o descărcare de frecvență radio de hidrogen, primul element din interiorul unui maser de hidrogen.

un maser este un dispozitiv care produce sau amplifică un fascicul foarte intens și coerent de unde electromagnetice, în special în regiunea microundelor. Din punct de vedere istoric, termenul provine din acronimul „amplificarea cu microunde prin emisia stimulată de radiații.”Maserii moderni, cu toate acestea, emit pe o porțiune largă a spectrului electromagnetic. Charles H. Townes, care a condus echipa care a dezvoltat și a construit primul maser, a sugerat, prin urmare, înlocuirea „microundelor” cu „molecular” în acronim. Când maserii au fost dezvoltați pentru a funcționa în regiunea optică, au fost inițial numiți maseri optici, dar a devenit mai frecvent să se refere la ei ca lasere, unde „l” înseamnă „lumină”.”

maserii produc radiații extrem de ascuțite cu zgomot intern redus și servesc drept referințe de frecvență de înaltă precizie. Maserul de hidrogen, în special, este un „standard de frecvență atomică” și este util ca o formă de ceas atomic. Având în vedere sensibilitatea lor ridicată, maserii sunt folosiți și ca detectoare și amplificatoare electronice în radiotelescoape. Experimentele care au detectat mai întâi radiația cosmică de fond cu microunde au folosit un amplificator maser. Această radiație a fost atribuită originii Big Bang a universului.

terminologie

după cum sa menționat mai sus, maser a fost inițial sugerat ca un acronim pentru „amplificarea cu microunde prin emisie stimulată de radiații”, pentru a descrie dispozitivele emise în regiunea cu microunde a spectrului electromagnetic. Principiul emisiei stimulate a fost extins de atunci la mai multe dispozitive și frecvențe, așa că Charles H. Townes a sugerat modificarea acronimului original la „amplificare moleculară prin emisie stimulată de radiații.”

când laserul a fost dezvoltat, Townes, Arthur Schawlow și colegii lor de la Bell Labs au împins utilizarea termenului maser optic, dar acest lucru a fost în mare parte abandonat în favoarea laserului, inventat de rivalul lor Gordon Gould. În utilizarea modernă, dispozitivele care emit în raze X prin porțiuni infraroșii ale spectrului sunt de obicei numite lasere, iar dispozitivele care emit în regiunea cu microunde și mai jos sunt denumite în mod obișnuit maseri.Gould a propus inițial nume distincte pentru dispozitivele care emit în fiecare porțiune a spectrului, inclusiv grasere (lasere cu raze gamma), xasere (lasere cu raze X), uvasere (lasere ultraviolete), lasere (lasere vizibile), irasere (lasere cu infraroșu), masere (masere cu microunde) și rasere (masere cu frecvență radio). Majoritatea acestor termeni, cu excepția maser și laser, nu au prins niciodată și au devenit caduce, în afară de utilizarea lor în Science fiction.

Istorie

în Statele Unite, cea mai veche prelegere publică despre principiile care stau la baza maser a fost susținută de Joseph Weber la conferința din iunie 1952 a Institutului inginerilor Radio. Cam în același timp, Nikolay Basov și Alexander Prokhorov de la Institutul de Fizică Lebedev au descris baza teoretică pentru maser la o conferință All-Union privind Radio-spectroscopia organizată de Academia de științe a URSS în mai 1952. Ulterior și-au publicat rezultatele în Octombrie 1954.în mod independent, Charles H. Townes, J. P. Gordon și H. J. Zeiger au construit primul maser la Universitatea Columbia în 1953. Dispozitivul a folosit emisia stimulată într-un flux de molecule de amoniac energizate pentru a produce amplificarea microundelor la o frecvență de 24 gigahertzi. Townes a lucrat mai târziu cu Arthur L. Schawlow pentru a descrie principiul maser optic, sau laser, care a fost dezvoltat și demonstrat pentru prima dată de Theodore H. Maiman în 1960. Pentru cercetările lor în acest domeniu, Townes, Basov și Prokhorov au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1964. Din 1965, astronomii au descoperit surse naturale de maseri în spațiu.

principii generale de funcționare

când atomii sau moleculele unei substanțe adecvate (numite mediu) sunt bombardate cu fotoni de o anumită frecvență, ei intră într-o stare de energie „excitată” (mai mare) și emit fotoni de aceeași frecvență. În acest sens, maser implică „emisie stimulată” de radiații. Prin punerea mediului de amplificare într-o cavitate rezonantă (sau rezonator de cavitate), se creează feedback care poate produce radiații care sunt „coerente.”Se spune că undele electromagnetice sunt coerente atunci când sunt propagate la aceeași frecvență în aceeași fază și se mișcă în aceeași direcție. În schimb, undele electromagnetice din majoritatea celorlalte surse au o gamă de frecvențe diferite, sunt în faze diferite (una față de cealaltă) și sunt propagate practic în toate direcțiile.

undele Radio emise de un maser au aproape aceeași frecvență și transmisia lor pe distanțe lungi este extrem de eficientă. În primul maser care a fost dezvoltat, mediul din cavitatea rezonantă a fost gazul de amoniac. În acest caz, moleculele de amoniac au oscilat la o anumită frecvență între două stări de energie. Mai recent, a fost dezvoltat un rubin maser, în care un cristal de rubin este plasat în cavitatea rezonantă. Maserul Dual cu gaz nobil este un exemplu de mediu nepolar într-un maser.

tipuri de maseri

unele tipuri comune de maseri sunt notate mai jos. Numele indică mediul prezent în cavitatea rezonantă.

