Мастер

Масер - это устройство, которое производит когерентные электромагнитные волны ( микроволновые печи ) посредством усиления путем стимулированного излучения . Термин является аббревиатурой для микроволновой амплификации путем стимулированного излучения излучения . Впервые предложил Джозефу Веберу , первый мастер был построен Х. Таунсом Джеймсом Гордоном Гербертом Дж в университете Колумбийском П. , Зейгером и Чарльзом . работа, ведущая к мастеру. Мазеры используются в качестве устройства хронометража в атомных часах , и в качестве чрезвычайно низких микроволновых усилителей в радиотелескопах и сухопутных станциях космических кораблей .

Современные мастеры могут быть разработаны для генерации электромагнитных волн на микроволновых частотах и радио и инфракрасных частотах. По этой причине Таунс предложил заменить «микроволновую печь» на «молекулярный» в качестве первого слова в аббревиатуре "Maser". ^{[ 1 ]}

Лазер работает по тому же принципу, что и мастер, но производит более высокое частотное когерентное излучение на видимых длинах волн. Масер был предшественником лазера, вдохновляя теоретическую работу Таунса и Артура Леонарда Шавлау , которая привела к изобретению лазера в 1960 году Теодором Майманом . Когда в 1957 году был представлен когерентный оптический генератор, он первоначально назывался «оптическим мастером». В конечном итоге это было изменено на лазер для «усиления света путем стимулированного излучения излучения». Гордону Гулду приписывают создание этой аббревиатуры в 1957 году.

История

Теоретические принципы, регулирующие работу мастера, были впервые описаны Джозефом Вебером из Университета Мэриленда, Колледж Парк на исследовательской конференции Electron Tube в июне 1952 года в Оттаве , ^{[ 2 ]} Сводчится с резюме, опубликованной в июне 1953 года сделок профессиональной группы инженеров радиоинженеры на электронных устройствах, ^{[ 3 ]} и одновременно Николай Бастова и Александр Прохоров из Института физики Лебедева , на конференции по радиопроспектроскопии, проведенной Академией наук СССР в мае 1952 года, опубликованной в октябре 1954 года.

Независимо от Чарльза Хард -Таунса , Джеймса П. Гордона и Х.Дж. Зейгера построили первый мазер аммиака в Колумбийском университете в 1953 году. В этом устройстве использовалось стимулированное излучение в потоке энергичных молекул аммиака для получения амплификации микроволн на частоте около 24,0 Гигахерца . ^{[ 4 ]} Позднее Таунс работал с Артуром Л. Шавлау, чтобы описать принцип оптического мастера или лазера , ^{[ 5 ]} из которых Теодор Х. Майман создал первую рабочую модель в 1960 году.

За их исследование в области стимулированных выбросов, Таунс, Басв и Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году. ^{[ 6 ]}

Технология

Мазер основан на принципе стимулированного излучения, предложенного Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы были вызваны в возбужденное энергетическое состояние, они могут амплифицировать излучение на частоте, характерном для элемента или молекулы, используемой в качестве массовой среды (аналогично тому встречается в коптяной среде в лазере).

Поместив такую усиливающую среду в резонансную полость , создается обратная связь, которая может создавать когерентное излучение .

Некоторые общие типы

Мазеры из атомного луча
- Аммиак Мазер
- Свободный электронный мастер
- Водород Мазер
Газовые мастеры
- Рубидий Мазер
Жидкость и химический лазер
Твердые государственные мастеры
- Ruby Maser
- шепта Моды
Двойной благородный газовый мастер (двойной благородный газ массовой среды, которая неполярная . ^{[ 7 ]})

Застройки 21-го века

В 2012 году исследовательская группа из Национального физического лабораторного и имперского колледжа Лондона разработала твердотельный мастер, который работал при комнатной температуре, используя оптически, накачанный птерфенилом пентаценовым в качестве среды усилителя. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Он произвел импульсы из выброса мастера, продолжавшуюся в течение нескольких сотен микросекунд.

