1264G . DOI : 10.1103 / PhysRev.99.1264 .
  5. ^ Шавлов, AL; Таунс, Швейцария (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мазеры» . Физический обзор . 112 (6): 1940–1949. Bibcode : 1958PhRv..112.1940S . DOI : 10.1103 / PhysRev.112.1940 .
  6. ^ "Нобелевская премия по физике 1964" . NobelPrize.org . Проверено 27 августа 2020 .
  7. ↑ Двойной мазер на благородном газе , Гарвардский университет, факультет физики
  8. ^ Brumfiel, G. (2012). «Микроволновый лазер выполняет 60-летнюю перспективу». Природа . DOI : 10.1038 / nature.2012.11199 . S2CID 124247048 . 
  9. ↑ Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). « Из холода выходит « мазерный »источник СВЧ-лучей» . Новости BBC. Архивировано из оригинального 29 июля 2016 года . Проверено 23 августа 2012 года .
  10. ^ Микроволновый лазер выполняет 60-летнее обещание
  11. ↑ Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мазеров» . Природа . 555 (7697): 447–449. Bibcode : 2018Natur.555..447L . DOI : 10.1038 / d41586-018-03215-3 . PMID 29565370 . 
  12. ^ Ученые использовали алмаз в первом в мире твердотельном мазере непрерывного действия при комнатной температуре , Phys.org
  13. ^ «Малошумящие усилители - выход за пределы низкого уровня шума» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО).
  14. ^ Макгрегор С. Рид, изд. (2008). "Системы с низким уровнем шума в сети дальнего космоса" (PDF) . JPL.
  15. ^ «Время и частота от А до Я: Ч» . Архивировано из оригинала на 2010-05-14 . Проверено 31 декабря 2012 .
  16. ^ Neufeld, Дэвид A .; Мельник, Гэри Дж. (1991). «Возбуждение миллиметровых и субмиллиметровых водяных мазеров в теплом астрофизическом газе». Атомы, ионы и молекулы: новые результаты в астрофизике спектральных линий, серия конференций ASP (ASP: Сан-Франциско) . 16 : 163. Bibcode : 1991ASPC ... 16..163N .
  17. ^ Теннисон, Джонатан; и другие. (Март 2013 г.). «Критическая оценка ИЮПАК вращательно-колебательных спектров водяного пара, Часть III: Уровни энергии и волновые числа перехода для H 2 16 O» . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 117 : 29–58. Bibcode : 2013JQSRT.117 ... 29T . DOI : 10.1016 / j.jqsrt.2012.10.002 .
  18. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 978-0-684-83515-0.
  19. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. С. 66–70. ISBN 978-0-684-83515-0.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дж. Р. Сингер, Мазерс , Джон Уилли и сыновья Inc., 1959.
  • Дж. Ванье, К. Одойн, Квантовая физика атомных стандартов частоты , Адам Хильгер, Бристоль, 1989.

Внешние ссылки [ править ]

  • arXiv.org поиск по запросу "мазер"
  • Мазер благородных газов
  • «Проект водородных мазерных часов» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики. Архивировано из оригинала на 2006-10-10.
  • Яркая идея: первые лазеры
  • Изобретение мазера и лазера , Американское физическое общество
  • Шоулоу и Таунс изобрели лазер , Bell Labs