水素無線周波数放電、水素メーザー内の最初の要素。

メーザーは、特にマイクロ波領域で、非常に強い、コヒーレントな電磁波のビームを生成または増幅するデバイスです。 歴史的に、用語は頭字語から来た”放射線の誘導放出によるマイクロ波増幅。”現代のメーザーは、しかし、電磁スペクトルの広い部分にわたって放出する。 チャールズ-H- したがって、最初のmaserを開発して構築したチームを率いたTownesは、頭字語の「マイクロ波」を「分子」に置き換えることを提案しました。 メーザーが光学領域で動作するように開発されたとき、彼らは最初に光学メーザーと呼ばれていましたが、”l”は”光”を表すレーザーとしてそれらを参照することがより一般的になってきました。”

メーザーは、低内部ノイズで非常に鋭い放射を生成し、高精度の周波数基準として機能します。 水素メーザーは、特に、「原子周波数標準」であり、原子時計の一形態として有用である。 その高感度を考えると、メーザーは電波望遠鏡の検出器や電子増幅器としても使用されています。 宇宙マイクロ波背景放射を最初に検出した実験では、メーザーアンプを採用しました。 この放射線は、宇宙のビッグバンの起源に起因しています。

用語

上記のように、maserは当初、電磁スペクトルのマイクロ波領域で放出されるデバイスを記述するために、”放射線の誘導放出によるマイクロ波増幅”の頭字語として提案された。 誘導放出の原理はその後、より多くのデバイスと周波数に拡張されているため、Charles H.Townesは元の頭字語を「molecular amplification by stimulated emission of radiation」に変更することを提案しました。”

レーザーが開発されたとき、Townes、Arthur Schawlow、およびBell Labsの同僚はoptical maserという用語の使用を押しましたが、これはライバルのGordon Gouldによって造語されたレーザーに賛成して大部分が放棄されました。 現代の使用では、スペクトルの赤外線部分を介してX線で放出するデバイスは、典型的にはレーザーと呼ばれ、マイクロ波領域以下で放出するデバイスは、一般的にメーザーと呼ばれています。

グールドは当初、グラーザー（ガンマ線レーザー）、xasers（x線レーザー）、uvasers（紫外線レーザー）、レーザー（可視レーザー）、irasers（赤外線レーザー）、masers（マイクロ波masers）、rasers（無線周波数masers）など、スペクトルの各部分で放出されるデバイスのための別個の名前を提案した。 これらの用語のほとんどは、maserとlaserを除いて、sfでの使用を除いて、決してキャッチされず、時代遅れになっています。

History

米国では、maserの基礎となる原則に関する最初の公開講義は、1952年6月の無線技術者協会会議でJoseph Weberによって行われました。 同じ頃、レベデフ物理学研究所のニコライ・バソフとアレクサンダー・プロホロフは、1952年5月にソ連科学アカデミーが開催した電波分光に関する全連合会議で、メーザーの理論的基礎を説明した。 その後、1954年10月にその結果を発表した。

独立して、Charles H.Townes、J.P.Gordon、H.J.Zeigerは1953年にコロンビア大学で最初のメーザーを建設しました。 この装置は、24ギガヘルツの周波数でマイクロ波の増幅を生成するために、励起されたアンモニア分子の流れの中で誘導放出を使用した。 Townesは後にArthur L.Schawlowと協力して、1960年にTheodore H.Maimanによって最初に開発され、実証された光学メーザー、またはレーザーの原理を説明しました。 この分野での彼らの研究のために、タウンズ、バソフ、プロホロフは1964年にノーベル物理学賞を受賞しました。 1965年以来、天文学者は宇宙でメーザーの自然源を発見しました。

操作の一般原則

適切な物質（媒体と呼ばれる）の原子または分子に特定の周波数の光子が衝撃されると、それらは”励起された”（より高い）エネル この意味で、maserは放射線の「誘導放出」を含む。 増幅媒体を共振空洞（または空洞共振器）に入れることによって、「コヒーレント」である放射を生成することができるフィードバックが生成される。「電磁波は、同じ周波数で同じ位相で伝搬され、同じ方向に移動するとコヒーレントであると言われています。 対照的に、他のほとんどの源からの電磁波は、異なる周波数の範囲を有し、それらは（互いに相対的に）異なる位相にあり、実質的にすべての方向に伝播

