stringtranslate.com

Мазер

Первый прототип аммиачного мазера перед его изобретателем Чарльзом Х. Таунсом . Аммиачное сопло находится слева в коробке, четыре латунных стержня в центре — селектор квадрупольного состояния, а резонансная полость — справа. Микроволны частотой 24 ГГц выходят через вертикальный волновод, который настраивает Таунс. Внизу находятся вакуумные насосы .
Водородный радиочастотный разряд, первый элемент внутри водородного мазера (см. описание ниже)

Мазер — это устройство, которое производит когерентные электромагнитные волны ( микроволны ) посредством усиления с помощью вынужденного излучения . Этот термин является аббревиатурой от «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» . Николай Басов , Александр Прохоров и Джозеф Вебер ввели концепцию мазера в 1952 году, а Чарльз Х. Таунс , Джеймс П. Гордон и Герберт Дж. Зейгер построили первый мазер в Колумбийском университете в 1953 году. Таунс, Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию по физике 1964 года за теоретическую работу, приведшую к созданию мазера. Мазеры используются в качестве устройств измерения времени в атомных часах и в качестве чрезвычайно малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах и наземных станциях связи космических аппаратов дальнего космоса .

Современные мазеры могут быть разработаны для генерации электромагнитных волн на микроволновых частотах , радиочастотах и ​​инфракрасных частотах. По этой причине Таунс предложил заменить «микроволна» на «молекулярный» в качестве первого слова в аббревиатуре «мазер». [1]

Лазер работает по тому же принципу, что и мазер, но производит более высокочастотное когерентное излучение на видимых длинах волн. Мазер был предшественником лазера, вдохновив теоретические работы Таунса и Артура Леонарда Шавлова , которые привели к изобретению лазера в 1960 году Теодором Майманом . Когда когерентный оптический осциллятор был впервые придуман в 1957 году, его первоначально называли «оптическим мазером». В конечном итоге это название было изменено на лазер , что означает «усиление света путем вынужденного излучения». Создание этой аббревиатуры приписывают Гордону Гулду в 1957 году.

История

Теоретические принципы, управляющие работой мазера, были впервые описаны Джозефом Вебером из Мэрилендского университета в Колледж-Парке на конференции по исследованию электронных ламп в июне 1952 года в Оттаве [2] , а их резюме было опубликовано в июне 1953 года в Трудах Профессиональной группы по электронным приборам Института радиоинженеров [3], а также одновременно Николаем Басовым и Александром Прохоровым из Физического института имени П. Н. Лебедева на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии , проведенной Академией наук СССР в мае 1952 года и опубликовано в октябре 1954 года.

Независимо друг от друга Чарльз Хард Таунс , Джеймс П. Гордон и Х. Дж. Зейгер построили первый аммиачный мазер в Колумбийском университете в 1953 году. Это устройство использовало стимулированное излучение в потоке заряженных молекул аммиака для усиления микроволн на частоте около 24,0 гигагерц . [4] Позднее Таунс работал с Артуром Л. Шавловым, чтобы описать принцип оптического мазера , или лазера , [5] первую рабочую модель которого Теодор Х. Майман создал в 1960 году.

За исследования в области вынужденного излучения Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году. [6]

Технологии

Мазер основан на принципе вынужденного излучения, предложенном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы переведены в возбужденное энергетическое состояние, они могут усиливать излучение на частоте, определенной для элемента или молекулы, используемых в качестве излучающей среды (аналогично тому, что происходит в излучающей среде лазера).

Помещая такую ​​усиливающую среду в резонансную полость , создается обратная связь, способная производить когерентное излучение .

Некоторые распространенные типы

Развитие 21-го века

В 2012 году исследовательская группа из Национальной физической лаборатории и Имперского колледжа Лондона разработала твердотельный мазер, работающий при комнатной температуре, используя в качестве усилительной среды оптически накачиваемый п-терфенил , легированный пентаценом . [8] [9] [10] Он создавал импульсы мазерного излучения длительностью несколько сотен микросекунд.

В 2018 году исследовательская группа из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона продемонстрировала непрерывные колебания мазера с использованием синтетических алмазов , содержащих дефекты азотных вакансий . [11] [12]

Использует

Мазеры служат в качестве высокоточных частотных эталонов . Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из многих форм атомных часов . Мазеры также использовались в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах , хотя они в значительной степени были заменены усилителями на основе полевых транзисторов . [13]

В начале 1960-х годов Лаборатория реактивного движения разработала мазер для обеспечения сверхмалошумного усиления микроволновых сигналов S-диапазона , полученных от зондов дальнего космоса. [14] Этот мазер использовал глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры 4  Кельвина . Усиление достигалось путем возбуждения рубиновой гребенки 12,0-гигагерцовым клистроном . В первые годы требовалось несколько дней, чтобы охладить и удалить примеси из водородных линий.

