wodorowe wyładowanie radiowe, pierwszy element wewnątrz Masera wodorowego.

maser jest urządzeniem, które wytwarza lub wzmacnia bardzo intensywną, spójną wiązkę fal elektromagnetycznych, szczególnie w obszarze mikrofalowym. Historycznie Termin pochodzi od akronimu ” Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.”Nowoczesne masery emitują jednak znaczną część widma elektromagnetycznego. Charles H. Townes, który kierował zespołem, który opracował i zbudował pierwszy maser, zaproponował więc zastąpienie „microwave „słowem” molecular ” w akronimie. Kiedy opracowano masery do pracy w regionie optycznym, początkowo nazywano je maserami optycznymi, ale bardziej powszechne stało się określanie ich jako laserów, gdzie „l” oznacza „światło”.”

Masery wytwarzają niezwykle ostre promieniowanie o niskim poziomie szumów wewnętrznych i służą jako precyzyjne odniesienia częstotliwości. W szczególności Maser wodorowy jest „atomowym standardem częstotliwości” i jest użyteczny jako jedna z form zegara atomowego. Ze względu na wysoką czułość masery są również wykorzystywane jako detektory i wzmacniacze elektroniczne w radioteleskopach. Eksperymenty, które po raz pierwszy wykryły kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, wykorzystywały wzmacniacz Masera. Promieniowanie to zostało przypisane do pochodzenia Wielkiego Wybuchu wszechświata.

Terminologia

jak wspomniano powyżej, maser został początkowo zasugerowany jako akronim „microwave amplification by stimulated emission of radiation”, aby opisać urządzenia emitujące w mikrofalowym obszarze widma elektromagnetycznego. Zasada stymulacji emisji została rozszerzona na więcej urządzeń i częstotliwości, więc Charles H. Townes zasugerował modyfikację oryginalnego akronimu do ” molecular amplification by stimulated emission of radiation.”

Kiedy laser został opracowany, Townes, Arthur Schawlow i ich koledzy z Bell Labs naciskali na użycie terminu Maser optyczny, ale w dużej mierze zrezygnowano z tego na rzecz lasera, wymyślonego przez ich rywala Gordona Goulda. We współczesnym użyciu urządzenia emitujące promieniowanie rentgenowskie przez części widma podczerwonego są zwykle nazywane laserami, a urządzenia emitujące w obszarze mikrofalowym i poniżej są powszechnie nazywane maserami.

Gould pierwotnie zaproponował różne nazwy urządzeń emitujących w każdej części widma, w tym grasery (lasery gamma), xasery (lasery rentgenowskie), uvasery (lasery ultrafioletowe), lasery (lasery widzialne), irasery (lasery podczerwone), masery (masery mikrofalowe) i rasery (masery częstotliwości radiowych). Większość z tych terminów, z wyjątkiem Masera i lasera, nigdy się nie przyjęła i stała się przestarzała, poza ich użyciem w science fiction.

Historia

w Stanach Zjednoczonych najwcześniejszy publiczny wykład na temat zasad leżących u podstaw Masera wygłosił Joseph Weber na konferencji Instytutu Inżynierów radiowych w czerwcu 1952 roku. Mniej więcej w tym samym czasie Nikolay Basov i Alexander Prochorow z Instytutu Fizyki Lebiediewa opisali teoretyczne podstawy Masera na konferencji Wszechzwiązkowej poświęconej spektroskopii radiowej zorganizowanej przez Akademię Nauk ZSRR w maju 1952 roku. Następnie opublikowali swoje wyniki w październiku 1954 roku.

niezależnie Charles H. Townes, J. P. Gordon i H. J. Zeiger zbudowali pierwszy maser na Uniwersytecie Columbia w 1953 roku. Urządzenie wykorzystywało stymulowaną emisję w strumieniu naładowanych cząsteczek amoniaku do produkcji wzmocnienia mikrofal z częstotliwością 24 gigaherców. Townes pracował później z Arthurem L. Schawlowem, aby opisać zasadę optycznego Masera lub lasera, który został po raz pierwszy opracowany i zademonstrowany przez Theodore ’ a H. Maimana w 1960 roku. Za swoje badania w tej dziedzinie Townes, Basow i Prochorow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1964 roku. Od 1965 roku astronomowie odkrywali naturalne źródła maserów w kosmosie.

ogólne zasady działania

gdy atomy lub cząsteczki odpowiedniej substancji (zwanej medium) są bombardowane fotonami o określonej częstotliwości, przechodzą w „wzbudzony” (wyższy) stan energetyczny i emitują fotony o tej samej częstotliwości. W tym sensie maser wiąże się z” stymulowaną emisją ” promieniowania. Poprzez umieszczenie ośrodka wzmacniającego w rezonansowej wnęce (lub rezonatorze wnękowym) powstaje sprzężenie zwrotne, które może wytwarzać promieniowanie „koherentne.”Mówi się, że fale elektromagnetyczne są spójne, gdy są propagowane z tą samą częstotliwością w tej samej fazie i poruszają się w tym samym kierunku. Natomiast fale elektromagnetyczne z większości innych źródeł mają zakres różnych częstotliwości, są w różnych fazach (względem siebie) i są propagowane praktycznie we wszystkich kierunkach.