Masere cu fascicul Atomic

• maser cu amoniac
• maser cu hidrogen

maser cu gaz

• maser cu rubidiu

maser cu stare solidă

• Rubin maser.

hidrogen maser

un hidrogen maser.

astăzi, cel mai important tip de maser este maserul cu hidrogen, care oferă un semnal oscilant ascuțit și constant. Se bazează pe tranziții în hidrogenul atomic care apar la o frecvență de 1421 megahertzi. Acest maser este folosit ca standard de frecvență atomică. Împreună cu alte tipuri de ceasuri atomice, ele constituie „Temps Atomique International” sau TAI. Aceasta este scara de timp Internațională, care este coordonată de Bureau International des Poids et Mesures sau BIPM.Norman Ramsey și colegii săi au fost primii care au realizat acest dispozitiv. Maserii de astăzi sunt identici cu designul original. Oscilația maser se bazează pe emisia stimulată între două niveluri hiperfine de hidrogen atomic.

cum funcționează

următoarea este o scurtă descriere a modului în care funcționează un maser de hidrogen.

• În primul rând, un fascicul de hidrogen atomic este produs prin expunerea hidrogenului gazos la presiune scăzută la o descărcare de frecvență radio. (A se vedea caseta din partea de jos a diagramei din dreapta.)

• următorul pas este cunoscut sub numele de „selecție de stat.”Pentru a obține o emisie stimulată, este necesar să se creeze o inversare a populației atomilor—adică majoritatea atomilor trebuie să fie în starea de energie excitată (mai degrabă decât într-o stare de energie mai mică). Acest lucru se face într-un mod similar cu celebrul experiment Stern-Gerlach. După trecerea printr-o deschidere și un câmp magnetic, mulți dintre atomii din fascicul sunt lăsați în nivelul superior de energie al tranziției lasing. Din această stare, atomii se pot descompune la starea de energie mai mică și pot emite radiații cu microunde.

• o cavitate cu microunde cu factor de înaltă calitate limitează microundele și le reinjectează în mod repetat în fasciculul Atomic. Emisia stimulată amplifică microundele la fiecare trecere prin fascicul. Această combinație de amplificare și feedback definește toate oscilatoarele. Frecvența rezonantă a cavității cu microunde este de 1420 405 751.768 Hz, care este reglată Exact la structura hiperfină a hidrogenului.

• o mică parte din semnalul din cavitatea cu microunde este cuplat într-un cablu coaxial și trimis la un receptor coerent.

• semnalul cu microunde care iese din maser este foarte slab la putere (câțiva picowați (pW)). Frecvența semnalului este fixă, dar extrem de stabilă. Receptorul coerent este utilizat pentru a amplifica semnalul și a schimba frecvența. Acest lucru se face folosind o serie de bucle blocate în fază și un oscilator de cuarț de înaltă performanță.

maserii astrofizici

emisiile stimulate de microunde și unde radio sunt observate în astronomie, iar acest lucru se numește de obicei „masing”, chiar și în absența feedback-ului rezonant care ar fi necesar pentru un maser adevărat. Din punct de vedere tehnic, această formă de emisie stimulată se numește emisie superradiantă și este strâns asociată cu lasing și masing. O astfel de emisie este observată din molecule precum apa (H2O), radicalii hidroxil (OH), metanolul (CH3OH), formaldehida (CH2O) și monoxidul de siliciu (SiO).

emisia stimulată de Maser apare și în natură în spațiul interstelar. Moleculele de apă din regiunile care formează stele pot suferi o inversiune a populației și pot emite radiații la 22 GHz, creând cea mai strălucitoare linie spectrală din universul radio. Unii maseri de apă emit, de asemenea, radiații dintr-un mod vibrațional la 96 GHz.

A se vedea, de asemenea,

• amoniac
• spectru Electromagnetic
• hidrogen
• Laser
• lumină
• microunde
• optică

Note

• Keating, Michael P. 2002. Optică geometrică, fizică și vizuală. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.Singer, J. R. 1959. Maseri. New York: Wiley.Taylor, Nick. 2000. LASER: inventatorul, laureatul Nobel și războiul de brevete de treizeci de ani. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J. și C. Audoin. 1989. Fizica cuantică a standardelor de frecvență atomică. Filadelfia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.