Мазер

Мазер — это устройство, которое производит когерентные электромагнитные волны ( микроволны ) посредством усиления стимулированным излучением . Этот термин является аббревиатурой от усиления микроволнового излучения за счет вынужденного излучения . Впервые предложенный Джозефом Вебером , 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 разработки. работа, ведущая к мазеру. Мазеры используются в качестве устройства измерения времени в атомных часах , а также в качестве чрезвычайно малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах и наземных станциях связи космических кораблей .

Современные мазеры могут быть предназначены для генерации электромагнитных волн на микроволновых , радио- и инфракрасных частотах . По этой причине Таунс предложил заменить слово «микроволновая печь» на «молекулярный» в качестве первого слова в аббревиатуре «мазер». ^[1]

Лазер работает по тому же принципу, что и мазер, но производит более высокочастотное когерентное излучение в видимых длинах волн. Мазер был предшественником лазера, вдохновив Таунса и Артура Леонарда Шавлоу на теоретические работы , которые привели к изобретению лазера в 1960 году Теодором Мейманом . Когда в 1957 году впервые был изобретен когерентный оптический генератор, его первоначально называли «оптическим мазером». В конечном итоге его заменили на лазер , что означает «усиление света за счет вынужденного излучения». Гордону Гулду приписывают создание этой аббревиатуры в 1957 году.

История

Теоретические принципы, управляющие работой мазера, были впервые описаны Джозефом Вебером из Университета Мэриленда, Колледж-Парк, на конференции по исследованию электронных трубок в июне 1952 года в Оттаве . ^[2] с резюме, опубликованным в июне 1953 года в «Трудах профессиональной группы Института радиоинженеров по электронным устройствам», ^[3] и одновременно Николаем Басовым и Александром Прохоровым из Физического института имени Лебедева на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии, проведенной АН СССР в мае 1952 года, опубликованной в октябре 1954 года.

Независимо Чарльз Хард Таунс , Джеймс П. Гордон и Х. Дж. Зейгер построили первый аммиачный мазер в Колумбийском университете в 1953 году. Это устройство использовало стимулированное излучение в потоке заряженных молекул аммиака для усиления микроволн на частоте около 24,0 гигагерц . ^[4] Позже Таунс работал с Артуром Л. Шавлоу, чтобы описать принцип оптического мазера или лазера . ^[5] из которых Теодор Х. Мейман создал первую рабочую модель в 1960 году.

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

Технология

Мазер основан на принципе вынужденного излучения, предложенном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы переводятся в возбужденное энергетическое состояние, они могут усиливать излучение на частоте, характерной для элемента или молекулы, используемой в качестве масирующей среды (аналогично тому, что происходит в лазерной среде).

Помещая такую усиливающую среду в резонансную полость , создается обратная связь, которая может производить когерентное излучение .

Некоторые распространенные типы

Атомные лучевые мазеры
- Аммиачный мазер
- Мазер свободных электронов
- Водородный мазер
Газовые мазеры
- Рубидиевый мазер
Жидкостный краситель и химический лазер
Твердотельные мазеры
- Рубиновый мазер
- Моды шепчущей галереи железо-сапфировый мазер
Двойной мазер на благородном газе (Двойной благородный газ рабочей среде в неполярной . ^[7])

События 21 века

В 2012 году исследовательская группа из Национальной физической лаборатории и Имперского колледжа Лондона разработала твердотельный мазер, который работал при комнатной температуре, используя пентаценом . с оптической накачкой, легированный п-терфенил в качестве усилителя ^[8]^[9]^[10] Он производил импульсы мазерного излучения длительностью в 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 азотных вакансий . ^[11]^[12]

Использование

Мазеры служат высокоточными эталонами частоты . Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из многих форм атомных часов . Мазеры также использовались в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах , хотя в значительной степени они были заменены усилителями на полевых транзисторах . ^[13]

В начале 1960-х годов Лаборатория реактивного движения разработала мазер, обеспечивающий сверхмалошумящее усиление микроволновых сигналов S-диапазона, принимаемых от зондов дальнего космоса. ^[14] В этом мазере использовался глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры К. 4 Усиление достигалось путем возбуждения рубиновой гребенки клистроном с частотой 12,0 ГГц . В первые годы на охлаждение и удаление примесей из водородных линий уходило несколько дней.