В 2018 году исследовательская команда Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона продемонстрировала непрерывную волнистую колебание мастера с использованием синтетических бриллиантов, содержащих азота-вакансии . дефекты ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Использование

Мазеры служат в качестве высокой точной частоты . Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из многих форм атомных часов . Мазеры также использовались в качестве микроволновых усилителей с низким шумом в радиотелескопах , хотя они в значительной степени заменялись усилителями на основе FET . ^{[ 13 ]}

В начале 1960-х годов лаборатория реактивного движения разработала мастер, чтобы обеспечить сверхлавное усиливание микроволновых сигналов S-диапазона, полученных от зондов глубокого пространства. ^{[ 14 ]} Этот мастер использовал глубоко охлажденный гелий, чтобы охладить усилитель до температуры 4 Кельвина . Усиление было достигнуто за счет захватывающей рубиновой расчески с 12,0 Gigahertz Klystron . В первые годы потребовались дни, чтобы охладить и удалить примеси из линий водорода.

Охлаждение представляло собой двухэтапный процесс, с большим блок Линде на земле и компрессором перекрестки в антенне. Окончательная инъекция была на 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) через 150 мкм (0,006 дюйма), регулируемое микрометром в камеру. Вся температура шума системы , глядя на холодное небо (2,7 Кельвина в микроволновой полосе) составила 17 Кельвин. Это дало такой низкий уровень шума, что Mariner IV космический зонд может отправить все еще изображения с Марса обратно на Землю , хотя выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15 Вт , и, следовательно, полученная мощность сигнала составляла всего -169 децибел. Что касается Милливатта (DBM).

Водород Мазер

Водородный мастер используется в качестве стандарта атомной частоты . Вместе с другими видами атомных часов, они помогают составить стандарт международного атомного времени («Temps Atomique International» или «Tai» на французском языке). Это международная масштаба времени, координируемая Международным бюро весов и мер . Норман Рэмси и его коллеги впервые задумывались о Мазере как стандарт времени. Более поздние мастеры практически идентичны своему первоначальному дизайну. Колебания мастера полагаются на стимулированное излучение между двумя уровнями энергии гиперсофинов в атомном водороде .

Вот краткое описание того, как они работают:

Во -первых, продуцируется луч атомного водорода. Это делается путем подачи газа при низком давлении на высокочастотный радиоволновый разряд (см. Рисунок на этой странице).
Следующий шаг - «Отбор состояния» - в приказе получить некоторую стимулированную эмиссию, необходимо создать населения инверсию атомов . Это делается таким образом, который очень похож на эксперимент с строгими -герлахами . После прохождения через диафрагму и магнитное поле многие атомы в луче остаются на верхнем уровне энергии перехода на тора. Из этого состояния атомы могут разлагаться до нижнего состояния и излучать некоторое микроволновое излучение.
с высоким коэффициентом Q (коэффициент качества) Микроволновая полость ограничивает микроволновые печи и неоднократно вносит их в атомный луч. Стимулированное излучение усиливает микроволновые печи на каждом проходе через луч. Эта комбинация усиления и обратной связи - это то, что определяет все генераторы . Резонансная частота микроволновой полости настроена на частоту гипертонного энергетического перехода водорода: 1420,405,752 герц . ^{[ 15 ]}
Небольшая доля сигнала в микроволновой полости связана с коаксиальным кабелем, а затем отправляется в когерентный радиоприемник .
Микроволновый сигнал, выходящий из мастера, очень слаб, несколько пикаттов . Частота сигнала фиксированная и чрезвычайно стабильная. Когерентный приемник используется для амплификации сигнала и изменения частоты. Это делается с использованием серии петлей с фазовой шлюзой и высокопроизводительного кварцевого генератора .

