vodík vysokofrekvenční výboj, první prvek uvnitř vodíkový maser.

maser je zařízení, které vyrábí nebo zesiluje velmi intenzivní, koherentní paprsek elektromagnetických vln, zejména v mikrovlnné oblasti. Historicky, termín pochází ze zkratky “ mikrovlnná amplifikace stimulovanou emisí záření.“Moderní masery však vyzařují přes širokou část elektromagnetického spektra. Charles H. Townes, který vedl tým, který vyvinul a postavil první maser, proto navrhl nahradit“ mikrovlnnou troubu „zkratkou“ molekulární“. Když byly masery vyvinuty pro provoz v optické oblasti, zpočátku se jim říkalo optické masery, ale stalo se běžnějším označovat je jako lasery, kde „l“ znamená „světlo“.“

masery produkují extrémně ostré záření s nízkým vnitřním šumem a slouží jako vysoce přesné frekvenční reference. Zejména vodíkový maser je „atomový frekvenční standard“ a je užitečný jako jedna forma atomových hodin. Vzhledem k jejich vysoké citlivosti se masery používají také jako detektory a elektronické zesilovače v radioteleskopech. Experimenty, které poprvé detekovaly kosmické mikrovlnné záření na pozadí, používaly maserův zesilovač. Toto záření bylo přičítáno Velkému třesku původu vesmíru.

Názvosloví

Jak bylo uvedeno výše, maser byl původně navrhl jako zkratka pro „microwave amplification by stimulated emission of radiation,“ k popisu zařízení, že emitované v mikrovlnné oblasti elektromagnetického spektra. Princip stimulované emise byl od té doby rozšířen na více zařízení a frekvencí, a tak Charles H.Townes navrhl úpravu původní zkratky na „molekulární amplifikace stimulovanou emisí záření.“

Když laser byl vyvinut, Townes, Arthurem Schawlowem, a jejich kolegové z Bell Labs tlačil použití termínu optický maser, ale to bylo z velké části opuštěn ve prospěch laser, razil jejich soupeř Gordon Gould. V moderním použití, zařízení, které emitují v X-ray prostřednictvím infračervené části spektra jsou obvykle nazývají lasery, a zařízení, která emitují v mikrovlnné oblasti a pod se běžně nazývají masery.

Gould původně navrhované odlišné názvy pro zařízení, která emitují v každé části spektra, včetně grasers (gamma ray lasery), xasers (x-ray lasery), uvasers (ultrafialové lasery), lasery (viditelné lasery), irasers (infračervené lasery), masery (microwave masery), a rasers (radio frequency masery). Většina z těchto termínů, s výjimkou Maseru a laseru, se nikdy nezachytila a stala se zastaralou, kromě jejich použití ve sci-fi.

Historie

Ve Spojených Státech, nejdříve přednáška pro veřejnost na zásady, které jsou základem maseru byla dána Joseph Weber v červnu 1952 konferenci Institute of Radio Engineers. Přibližně ve stejnou dobu, Nikolaj Basov a Alexander Prochorov z Lebeděva Fyzikální Ústav popsán teoretický základ pro maser na All-Union Konference na Radio-Spektroskopie v držení SSSR Akademie Věd v Květnu 1952. Své výsledky Následně zveřejnili v říjnu 1954.

nezávisle, Charles H. Townes, J. P. Gordon, a H. J. Zeiger postavil první maser na Columbia University v roce 1953. Zařízení používá stimulované emise v proudu pod napětím molekuly amoniaku k výrobě zesílení mikrovln na frekvenci 24 ghz. Townes později spolupracoval s Arthurem L. Schawlowem na popisu principu optického Maseru nebo laseru, který poprvé vyvinul a demonstroval Theodore H. Maiman v roce 1960. Za svůj výzkum v této oblasti získali Townes, Basov a Prochorov Nobelovu cenu za fyziku v roce 1964. Od roku 1965 astronomové objevili přírodní zdroje maserů ve vesmíru.

Obecné principy fungování

Když se atomy nebo molekuly vhodné látky (tzv. střední) jsou bombardováni s fotony o určité frekvenci, jdou do „nadšený“ (vyšší) energie stavu a emitují fotony o stejné frekvenci. V tomto smyslu zahrnuje maser „stimulovanou emisi“ záření. Vložením zesilovacího média do rezonanční dutiny (nebo rezonátoru dutiny) se vytvoří zpětná vazba, která může produkovat záření, které je „koherentní“.“O elektromagnetických vlnách se říká, že jsou koherentní, když se šíří na stejné frekvenci ve stejné fázi a pohybují se stejným směrem. Naproti tomu elektromagnetické vlny z většiny ostatních zdrojů mají rozsah různých frekvencí, jsou v různých fázích (vůči sobě navzájem) a jsou šířeny prakticky ve všech směrech.

rádiové vlny emitované maserem mají téměř stejnou frekvenci a jejich přenos na velké vzdálenosti je vysoce účinný. V prvním Maseru, který měl být vyvinut, byl médiem v rezonanční dutině amoniakální plyn. V tomto případě molekuly amoniaku oscilovaly na určité frekvenci mezi dvěma energetickými stavy. Nedávno byl vyvinut rubínový maser, ve kterém je v rezonanční dutině umístěn rubínový krystal. Duální Maser vzácných plynů je příkladem nepolárního média v Maseru.

typy maserů

některé běžné typy maserů jsou uvedeny níže. Názvy označují médium přítomné v rezonanční dutině.