Охлаждение представляло собой двухступенчатый процесс: большая установка Linde на земле и крейцкопфный компрессор внутри антенны. Последняя инъекция осуществлялась при давлении 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) через регулируемый микрометром вход в камеру диаметром 150 мкм (0,006 дюйма). всей системы Шумовая температура при взгляде на холодное небо (2,7 Кельвина в микроволновом диапазоне) составила 17 Кельвинов. Это дало настолько низкий коэффициент шума, что Mariner IV космический зонд мог отправлять неподвижные изображения с Марса обратно на Землю , хотя выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15 Вт , и, следовательно, общая мощность принимаемого сигнала составляла всего -169 децибел. относительно милливатт (дБм).

Водородный мазер

Водородный мазер используется в качестве атомного стандарта частоты . Вместе с другими видами атомных часов они составляют Международный стандарт атомного времени («Temps Atomique International» или «TAI» на французском языке). Это международная шкала времени, координируемая Международным бюро мер и весов . Норман Рэмси и его коллеги впервые придумали мазер как эталон времени. Более поздние мазеры практически идентичны своей первоначальной конструкции. Мазерные колебания основаны на вынужденном излучении между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями атомарного водорода .

Вот краткое описание того, как они работают:

Сначала создается пучок атомарного водорода. Это делается путем обработки газа под низким давлением высокочастотным радиоволновым разрядом (см. рисунок на этой странице).
Следующим шагом является «отбор состояний»: чтобы получить стимулированное излучение, необходимо создать инверсную заселенность атомов. Это делается способом, очень похожим на эксперимент Штерна-Герлаха . После прохождения апертуры и магнитного поля многие атомы пучка остаются на верхнем энергетическом уровне лазерного перехода. Из этого состояния атомы могут перейти в более низкое состояние и испустить некоторое количество микроволнового излучения.
с высокой добротностью (добротностью) Микроволновой резонатор удерживает микроволны и многократно повторно вводит их в атомный пучок. Стимулированное излучение усиливает микроволны при каждом прохождении луча. Эта комбинация усиления и обратной связи является отличительной чертой всех генераторов . Резонансная частота СВЧ-резонатора настроена на частоту сверхтонкого энергетического перехода водорода: 1 420 405 752 герц . ^[15]
Небольшая часть сигнала в микроволновом резонаторе передается по коаксиальному кабелю и затем отправляется на когерентный радиоприемник .
Микроволновой сигнал, исходящий от мазера, очень слабый, несколько пиковатт . Частота сигнала фиксирована и чрезвычайно стабильна. Когерентный приемник используется для усиления сигнала и изменения частоты. Это делается с помощью серии систем фазовой автоподстройки частоты и высокопроизводительного кварцевого генератора .

Астрофизические мазеры

Мазероподобное вынужденное излучение также наблюдалось в природе из межзвездного пространства , и его часто называют «сверхизлучением», чтобы отличить его от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается у таких молекул, как вода (H ₂ O), гидроксильные радикалы ( •OH ), метанол (CH ₃ OH), формальдегид (HCHO), оксид кремния (SiO) и карбодиимид (HNCNH). ^[16] Молекулы воды в областях звездообразования могут претерпевать инверсию населенности и излучать излучение на частоте около 22,0 ГГц , создавая самую яркую спектральную линию во Вселенной. Некоторые водные мазеры также излучают излучение вращательного перехода на частоте 96 ГГц. ^[17]^[18]

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

Терминология

Значение термина «мазер» немного изменилось с момента его появления. Первоначально эта аббревиатура повсеместно использовалась как «микроволновое усиление путем вынужденного излучения», которая описывала устройства, излучающие в микроволновой области электромагнитного спектра .

С тех пор принцип и концепция вынужденного излучения были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, исходная аббревиатура иногда модифицируется, как предложил Чарльз Х. Таунс: ^[1] к « молекулярной амплификации путем стимулированного испускания радиации». Некоторые утверждали, что попытки Таунса расширить аббревиатуру таким образом были в первую очередь мотивированы желанием повысить важность его изобретения и его репутацию в научном сообществе. ^[19]

Когда был разработан лазер, Таунс, Шавлоу и их коллеги из Bell Labs предложили использовать термин «оптический мазер» , но от него в значительной степени отказались в пользу лазера , придуманного их соперником Гордоном Гулдом. ^[20] В современном использовании устройства, излучающие рентгеновские лучи в инфракрасных частях спектра, обычно называются лазерами , а устройства, излучающие в микроволновой области и ниже, обычно называются мазерами , независимо от того, излучают ли они микроволны или другие частоты.

