Une décharge radiofréquence à hydrogène, le premier élément à l’intérieur d’un maser à hydrogène.

Un maser est un dispositif qui produit ou amplifie un faisceau d’ondes électromagnétiques très intense et cohérent, en particulier dans la région des micro-ondes. Historiquement, le terme vient de l’acronyme « Amplification Micro-ondes par Émission Stimulée de Rayonnement. »Les masers modernes émettent cependant sur une large partie du spectre électromagnétique. Charles D. Townes, qui a dirigé l’équipe qui a développé et construit le premier maser, a donc suggéré de remplacer « micro-ondes » par « moléculaire » dans l’acronyme. Lorsque les masers ont été développés pour fonctionner dans la région optique, ils étaient initialement appelés masers optiques, mais il est devenu plus courant de les appeler lasers, où « l » signifie « lumière ». »

Les masers produisent un rayonnement extrêmement net avec un faible bruit interne et servent de références de fréquence de haute précision. Le maser à hydrogène, en particulier, est un « étalon de fréquence atomique » et est utile comme une forme d’horloge atomique. Compte tenu de leur sensibilité élevée, les masers sont également utilisés comme détecteurs et amplificateurs électroniques dans les radiotélescopes. Les expériences qui ont détecté pour la première fois le rayonnement de fond cosmologique à micro-ondes ont utilisé un amplificateur maser. Ce rayonnement a été attribué à l’origine du Big Bang de l’univers.

Terminologie

Comme indiqué ci-dessus, maser a été initialement proposé comme acronyme de « microwave amplification by stimulated emission of radiation » pour décrire les dispositifs émis dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique. Le principe de l’émission stimulée a depuis été étendu à davantage de dispositifs et de fréquences, et Charles H. Townes a donc suggéré de modifier l’acronyme original en « amplification moléculaire par émission stimulée de rayonnement. »

Lorsque le laser a été développé, Townes, Arthur Schawlow et leurs collègues des Bell Labs ont poussé l’utilisation du terme maser optique, mais cela a été largement abandonné au profit du laser, inventé par leur rival Gordon Gould. Dans l’utilisation moderne, les dispositifs qui émettent dans les rayons X à travers des parties infrarouges du spectre sont généralement appelés lasers, et les dispositifs qui émettent dans la région des micro-ondes et au-dessous sont communément appelés masers.

À l’origine, Gould a proposé des noms distincts pour les dispositifs qui émettent dans chaque partie du spectre, y compris les grasers (lasers à rayons gamma), les xasers (lasers à rayons X), les uvasers (lasers ultraviolets), les lasers (lasers visibles), les irasers (lasers infrarouges), les masers (masers à micro-ondes) et les rasers (masers à radiofréquences). La plupart de ces termes, à l’exception de maser et de laser, n’ont jamais été utilisés et sont devenus obsolètes, en dehors de leur utilisation dans la science-fiction.

Histoire

Aux États-Unis, la première conférence publique sur les principes sous-jacents à la maser a été donnée par Joseph Weber lors de la conférence de juin 1952 de l’Institute of Radio Engineers. À la même époque, Nikolay Basov et Alexander Prokhorov de l’Institut de physique Lebedev ont décrit la base théorique du maser lors d’une Conférence de toute l’Union sur la Radio-spectroscopie organisée par l’Académie des sciences de l’URSS en mai 1952. Ils ont ensuite publié leurs résultats en octobre 1954.

Indépendamment, Charles H. Townes, J. P. Gordon et H. J. Zeiger ont construit la première maser à l’Université Columbia en 1953. Le dispositif a utilisé une émission stimulée dans un flux de molécules d’ammoniac sous tension pour produire une amplification des micro-ondes à une fréquence de 24 gigahertz. Townes a ensuite travaillé avec Arthur L. Schawlow pour décrire le principe du maser optique, ou laser, qui a été développé et démontré par Theodore H. Maiman en 1960. Pour leurs recherches dans ce domaine, Townes, Basov et Prokhorov ont reçu le prix Nobel de physique en 1964. Depuis 1965, les astronomes ont découvert des sources naturelles de masers dans l’espace.

Principes généraux de fonctionnement

Lorsque des atomes ou des molécules d’une substance appropriée (appelée milieu) sont bombardés de photons d’une fréquence particulière, ils entrent dans un état d’énergie « excitée » (supérieure) et émettent des photons de la même fréquence. En ce sens, le maser implique une « émission stimulée » de rayonnement. En plaçant le milieu amplificateur dans une cavité résonante (ou résonateur à cavité), une rétroaction est créée qui peut produire un rayonnement cohérent. » On dit que les ondes électromagnétiques sont cohérentes lorsqu’elles se propagent à la même fréquence dans la même phase, et qu’elles se déplacent dans la même direction. En revanche, les ondes électromagnétiques de la plupart des autres sources ont une gamme de fréquences différentes, elles sont dans des phases différentes (les unes par rapport aux autres) et se propagent dans pratiquement toutes les directions.