Астрофизические мастерские

Стимулированное излучение, подобное мастеру, также наблюдалось в природе из межзвездного пространства , и его часто называют «суперрадиантским эмиссией», чтобы отличить его от лабораторных мастеров. Такое излучение наблюдается из таких молекул, как вода (H ₂ O), гидроксильные радикалы ( • OH ), метанол (CH ₃ OH), формальдегид (HCHO), окись кремния (SIO) и карбодимид (HNCNH). ^{[ 16 ]} Молекулы воды в звездах , формирующих области, могут подвергаться инверсии популяции и излучать излучение примерно на 22,0 ГГц , создавая самую яркую спектральную линию во вселенной радио. Некоторые водные мастер также излучают излучение от вращательного перехода на частоте 96 ГГц. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

Чрезвычайно мощные мастеры, связанные с активными галактическими ядрами , известны как мегамазеры и в миллион раз более сильнее звездных мастеров.

Терминология

Значение термина MASER немного изменилось с момента его введения. Первоначально аббревиатура была повсеместно назначена как «микроволновая амплификация путем стимулированного излучения излучения», которая описывала устройства, испускаемые в микроволновой области электромагнитного спектра .

Принцип и концепция стимулированной эмиссии с тех пор были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, оригинальная аббревиатура иногда модифицируется, как предполагает Чарльз Х. Таунс, ^{[ 1 ]} к « молекулярной амплификации путем стимулированного излучения излучения». Некоторые утверждают, что усилия Таунса по расширению аббревиатуры таким образом были в первую очередь мотивированы желанием увеличить важность его изобретения и его репутацию в научном сообществе. ^{[ 19 ]}

Когда был разработан лазер, Таунс и Шавлау и их коллеги из Bell Labs подтолкнули использование термина оптического мастера , но это было в значительной степени отброшено в пользу лазера , придуманного их соперником Гордоном Гулдом. ^{[ 20 ]} В современном использовании устройства, которые излучаются в рентгеновских снимках через инфракрасные части спектра, обычно называются лазерами , а устройства, которые испускают в микроволновой области и ниже, обычно называют мастерами , независимо от того, излучают ли они микроволны или другие частоты.