メーザーによって放出される電波はほぼ同じ周波数を持ち、長距離での送信は非常に効率的です。 開発された最初のメーザーでは、共鳴空洞内の媒体はアンモニアガスであった。 この場合，アンモニア分子は二つのエネルギー状態の間で特定の周波数で振動した。 最近では、ルビー結晶が共振空洞内に配置されたルビーメーザーが開発されている。 二重希ガスメーザーは、メーザー中の非極性媒体の一例である。

メイザーの種類

メイザーのいくつかの一般的なタイプを以下に示します。 名前は、共振空洞内に存在する媒体を示す。

原子ビームメーザー

• アンモニアメーザー
• 水素メーザー

ガスメーザー

• ルビジウムメーザー

固体メーザー

• ルビメーザー。

水素メーザー

水素メーザー。

今日、最も重要なタイプのメーザーは、シャープで一定の振動信号を提供する水素メーザーです。 これは、1421メガヘルツの周波数で発生する原子水素の遷移に基づいています。 このメーザーは原子周波数標準として使用されます。 他のタイプの原子時計と一緒に、それらは”Temps Atomique International”またはTAIを構成します。 これは国際時間スケールであり、Bureau International des Poids et Mesures、またはBIPMによって調整されています。

このデバイスを最初に実現したのはNorman Ramseyと彼の同僚でした。 今日のメーザーは元の設計と同一である。 メーザー振動は水素原子の二つの超微細準位の間の誘導放出に依存している。

それがどのように動作するか

以下は、水素メーザーがどのように動作するかの簡単な説明です。まず、低圧の水素ガスを高周波放電に曝すことによって、原子状水素のビームを生成する。 （右の図の下のボックスを参照してください。)

• 次のステップは、”状態選択”として知られています。「誘導放出を得るためには、原子の集団反転を作成する必要があります—つまり、ほとんどの原子は（より低いエネルギー状態ではなく）励起エネルギー状態に これは有名なStern-Gerlach実験と同様の方法で行われます。 開口と磁場を通過した後、ビーム中の原子の多くはレーザ発振遷移の上部エネルギー準位に残っています。 この状態から、原子はより低いエネルギー状態に崩壊し、いくらかのマイクロ波放射を放出することができる。

• 高品質の要因マイクロ波空洞は、マイクロ波を閉じ込めると原子ビームに繰り返し再注入します。 誘導放出はビームを通る各パスのマイクロ波を増幅する。 増幅とフィードバックのこの組み合わせは、すべてのオシレータを定義します。 マイクロ波空洞の共振周波数は1420 405 751.768Hzであり、これは水素の超微細構造に正確に調整されています。

• マイクロ波空洞内の信号のごく一部が同軸ケーブルに結合され、コヒーレント受信機に送信されます。

• メーザーから出てくるマイクロ波信号は非常に弱い電力（数ピコワット（pW））です。 信号の周波数は固定されていますが、非常に安定しています。 コヒーレント受信機は、信号を増幅し、周波数を変更するために使用されます。 これは、一連の位相ロックループと高性能水晶発振器を使用して行われます。

天体物理学的メーザー

刺激されたマイクロ波と電波の放出が天文学で観測されており、これは通常、真のメーザーに必要な共鳴フィードバックがない場合でも、”メーザー”と呼ばれている。 技術的には、この形態の誘導放出は超放射放出と呼ばれ、レーザ発振およびメイシングと密接に関連している。 このような発光は、水（H2O）、ヒドロキシルラジカル（OH）、メタノール（CH3OH）、ホルムアルデヒド（CH2O）、および一酸化ケイ素（SiO）などの分子から観察される。

メーザー様誘導放出は、星間空間でも自然界で発生します。 星形成領域の水分子は、人口反転を受け、22GHzで放射を放出し、電波宇宙で最も明るいスペクトル線を作り出すことができます。 いくつかの水メーザーはまた、96GHzの振動モードからの放射を放出する。

も参照してください

• アンモニア
• 電磁スペクトル
• 水素
• レーザー
• 光
• マイクロ波
• 光学

ノート

• キーティング、マイケルP.2002。 幾何学的、物理的、および視覚光学。 ボストン：バターワース-ハイネマン。 ISBN0750672625.
• 歌手、J.R.1959。 メイサーズ ニューヨーク：ワイリー。
• 2000. レーザー：発明者、ノーベル賞受賞者、および三十年の特許戦争。 ニューヨーク：サイモン&シュスター。 ISBN0684835150.
• Vanier,J.,およびC.Audoin. 1989. 原子周波数標準の量子物理学。 フィラデルフィア：A.Hilger。 ISBN9780852744338.

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