fale radiowe emitowane przez maser mają prawie taką samą częstotliwość, a ich transmisja na duże odległości jest wysoce wydajna. W pierwszym maserze, który został opracowany, medium w jamie rezonansowej był Gaz amoniakalny. W tym przypadku cząsteczki amoniaku oscylowały z określoną częstotliwością między dwoma stanami energetycznymi. Ostatnio opracowano rubinowy maser, w którym kryształ rubinowy jest umieszczony w wnęce rezonansowej. Podwójny maser z gazem szlachetnym jest przykładem niepolarnego medium w maserze.

rodzaje maserów

niektóre popularne typy maserów są wymienione poniżej. Nazwy wskazują na medium obecne w jamie rezonansowej.

masery atomowe

• Masery amoniakalne
• Masery wodorowe

Masery gazowe

• Masery Rubidowe

Masery półprzewodnikowe

• Masery rubinowe.

Maser wodorowy

Maser wodorowy.

obecnie najważniejszym typem Masera jest Maser wodorowy, który zapewnia ostry i stały sygnał oscylacyjny. Opiera się na przejściach w wodorze atomowym, które występują z częstotliwością 1421 megaherców. Maser ten jest używany jako standard częstotliwości atomowej. Wraz z innymi typami zegarów atomowych tworzą one „Temps atomique International” lub TAI. Jest to międzynarodowa skala czasu, koordynowana przez Bureau International des poids et Mesures (BIPM).

to Norman Ramsey i jego koledzy po raz pierwszy zrozumieli to urządzenie. Dzisiejsze masery są identyczne z oryginalnym projektem. Oscylacja Masera polega na stymulacji emisji pomiędzy dwoma hiperfinalnymi poziomami atomowego wodoru.

Jak to działa

poniżej znajduje się Krótki opis działania Masera wodorowego.

• po pierwsze, wiązka atomowego wodoru jest wytwarzana przez wystawienie gazu wodorowego pod niskim ciśnieniem na wyładowanie o częstotliwości radiowej. (Patrz ramka na dole diagramu po prawej stronie.)

• następny krok jest znany jako „wybór stanu.”Aby uzyskać stymulowaną emisję, konieczne jest stworzenie inwersji populacji atomów—to znaczy, że większość atomów musi znajdować się w stanie wzbudzonej energii (a nie w stanie niższej energii). Odbywa się to w sposób podobny do słynnego eksperymentu Sterna-Gerlacha. Po przejściu przez otwór i pole magnetyczne wiele atomów w wiązce pozostaje w górnym poziomie energetycznym przejścia lasing. Z tego stanu atomy mogą rozpadać się do stanu o niższej energii i emitować promieniowanie mikrofalowe.

• Wnęka mikrofalowa o wysokiej jakości ogranicza mikrofale i ponownie wprowadza je do wiązki atomu. Stymulowana emisja wzmacnia mikrofale na każdym przejściu przez wiązkę. Ta kombinacja wzmocnienia i sprzężenia zwrotnego definiuje wszystkie oscylatory. Częstotliwość rezonansowa wnęki mikrofalowej wynosi 1420 405 751,768 Hz, co jest dokładnie dostrojone do hiperfinowej struktury wodoru.

• niewielka część sygnału we wnęce mikrofalowej jest sprzężona z kablem koncentrycznym i wysyłana do spójnego odbiornika.

• sygnał mikrofalowy wychodzący z Masera ma bardzo słabą moc (kilka pikowatów (pW)). Częstotliwość sygnału jest stała, ale niezwykle stabilna. Odbiornik koherentny służy do wzmocnienia sygnału i zmiany częstotliwości. Odbywa się to za pomocą serii pętli z blokadą fazową i wysokowydajnego oscylatora kwarcowego.

masery Astrofizyczne

stymulowana emisja fal mikrofalowych i radiowych jest obserwowana w astronomii i zwykle nazywa się to „masowaniem”, nawet w przypadku braku rezonansowego sprzężenia zwrotnego, które byłoby wymagane dla prawdziwego Masera. Technicznie rzecz biorąc, ta forma emisji stymulowanej nazywana jest emisją superradiantów i jest ściśle związana z lasingiem i masingiem. Taka emisja jest obserwowana z cząsteczek takich jak woda (H2O), rodniki hydroksylowe (OH), metanol (CH3OH), formaldehyd (CH2O) i tlenek krzemu (SiO).

stymulowana emisja Maserów występuje również w przyrodzie w przestrzeni międzygwiezdnej. Cząsteczki wody w regionach gwiazdotwórczych mogą ulegać inwersji populacji i emitować promieniowanie o częstotliwości 22 GHz, tworząc najjaśniejszą linię spektralną we wszechświecie radiowym. Niektóre masery wodne emitują również promieniowanie z trybu wibracyjnego o częstotliwości 96 GHz.

Zobacz też

• amoniak
• spektrum elektromagnetyczne
• Wodór
• Laser
• światło
• Mikrofalówka
• Optyka

uwagi

• Keating, Michael P. 2002. Optyka geometryczna, fizyczna i wizualna. Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Masery. Wiley
• Taylor, Nick. 2000. LASER: wynalazca, laureat Nagrody Nobla i trzydziestoletnia wojna patentowa. Simon & ISBN 0684835150.
• Vanier, J., and C. Audoin. 1989. Fizyka kwantowa atomowych standardów częstotliwości. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.