Мазеры (стр. 1 из 2)
Реферат студента пятого курса З/О Антонова Александра Михайловича
Донецкий национальный университет
Донецк, 2009
Введение.
Мазер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны. Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation) — было предложено в 1954 году американцем Ч. Таунсом, одним из его создателей. Кроме Таунса к открытию непосредственного принципа работы квантового генератора причастны советские учёные А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, а также американцы Дж. Вебер, Д. Гордон и Х. Цейгер. В 1964 г Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера — мазера». Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.
Басов Николай Геннадиевич (1922 г.р.), российский физик, один из основоположников квантовой электроники. В 1954 г. совместно с А.М.Прохоровым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955 г. предложил трехуровневую схему для создания инверсного состояния в квантовых системах. В 1964 г. удостоен Нобелевской премии по физике за фундаментальную работу в области квантовой электроники.
Прохоров Александр Михайлович (1916 г.р.), российский физик, один из создателей квантовой электроники. В 1954 г. совместно с Н.Г.Басовым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал над созданием квантовых парамагнитных усилителей СВЧ-диапазона. В 1958 г. предложил в качестве резонатора квантового генератора использовать открытый резонатор. В 1964 г. за фундаментальные работы в области квантовой электроники удостоен Нобелевской премии по физике
Историю создания мазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.
Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики ( ныне академики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором” (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США ( группой под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” и произошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light – свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип – принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.
Принцип работы мазеров имеет много общего с работой лазеров. Главный процесс - вынужденное излучение возбужденных молекул - протекает в отличие от лазерного не в оптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ. Схематически мазер показан на рис. 1. Пучок молекул аммиака из источника 1 влетает в селектор 2, в котором происходит разделение молекул.
Рис. 1 - Принцип устройства мазера.
В качестве селектора большей частью применяют так называемый квадрупольный конденсатор, который состоит из четырех параллельных металлических стержней с разноименным зарядом, создаваемым напряжением 20-30 кВ (рис. 2). Внутри возникает неоднородное электрическое поле, причем на продольной (вдоль стержней) оси симметрии конденсатора поле отсутствует. В молекулярном пучке, поступающем в конденсатор, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая часть в невозбужденном. Возбужденные молекулы имеют электроны на более высоких энергетических уровнях.
Рис. 2 - Взаимное расположение стержней в квадрупольном конденсаторе.
Электрическое поле квадрупольного конденсатора действует на молекулы так, что возбужденные молекулы собираются на оси конденсатора, а невозбужденные отклоняются от оси. В результате из квадрупольного конденсатора в объемный резонатор 3 попадает пучок возбужденных молекул. Объемный резонатор представляет собой колебательную систему в виде некоторой плоскости, ограниченной проводящими стенками. Такой резонатор в зависимости от размеров обладает обычно несколькими резонансными частотами. В квантовом генераторе резонатор настроен на частоту, соответствующую переходу возбужденных молекул в основное, невозбужденное состояние. Тогда поток молекул, в которых осуществляется такой переход, излучает электромагнитные волны, возбуждающие и поддерживающие колебания в резонаторе. Энергия этих колебаний отбирается через вывод 4 резонатора.
Молекулярный генератор на аммиаке создает колебания с частотой 23, 87 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1, 25 см. Мощность такого генератора очень мала и составляет
Вт. Главная особенность молекулярного генератора на аммиаке - высокая стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты за несколько часов работы не превышает 
. Подобный генератор может быть использован в качестве стандарта частоты.Ещё более высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке атомов водорода. Он отличается от генератора на аммиаке тем, что для селекции возбужденных и невозбужденных атомов используется неоднородное магнитное поле, а не электрическое. Это объясняется наличием у атомов водорода некоторой намагниченности. Неоднородное магнитное поле прижимает к оси возбужденные атомы водорода и отклоняет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонатор влетают возбужденные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора в невозбужденное состояние, генерируют электромагнитные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор. Относительная нестабильность частоты водородного генератора может быть
. Мощность не превышает 
Вт. Аналогично водородному работает генератор на атомах цезия. Молекулярные и атомные квантовые генераторы применяются для точного отсчета времени - в молекулярных и атомных часах. 
Рис.3 Водородный мазер.В первоначальном мазере, созданном в 1954 г. Джеймсом Гордоном, Цайгером и Таунсом, использовались вибрации молекул аммиака для получения микроволновых колебаний точно определенной частоты.
Вслед за этим Николас Бломберген из Гарвардского университета наметил практический путь построения так называемого 3-уровневого твердого мазера для использования его в качестве микроволнового усилителя с низким уровнем шумов.
Первый мазер такого типа был построен в лаборатории компании Bell Telephone Laboratories Джорджем Фехером, Сковилом и Зайделем, и затем было сконструировано много других. Радиоастрономы нашли их особенно ценными для усиления очень слабых радиосигналов из космоса.
На этом рисунке процесс индуцированного излучения (внизу), являющийся основой действия мазера, сопоставляется с поглощением (наверху) и спонтанным излучением (в середине). Если атом в основном состоянии (черный кружок слева вверху) поглощает фотон (волнистая пунктирная стрелка), то он возбуждается или переходит в более высокое возбужденное состояние (белый кружок справа вверху). Возбужденный атом (в середине слева) может излучить затем энергию спонтанно, эмитируя фотон и возвращаясь в основное состояние (справа в середине). Возбужденный атом (слева внизу) может также быть вынужден к эмиссии фотона, если он испытает удар фотона, пришедшего со стороны. Таким образом, в дополнение к вынуждающему фотону теперь имеется второй фотон той же самой длины волны (справа внизу), и атом возвращается в основное состояние.