Les ondes radio émises par un maser ont presque la même fréquence et leur transmission sur de longues distances est très efficace. Dans le premier maser à être développé, le milieu dans la cavité résonnante était du gaz ammoniac. Dans ce cas, les molécules d’ammoniac oscillaient à une fréquence particulière entre deux états d’énergie. Plus récemment, un maser rubis a été développé, dans lequel un cristal rubis est placé dans la cavité résonnante. Le maser à double gaz noble est un exemple de milieu apolaire dans un maser.

Types de masers

Certains types courants de masers sont notés ci-dessous. Les noms indiquent le milieu présent dans la cavité résonnante.

Masers à faisceau atomique

• Maser à ammoniac
• Maser à hydrogène

Masers à gaz

• Maser au rubidium

Masers à semi-conducteurs

• Maser à rubis.

Maser à hydrogène

Un maser à hydrogène.

Aujourd’hui, le type de maser le plus important est le maser à hydrogène, qui fournit un signal oscillant net et constant. Il est basé sur des transitions dans l’hydrogène atomique qui se produisent à une fréquence de 1421 mégahertz. Ce maser est utilisé comme étalon de fréquence atomique. Avec d’autres types d’horloges atomiques, elles constituent le « Temps Atomique International » ou TAI. Il s’agit de l’échelle de temps internationale, qui est coordonnée par le Bureau International des Poids et Mesures, ou BIPM.

C’est Norman Ramsey et ses collègues qui ont d’abord réalisé cet appareil. Les masers d’aujourd’hui sont identiques au design d’origine. L’oscillation maser repose sur une émission stimulée entre deux niveaux hyperfins d’hydrogène atomique.

Comment cela fonctionne

Voici une brève description du fonctionnement d’un maser à hydrogène.

• Tout d’abord, un faisceau d’hydrogène atomique est produit en exposant de l’hydrogène gazeux à basse pression à une décharge radiofréquence. (Voir l’encadré en bas du diagramme à droite.)

• L’étape suivante est appelée  » sélection d’état. »Pour obtenir une émission stimulée, il est nécessaire de créer une inversion de population des atomes — c’est-à-dire que la plupart des atomes doivent être dans l’état d’énergie excitée (plutôt que dans un état d’énergie inférieure). Cela se fait d’une manière similaire à la célèbre expérience Stern-Gerlach. Après avoir traversé une ouverture et un champ magnétique, de nombreux atomes du faisceau sont laissés dans le niveau d’énergie supérieur de la transition laser. À partir de cet état, les atomes peuvent se désintégrer à l’état d’énergie inférieure et émettre un rayonnement micro-ondes.

• Une cavité micro-ondes à facteur de haute qualité confine les micro-ondes et les réinjecte à plusieurs reprises dans le faisceau d’atomes. L’émission stimulée amplifie les micro-ondes à chaque passage du faisceau. Cette combinaison d’amplification et de rétroaction définit tous les oscillateurs. La fréquence de résonance de la cavité hyperfine est de 1420 405 751,768 Hz, ce qui est exactement accordé à la structure hyperfine de l’hydrogène.

• Une petite fraction du signal dans la cavité hyperfréquence est couplée à un câble coaxial et envoyée à un récepteur cohérent.

• Le signal hyperfréquence sortant du maser est très faible en puissance (quelques picowatts (pW)). La fréquence du signal est fixe mais extrêmement stable. Le récepteur cohérent est utilisé pour amplifier le signal et changer la fréquence. Cela se fait à l’aide d’une série de boucles à verrouillage de phase et d’un oscillateur à quartz haute performance.

Masers astrophysiques

L’émission stimulée de micro-ondes et d’ondes radio est observée en astronomie, et cela est généralement appelé « masing », même en l’absence du retour de résonance qui serait nécessaire pour un vrai maser. Techniquement, cette forme d’émission stimulée est appelée émission superradiante, et elle est étroitement associée au laser et au masing. Une telle émission est observée à partir de molécules telles que l’eau (H2O), les radicaux hydroxyles (OH), le méthanol (CH3OH), le formaldéhyde (CH2O) et le monoxyde de silicium (SiO).

L’émission stimulée de type Maser se produit également dans la nature dans l’espace interstellaire. Les molécules d’eau dans les régions de formation d’étoiles peuvent subir une inversion de population et émettre un rayonnement à 22 GHz, créant la raie spectrale la plus brillante de l’univers radio. Certains masers à eau émettent également un rayonnement à partir d’un mode vibratoire à 96 GHz.

Voir aussi

• Ammoniac
• Spectre électromagnétique
• Hydrogène
• Laser
• Lumière
• Micro-ondes
• Optique

Notes

• Keating, Michael P. 2002. Optique Géométrique, Physique et Visuelle. Il s’agit de la première édition de la série. Numéro ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Maser. Il est mort le.
• Taylor, Nick. 2000. LASER: L’inventeur, le lauréat du prix Nobel et la guerre des brevets de trente ans. Il s’agit de la première version de la série. Numéro ISBN 0684835150.
• Vanier, J., et C. Audoin. 1989. La Physique Quantique des Étalons de Fréquence Atomique. Philadelphie : A. Hilger. Numéro ISBN 9780852744338.