Первоначально Гулд предложил различные названия для устройств, которые испускают в каждой части спектра, включая гралисты ( гамма - лазеры), Xasers (рентгеновские лазеры), Uvasers ( ультрафиолетовые лазеры), лазеры (видимые лазеры), Irasers (инфракрасные лазеры),, лазеры ( видимые лазеры), Irasers ( инфракрасные лазеры), лазер Masers (микроволновые мастеры) и Rasers ( РЧ -мастер). Однако большинство из этих терминов никогда не завоевывали популярность, и теперь все стали (кроме научной фантастики) устаревшей, за исключением Maser и Laser . ^{[ Цитация необходима ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} Таунс, Чарльз Х. (1964-12-11). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF) . Нобелевская премия . п. 63. Архивированный (PDF) из оригинала на 2020-08-27 . Получено 2020-08-27 . Мы назвали этот общий тип системы MASER, аббревиатурой для микроволновой амплификации путем стимулированного излучения излучения. Идея была успешно распространена на такие разнообразные устройства и частоты, что, вероятно, хорошо обобщать название - возможно, означать молекулярную амплификацию путем стимулированного излучения излучения.
^ Американское институт физики устной истории интервью с Вебером
^ Марио Бертолотти (2004). История лазера CRC Press. П. 180. ISBN 978-1420033403 .
^ Гордон, JP; Зейгер, HJ; Townes, Ch (1955). «Мазер - новый тип микроволнового усилителя, стандарт частоты и спектрометр» . Физический Преподобный 99 (4): 1264. Bibcode : 1955phrv ... 99.1264G . doi : 10.1103/physrev.99.1264 .
^ Schawlow, AL; Townes, Ch (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мастеры» . Физический обзор . 112 (6): 1940–1949. Bibcode : 1958phrv..112.1940s . doi : 10.1103/physrev.112.1940 .
^ «Нобелевская премия по физике 1964» . Nobelprize.org . Получено 2020-08-27 .
^ Масер с двойным благородным газом , Гарвардский университет, кафедра физики
^ Brumfiel, G. (2012). «Микроволновый лазер выполняет 60 лет обещания». Природа . doi : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 .
^ Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). « Maser» источник микроволновых балок выходит из холода » . BBC News. Архивировано с оригинала 29 июля 2016 года . Получено 23 августа 2012 года .
^ Микроволновый лазер выполняется 60 лет обещания
^ Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мастеров» . Природа . 555 (7697): 447–449. Bibcode : 2018natur.555..447L . doi : 10.1038/d41586-018-03215-3 . PMID 29565370 .
^ Ученые используют алмаз в первой в мире непрерывной температуре сплошной температурной мастерской , Phys.org
^ «Усилители с низким уровнем шума - раздвигают пределы низкого шума» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO).
^ МакГрегор С. Рейд, изд. (2008). «Системы с низким шумом в сети Deep Space» (PDF) . Jpl.
^ «Время и частота от от a до z: h» . Нист . 12 мая 2010 г.
^ МакГуайр, Бретт А.; Лумис, Райан А.; Charness, Cameron M.; Корби, Джоанна Ф.; Блейк, Джеффри А.; Холлис, январь М.; Ловас, Фрэнк Дж.; Jewell, Philip R.; Ремиджан, Энтони Дж. (2012-10-20). «Межзвездный карбодимид (HNCNH): новое астрономическое обнаружение из опроса GBT Primos с помощью функций выбросов Maser» . Астрофизический журнал . 758 (2): L33. Arxiv : 1209.1590 . Bibcode : 2012Apj ... 758L..33M . doi : 10.1088/2041-8205/758/2/l33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .
^ Neufeld, David A.; Мелник, Гэри Дж. (1991). «Возбуждение миллиметровых и субмиллиметровых водных мастеров в теплом астрофизическом газе». Атомы, ионы и молекулы: новые результаты в астрофизике спектральной линии, серия конференций ASP (ASP: San Francisco) . 16 : 163. Bibcode : 1991aspc ... 16..163n .
^ Теннисон, Джонатан; и др. (Март 2013). «Критическая оценка IUPAC вращационных спектров водяного пара, часть III: уровни энергии и переходные волны для H ₂¹⁶O " . Журнал количественной спектроскопии и радиационной переноса . 117 : 29–58. Bibcode : 2013jqsrt.117 ... 29t . DOI : 10.1016/j.jqsrt.2012.10.002 . HDL : 10831/91303 .
^ Тейлор, Ник (2000). Лазер: Изобретатель, Нобелевский лауреат и Тридцатилетняя патентная война . Нью -Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 978-0-684-83515-0 .
^ Тейлор, Ник (2000). Лазер: Изобретатель, Нобелевский лауреат и Тридцатилетняя патентная война . Нью -Йорк: Саймон и Шустер. С. 66–70. ISBN 978-0-684-83515-0 .

Дальнейшее чтение

JR Singer, Masers , John Worhy and Sons Inc., 1959.
J. Vanier, C. Audoin, Квантовая физика стандартов атомной частоты , Адам Хилгер, Бристоль, 1989.

Внешние ссылки

Лекции Фейнмана по физике. Iii ch. 9: Аммиакский мастер
arxiv.org Поиск "Maser"
«Проект часов водородного мастера» . Гарвард-Смитсонский центр астрофизики. Архивировано из оригинала в 2006-10-10.
Яркая идея: первые лазеры архивировали 2014-04-24 на The Wayback Machine
Изобретение мастера и лазера , американского физического общества
Shawlow и Townes изобретают лазер , Bell Labs

[nobel_lecture-1] Jump up to: ^а ^{беременный} Таунс, Чарльз Х. (1964-12-11). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF) . Нобелевская премия . п. 63. Архивированный (PDF) из оригинала на 2020-08-27 . Получено 2020-08-27 . Мы назвали этот общий тип системы MASER, аббревиатурой для микроволновой амплификации путем стимулированного излучения излучения. Идея была успешно распространена на такие разнообразные устройства и частоты, что, вероятно, хорошо обобщать название - возможно, означать молекулярную амплификацию путем стимулированного излучения излучения.

