en väteradiofrekvensutladdning, det första elementet inuti en vätgasmaser.

en maser är en anordning som producerar eller förstärker en mycket intensiv, sammanhängande stråle av elektromagnetiska vågor, särskilt i mikrovågsområdet. Historiskt kom termen från akronymen ”Mikrovågsförstärkning genom stimulerad Emission av strålning.”Moderna masers avger emellertid över en bred del av det elektromagnetiska spektrumet. Charles H. Townes, som ledde laget som utvecklade och byggde den första maser, föreslog därför att ”mikrovågsugn” skulle ersättas med ”molekylär” i förkortningen. När masers utvecklades för att fungera i den optiska regionen kallades de ursprungligen optiska masers, men det har blivit vanligare att hänvisa till dem som lasrar, där ”l” står för ”ljus.”

Masers producerar extremt skarp strålning med lågt internt brus, och de fungerar som hög precisionsfrekvensreferenser. Vätgas maser är i synnerhet en” atomfrekvensstandard ” och är användbar som en form av atomur. Med tanke på deras höga känslighet används masers också som detektorer och elektroniska förstärkare i radioteleskop. Experimenten som först upptäckte den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen använde en maserförstärkare. Denna strålning har tillskrivits universums Big Bang-ursprung.

terminologi

som nämnts ovan föreslogs maser ursprungligen som en akronym för ”mikrovågsförstärkning genom stimulerad emission av strålning” för att beskriva enheter som emitterades i mikrovågsområdet i det elektromagnetiska spektrumet. Principen om stimulerad emission har sedan utvidgats till fler enheter och frekvenser, och så Charles H. Townes föreslog att modifiera den ursprungliga akronymen till ”molekylär förstärkning genom stimulerad emission av strålning.”när lasern utvecklades drev Townes, Arthur Schawlow och deras kollegor på Bell Labs användningen av termen optisk maser, men detta övergavs till stor del till förmån för laser, myntad av deras rival Gordon Gould. I modern användning, enheter som avger i röntgen genom infraröda delar av spektrumet kallas vanligtvis Lasrar, och enheter som avger i mikrovågsområdet och nedan kallas vanligtvis masers.Gould föreslog ursprungligen distinkta namn för enheter som avger i varje del av spektrumet, inklusive grasers (gamma ray lasers), xasers (x-ray lasers), uvasers (ultravioletta lasrar), lasrar (synliga lasrar), irasers (infraröda lasrar), masers (microwave masers) och rasers (radio frequency masers). De flesta av dessa termer, förutom maser och laser, har aldrig fångats på och har blivit föråldrade, förutom deras användning i science fiction.

historia

i USA gavs den tidigaste offentliga föreläsningen om principerna bakom maser av Joseph Weber vid konferensen i juni 1952 Institute of Radio Engineers. Ungefär samma tid beskrev Nikolay Basov och Alexander Prokhorov från Lebedev Institute of Physics den teoretiska grunden för maser vid en All-Union-konferens om Radiospektroskopi som hölls av USSR Academy of Sciences i maj 1952. De publicerade därefter sina resultat i oktober 1954.oberoende, Charles H. Townes, J. P. Gordon och H. J. Zeiger byggde den första maser vid Columbia University 1953. Anordningen använde stimulerad emission i en ström av energiserade ammoniakmolekyler för att producera förstärkning av mikrovågor vid en frekvens av 24 gigahertz. Townes arbetade senare med Arthur L. Schawlow för att beskriva principen för optisk maser, eller laser, som först utvecklades och demonstrerades av Theodore H. Maiman 1960. För sin forskning inom detta område tilldelades Townes, Basov och Prokhorov Nobelpriset i fysik 1964. Sedan 1965 har astronomer upptäckt naturliga källor till masers i rymden.

allmänna principer för drift

när atomer eller molekyler av en lämplig substans (kallad ett medium) bombarderas med fotoner med en viss frekvens, går de in i ett ”upphetsat” (högre) energitillstånd och avger fotoner med samma frekvens. I denna mening innebär maser” stimulerad emission ” av strålning. Genom att sätta förstärkningsmediet i en resonanshålighet (eller kavitetsresonator) skapas återkoppling som kan producera strålning som är ”koherent.”Elektromagnetiska vågor sägs vara sammanhängande när de sprids med samma frekvens i samma fas och de rör sig i samma riktning. Däremot har elektromagnetiska vågor från de flesta andra källor en rad olika frekvenser, de är i olika faser (i förhållande till varandra) och de sprids i praktiskt taget alla riktningar.