Atomový paprsek masery

• Amoniaku maser
• Vodíkový maser

Plyn masery

• Rubidium maser

Solid State masery

• Ruby maser.

Vodíkový maser

vodíkový maser.

dnes je nejdůležitějším typem Maseru vodíkový maser, který poskytuje ostrý a konstantní oscilační signál. Je založen na přechodech v atomovém vodíku, které se vyskytují při frekvenci 1421 megahertzů. Tento maser se používá jako standard atomové frekvence. Spolu s dalšími typy atomových hodin tvoří „Temps Atomique International“ nebo TAI. Jedná se o mezinárodní časové měřítko, které koordinuje Bureau International des Poids et Mesures nebo BIPM.

byl to Norman Ramsey a jeho kolegové, kteří si toto zařízení poprvé uvědomili. Dnešní masery jsou totožné s původním designem. Maserova oscilace závisí na stimulované emisi mezi dvěma hyperjemnými hladinami atomového vodíku.

jak to funguje

následuje stručný popis toho, jak funguje vodíkový maser.

• nejprve se paprsek atomového vodíku vytvoří vystavením plynného vodíku při nízkém tlaku radiofrekvenčnímu výboji. (Viz rámeček v dolní části diagramu vpravo.)

• další krok je znám jako “ výběr stavu.“Získat nějaké stimulované emise, je nutné k vytvoření inverze populace atomů—to znamená, že většina atomů musí být v excitovaného energetického stavu (spíše než v nižší energetické stavu). To se provádí podobným způsobem jako slavný Stern-Gerlachův experiment. Po průchodu otvorem a magnetickým polem je mnoho atomů v paprsku ponecháno v horní energetické úrovni laserového přechodu. Z tohoto stavu se atomy mohou rozpadat na nižší energetický stav a emitovat určité mikrovlnné záření.

• mikrovlnná dutina s vysokým faktorem kvality omezuje mikrovlny a opakovaně je vstřikuje do paprsku atomu. Stimulovaná emise zesiluje mikrovlny na každém průchodu paprskem. Tato kombinace zesílení a zpětné vazby definuje všechny oscilátory. Rezonanční frekvence mikrovlnné dutiny je 1420 405 751.768 Hz, která je přesně naladěna na hyperjemnou strukturu vodíku.

• malá část signálu v mikrovlnné dutině je spojena do koaxiálního kabelu a odeslána do koherentního přijímače.

• mikrovlnný signál vycházející z Maseru má velmi slabý výkon (několik pikowattů (pW)). Frekvence signálu je pevná, ale extrémně stabilní. Koherentní přijímač se používá k zesílení signálu a změně frekvence. To se provádí pomocí řady fázově uzamčených smyček a vysoce výkonného křemenného oscilátoru.

Astrofyzikální masery

Stimulovat mikrovlnné a rádiové vlny emise je pozorována v astronomii, a to se obvykle nazývá „masing,“ dokonce i v nepřítomnosti rezonanční zpětnou vazbu, že by bylo zapotřebí pro skutečné maser. Technicky se tato forma stimulované emise nazývá superradiant emission a je úzce spojena s laserováním a Masingem. Tyto emise je pozorována z molekuly, jako je voda (H2O), hydroxylové radikály (OH), methanol (CH3OH), formaldehyd (CH2O), a křemíku uhelnatého (SiO).

Maserova stimulovaná emise se také vyskytuje v přírodě v mezihvězdném prostoru. Molekuly vody v oblastech tvořících hvězdy mohou podstoupit populační inverzi a emitovat záření při 22 GHz, což vytváří nejjasnější spektrální čáru v rádiovém vesmíru. Některé vodní masery také emitují záření z vibračního režimu na 96 GHz.

Viz také

• Amoniak
• Elektromagnetického spektra
• Vodík
• Laserové
• Lehké
• Mikrovlnná trouba
• Optika

Poznámky

• Keating, Michael P.2002. Geometrická, fyzikální a vizuální Optika. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J.R. 1959. Maser. Wiley.
• Taylor, Nicku. 2000. LASER: vynálezce, nositel Nobelovy ceny a třicetiletá patentová válka. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J., and C. Audoin. 1989. Kvantová fyzika atomových frekvenčních standardů. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.