[2] Американское институт физики устной истории интервью с Вебером

[3] Марио Бертолотти (2004). История лазера CRC Press. П. 180. ISBN 978-1420033403 .

[4] Гордон, JP; Зейгер, HJ; Townes, Ch (1955). «Мазер - новый тип микроволнового усилителя, стандарт частоты и спектрометр» . Физический Преподобный 99 (4): 1264. Bibcode : 1955phrv ... 99.1264G . doi : 10.1103/physrev.99.1264 .

[5] Schawlow, AL; Townes, Ch (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мастеры» . Физический обзор . 112 (6): 1940–1949. Bibcode : 1958phrv..112.1940s . doi : 10.1103/physrev.112.1940 .

[6] «Нобелевская премия по физике 1964» . Nobelprize.org . Получено 2020-08-27 .

[7] Масер с двойным благородным газом , Гарвардский университет, кафедра физики

[8] Brumfiel, G. (2012). «Микроволновый лазер выполняет 60 лет обещания». Природа . doi : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 .

[9] Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). « Maser» источник микроволновых балок выходит из холода » . BBC News. Архивировано с оригинала 29 июля 2016 года . Получено 23 августа 2012 года .

[10] Микроволновый лазер выполняется 60 лет обещания

[11] Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мастеров» . Природа . 555 (7697): 447–449. Bibcode : 2018natur.555..447L . doi : 10.1038/d41586-018-03215-3 . PMID 29565370 .

[12] Ученые используют алмаз в первой в мире непрерывной температуре сплошной температурной мастерской , Phys.org

[13] «Усилители с низким уровнем шума - раздвигают пределы низкого шума» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO).

[14] МакГрегор С. Рейд, изд. (2008). «Системы с низким шумом в сети Deep Space» (PDF) . Jpl.

[15] «Время и частота от от a до z: h» . Нист . 12 мая 2010 г.

[16] МакГуайр, Бретт А.; Лумис, Райан А.; Charness, Cameron M.; Корби, Джоанна Ф.; Блейк, Джеффри А.; Холлис, январь М.; Ловас, Фрэнк Дж.; Jewell, Philip R.; Ремиджан, Энтони Дж. (2012-10-20). «Межзвездный карбодимид (HNCNH): новое астрономическое обнаружение из опроса GBT Primos с помощью функций выбросов Maser» . Астрофизический журнал . 758 (2): L33. Arxiv : 1209.1590 . Bibcode : 2012Apj ... 758L..33M . doi : 10.1088/2041-8205/758/2/l33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .

[17] Neufeld, David A.; Мелник, Гэри Дж. (1991). «Возбуждение миллиметровых и субмиллиметровых водных мастеров в теплом астрофизическом газе». Атомы, ионы и молекулы: новые результаты в астрофизике спектральной линии, серия конференций ASP (ASP: San Francisco) . 16 : 163. Bibcode : 1991aspc ... 16..163n .

[18] Теннисон, Джонатан; и др. (Март 2013). «Критическая оценка IUPAC вращационных спектров водяного пара, часть III: уровни энергии и переходные волны для H ₂¹⁶O " . Журнал количественной спектроскопии и радиационной переноса . 117 : 29–58. Bibcode : 2013jqsrt.117 ... 29t . DOI : 10.1016/j.jqsrt.2012.10.002 . HDL : 10831/91303 .

[19] Тейлор, Ник (2000). Лазер: Изобретатель, Нобелевский лауреат и Тридцатилетняя патентная война . Нью -Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 978-0-684-83515-0 .

[20] Тейлор, Ник (2000). Лазер: Изобретатель, Нобелевский лауреат и Тридцатилетняя патентная война . Нью -Йорк: Саймон и Шустер. С. 66–70. ISBN 978-0-684-83515-0 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]