Первоначально Гулд предложил отдельные названия для устройств, излучающих в каждой части спектра, включая grasers ( гамма - лазеры), xasers (рентгеновские лазеры), uvasers ( ультрафиолетовые лазеры), лазеры ( видимые лазеры), irasers ( инфракрасные лазеры), мазеры (микроволновые мазеры) и разеры ( РЧ- мазеры). Однако большинство из этих терминов так и не прижились, и все они теперь (за исключением научной фантастики) устарели, за исключением мазера и лазера . ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Таунс, Чарльз Х. (11 декабря 1964 г.). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF) . Нобелевская премия . п. 63. Архивировано (pdf) из оригинала 27 августа 2020 г. Проверено 27 августа 2020 г. Мы назвали этот общий тип системы мазером, что означает усиление микроволнового излучения за счет вынужденного излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы целесообразно обобщить это название - возможно, для обозначения молекулярной амплификации путем стимулированного излучения излучения.
^ Интервью по устной истории Американского института физики с Вебером
^ Марио Бертолотти (2004). История лазера . ЦРК Пресс. п. 180. ИСБН 978-1420033403 .
^ Гордон, JP; Зейгер, HJ; Таунс, Швейцария (1955). «Мазер — новый тип микроволнового усилителя, стандарта частоты и спектрометра» . Физ. Преподобный . 99 (4): 1264. Бибкод : 1955PhRv...99.1264G . дои : 10.1103/PhysRev.99.1264 .
^ Шавлоу, Алабама; Таунс, Швейцария (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мазеры» . Физический обзор . 112 (6): 1940–1949. Бибкод : 1958PhRv..112.1940S . дои : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
^ «Нобелевская премия по физике 1964 года» . NobelPrize.org . Проверено 27 августа 2020 г.
^ Двойной мазер на благородном газе , Гарвардский университет, физический факультет
^ Брамфилд, Г. (2012). «Микроволновой лазер выполняет 60-летние обещания». Природа . дои : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 .
^ Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). « Мазерный источник микроволновых лучей выходит из холода» . Новости Би-би-си. Архивировано из оригинала 29 июля 2016 года . Проверено 23 августа 2012 г.
^ Микроволновой лазер оправдывает 60-летние обещания
^ Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мазеров» . Природа . 555 (7697): 447–449. Бибкод : 2018Natur.555..447L . дои : 10.1038/d41586-018-03215-3 . ПМИД 29565370 .
^ Ученые используют алмаз в первом в мире твердотельном мазере непрерывного действия при комнатной температуре , phys.org
^ «Малошумящие усилители – расширяя границы низкого шума» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО).
^ Макгрегор С. Рид, изд. (2008). «Малошумящие системы в сети дальнего космоса» (PDF) . Лаборатория реактивного движения.
^ «Время и частота от А до Я: Ч» . НИСТ . 12 мая 2010 г.
^ Макгуайр, Бретт А.; Лумис, Райан А.; Чарнесс, Кэмерон М.; Корби, Джоанна Ф.; Блейк, Джеффри А.; Холлис, Ян М.; Ловас, Фрэнк Дж.; Джуэлл, Филип Р.; Ремижан, Энтони Дж. (20 октября 2012 г.). «Межзвездный карбодиимид (HNCNH): новое астрономическое обнаружение в результате исследования GBT Primos с помощью особенностей мазерного излучения» . Астрофизический журнал . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Бибкод : 2012ApJ...758L..33M . дои : 10.1088/2041-8205/758/2/L33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .
^ Нойфельд, Дэвид А.; 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. Бибкод : 1991ASPC...16..163N .
^ Теннисон, Джонатан; и др. (март 2013 г.). «Критическая оценка IUPAC вращательно-колебательных спектров водяного пара, Часть III: Энергетические уровни и волновые числа перехода для H ₂¹⁶O" . Журнал количественной спектроскопии и радиационного переноса . 117 : 29–58. Бибкод : 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. стр. 66–70. ISBN 978-0-684-83515-0 .