radiovågor som emitteras av en maser har nästan samma frekvens och deras överföring över långa avstånd är mycket effektiv. I den första maser som utvecklades var mediet i resonanshålan ammoniakgas. I detta fall oscillerade ammoniakmolekylerna vid en viss frekvens mellan två energitillstånd. På senare tid har en rubinmaser utvecklats, där en rubinkristall placeras i resonanshålan. Den dubbla ädelgas maser är ett exempel på ett icke-polärt medium i en maser.

typer av masers

några vanliga typer av masers noteras nedan. Namnen anger mediet som finns i resonanshålan.

atomstråle masers

• ammoniak maser
• vätgas maser

Gas masers

• Rubidium maser

Solid State masers

• Ruby maser.

vätgas maser

en vätgas maser.

idag är den viktigaste typen av maser väte maser, som ger en skarp och konstant oscillerande signal. Den är baserad på övergångar i atomväte som uppträder vid en frekvens av 1421 megahertz. Denna maser används som en atomfrekvensstandard. Tillsammans med andra typer av atomklockor utgör de ”Temps Atomique International” eller TAI. Detta är den internationella tidsskalan, som samordnas av Bureau International des Poids et Mesures, eller BIPM.

det var Norman Ramsey och hans kollegor som först insåg den här enheten. Dagens masers är identiska med den ursprungliga designen. Maser-oscillationen är beroende av stimulerad emission mellan två hyperfinnivåer av atomväte.

hur det fungerar

Följande är en kort beskrivning av hur en vätgas maser fungerar.

• först produceras en stråle av atomväte genom att exponera vätgas vid lågt tryck till en radiofrekvensutladdning. (Se rutan längst ner i diagrammet till höger.)

• nästa steg kallas ” tillståndsval.”För att få lite stimulerad emission är det nödvändigt att skapa en populationsinversion av atomerna—det vill säga de flesta atomerna måste vara i det upphetsade energitillståndet (snarare än i ett lägre energitillstånd). Detta görs på ett sätt som liknar det berömda Stern-Gerlach-experimentet. Efter att ha passerat genom en öppning och ett magnetfält lämnas många av atomerna i strålen i den övre energinivån för laserövergången. Från detta tillstånd kan atomerna sönderfalla till det lägre energitillståndet och avge viss mikrovågsstrålning.

• en mikrovågshålighet av hög kvalitet begränsar mikrovågorna och återinsätter dem upprepade gånger i atomstrålen. Den stimulerade emissionen förstärker mikrovågorna på varje pass genom strålen. Denna kombination av förstärkning och återkoppling definierar alla oscillatorer. Resonansfrekvensen för mikrovågshålan är 1420 405 751.768 Hz, vilket är exakt inställt på hyperfinstrukturen hos väte.

• en liten del av signalen i mikrovågshålan kopplas till en koaxialkabel och skickas till en sammanhängande mottagare.

• mikrovågssignalen som kommer ut från Masern är mycket svag i kraft (några picowatt (pW)). Signalens frekvens är fast men extremt stabil. Den sammanhängande mottagaren används för att förstärka signalen och ändra frekvensen. Detta görs med hjälp av en serie faslåsta slingor och en högpresterande kvartsoscillator.

astrofysiska masers

stimulerad mikrovågs-och radiovågsutsläpp observeras i astronomi, och detta kallas vanligtvis ”masing”, även i avsaknad av resonansåterkoppling som skulle krävas för en sann maser. Tekniskt kallas denna form av stimulerad emission superradiant emission, och den är nära förknippad med laser och masing. Sådan emission observeras från molekyler såsom vatten (H2O), hydroxylradikaler (OH), metanol (CH3OH), formaldehyd (CH2O) och kiselmonoxid (SiO).

Maserliknande stimulerad emission förekommer också i naturen i interstellärt utrymme. Vattenmolekyler i stjärnbildande regioner kan genomgå en befolkningsinversion och avge strålning vid 22 GHz, vilket skapar den ljusaste spektrallinjen i radiouniverset. Vissa vattenmasers avger också strålning från ett vibrationsläge vid 96 GHz.

Se även

• ammoniak
• elektromagnetiskt spektrum
• väte
• Laser
• ljus
• mikrovågsugn
• Optik

anmärkningar

• Keating, Michael P. 2002. Geometrisk, fysisk och visuell Optik. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• sångare, J. R. 1959. Masers. Wiley.
• Taylor, Nick. 2000. LASER: uppfinnaren, Nobelpristagaren och det trettioåriga patentkriget. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J. och C. Audoin. 1989. Kvantfysiken för Atomfrekvensstandarder. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.