Дальнейшее чтение

JR Сингер, Мазерс , John Whiley and Sons Inc., 1959.
Ж. Ванье, К. Одуэн, Квантовая физика атомных стандартов частоты , Адам Хильгер, Бристоль, 1989.

Внешние ссылки

Фейнмановские лекции по физике Vol. III гл. 9: Мазер аммиака
arXiv.org ищет «мазер»
«Проект водородных мазерных часов» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики. Архивировано из оригинала 10 октября 2006 г.
Яркая идея: первые лазеры, заархивированные 24 апреля 2014 г. в Wayback Machine.
Изобретение мазера и лазера , Американское физическое общество
Шолоу и Таунс изобретают лазер , Bell Labs

[nobel_lecture-1] Jump up to: ^а ^б Таунс, Чарльз Х. (11 декабря 1964 г.). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF) . Нобелевская премия . п. 63. Архивировано (pdf) из оригинала 27 августа 2020 г. Проверено 27 августа 2020 г. Мы назвали этот общий тип системы мазером, что означает усиление микроволнового излучения за счет вынужденного излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы целесообразно обобщить это название - возможно, для обозначения молекулярной амплификации путем стимулированного излучения излучения.

[2] Интервью по устной истории Американского института физики с Вебером

[3] Марио Бертолотти (2004). История лазера . ЦРК Пресс. п. 180. ИСБН 978-1420033403 .

[4] Гордон, JP; Зейгер, HJ; Таунс, Швейцария (1955). «Мазер — новый тип микроволнового усилителя, стандарта частоты и спектрометра» . Физ. Преподобный . 99 (4): 1264. Бибкод : 1955PhRv...99.1264G . дои : 10.1103/PhysRev.99.1264 .

[5] Шавлоу, Алабама; Таунс, Швейцария (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мазеры» . Физический обзор . 112 (6): 1940–1949. Бибкод : 1958PhRv..112.1940S . дои : 10.1103/PhysRev.112.1940 .

[6] «Нобелевская премия по физике 1964 года» . NobelPrize.org . Проверено 27 августа 2020 г.

[7] Двойной мазер на благородном газе , Гарвардский университет, физический факультет

[8] Брамфилд, Г. (2012). «Микроволновой лазер выполняет 60-летние обещания». Природа . дои : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 .

[9] Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). « Мазерный источник микроволновых лучей выходит из холода» . Новости Би-би-си. Архивировано из оригинала 29 июля 2016 года . Проверено 23 августа 2012 г.

[10] Микроволновой лазер оправдывает 60-летние обещания

[11] Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мазеров» . Природа . 555 (7697): 447–449. Бибкод : 2018Natur.555..447L . дои : 10.1038/d41586-018-03215-3 . ПМИД 29565370 .

[12] Ученые используют алмаз в первом в мире твердотельном мазере непрерывного действия при комнатной температуре , phys.org

[13] «Малошумящие усилители – расширяя границы низкого шума» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО).

[14] Макгрегор С. Рид, изд. (2008). «Малошумящие системы в сети дальнего космоса» (PDF) . Лаборатория реактивного движения.

[15] «Время и частота от А до Я: Ч» . НИСТ . 12 мая 2010 г.

[16] Макгуайр, Бретт А.; Лумис, Райан А.; Чарнесс, Кэмерон М.; Корби, Джоанна Ф.; Блейк, Джеффри А.; Холлис, Ян М.; Ловас, Фрэнк Дж.; Джуэлл, Филип Р.; Ремижан, Энтони Дж. (20 октября 2012 г.). «Межзвездный карбодиимид (HNCNH): новое астрономическое обнаружение в результате исследования GBT Primos с помощью особенностей мазерного излучения» . Астрофизический журнал . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Бибкод : 2012ApJ...758L..33M . дои : 10.1088/2041-8205/758/2/L33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .

[17] Нойфельд, Дэвид А.; 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. Бибкод : 1991ASPC...16..163N .

[18] Теннисон, Джонатан; и др. (март 2013 г.). «Критическая оценка IUPAC вращательно-колебательных спектров водяного пара, Часть III: Энергетические уровни и волновые числа перехода для H ₂¹⁶O" . Журнал количественной спектроскопии и радиационного переноса . 117 : 29–58. Бибкод : 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. стр. 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]