Охлаждение было двухступенчатым процессом с большим блоком Linde на земле и крейцкопфным компрессором внутри антенны. Окончательный впрыск производился при 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) через регулируемый микрометром вход в камеру размером 150 мкм (0,006 дюйма). Шумовая температура всей системы , смотрящей на холодное небо (2,7  кельвина в микроволновом диапазоне), составляла 17 кельвинов. Это давало такой низкий коэффициент шума, что космический зонд Mariner IV мог отправлять неподвижные изображения с Марса обратно на Землю , хотя выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15  Вт , и, следовательно, общая мощность полученного сигнала составляла всего −169  децибел по отношению к милливатт  (дБм).

Водородный мазер

Водородный мазер.

Водородный мазер используется в качестве атомного стандарта частоты . Вместе с другими видами атомных часов они помогают составить Международный стандарт атомного времени («Temps Atomique International» или «TAI» на французском языке). Это международная шкала времени, координируемая Международным бюро мер и весов . Норман Рэмси и его коллеги впервые задумали мазер как стандарт времени. Более поздние мазеры практически идентичны своей первоначальной конструкции. Колебания мазера основаны на вынужденном излучении между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями атомарного водорода .

Вот краткое описание того, как они работают:

Астрофизические мазеры

Мазероподобное стимулированное излучение также наблюдалось в природе из межзвездного пространства , и его часто называют «сверхизлучающим излучением», чтобы отличить его от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается от молекул, таких как вода (H 2 O), гидроксильные радикалы ( •OH ), метанол (CH 3 OH), формальдегид (HCHO), оксид кремния (SiO) и карбодиимид (HNCNH). [16] Молекулы воды в областях звездообразования могут претерпевать инверсию населения и испускать излучение на частоте около 22,0  ГГц , создавая самую яркую спектральную линию в радиовселенной. Некоторые водные мазеры также испускают излучение от вращательного перехода на частоте 96 ГГц. [17] [18]

Чрезвычайно мощные мазеры, связанные с активными ядрами галактик , известны как мегамазеры и в миллион раз мощнее звездных мазеров.

Терминология

Значение термина мазер немного изменилось с момента его введения. Первоначально аббревиатура повсеместно использовалась как «усиление микроволн путем вынужденного излучения», что описывало устройства, которые излучали в микроволновой области электромагнитного спектра .

Принцип и концепция стимулированного излучения с тех пор были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, первоначальная аббревиатура иногда изменяется, как предложил Чарльз Х. Таунс, [1] на « молекулярное усиление с помощью стимулированного излучения». Некоторые утверждают, что усилия Таунса по расширению аббревиатуры таким образом были в первую очередь мотивированы желанием повысить значимость его изобретения и его репутацию в научном сообществе. [19]

Когда был разработан лазер, Таунс и Шавлов и их коллеги из Bell Labs продвигали использование термина «оптический мазер» , но от него в значительной степени отказались в пользу термина «лазер» , придуманного их конкурентом Гордоном Гулдом. [20] В современном использовании устройства, которые излучают в рентгеновском диапазоне через инфракрасные части спектра, обычно называются лазерами , а устройства, которые излучают в микроволновой области и ниже, обычно называются мазерами , независимо от того, излучают ли они микроволны или другие частоты.

Первоначально Гулд предложил отдельные названия для устройств, которые излучают в каждой части спектра, включая grasers ( гамма - лазеры), xasers (рентгеновские лазеры), uvasers ( ультрафиолетовые лазеры), lasers ( видимые лазеры), irasers ( инфракрасные лазеры), mazers (микроволновые мазеры) и razers ( радиочастотные мазеры). Однако большинство из этих терминов так и не прижились, и все они теперь (за исключением научной фантастики) устарели, за исключением mazer и laser . [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Таунс, Чарльз Х. (1964-12-11). "Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция" (PDF) . Нобелевская премия . стр. 63. Архивировано (pdf) из оригинала 2020-08-27 . Получено 2020-08-27 . Мы назвали этот общий тип системы мазером, аббревиатурой от микроволнового усиления путем вынужденного излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы неплохо обобщить название - возможно, чтобы оно означало молекулярное усиление путем вынужденного излучения.
  2. ^ Американский институт физики. Устное интервью с Вебером по истории
  3. ^ Марио Бертолотти (2004). История лазера . ЦРК Пресс. п. 180. ИСБН 978-1420033403.
  4. ^ Гордон, Дж. П.; Зейгер, Х. Дж.; Таунс, Ч. Х. (1955). «Мазер — новый тип микроволнового усилителя, стандарта частоты и спектрометра». Phys. Rev. 99 ( 4): 1264. Bibcode : 1955PhRv...99.1264G. doi : 10.1103/PhysRev.99.1264 .
  5. ^ Шавлов, AL; Таунс, CH (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мазеры». Physical Review . 112 (6): 1940–1949. Bibcode : 1958PhRv..112.1940S. doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
  6. ^ "Нобелевская премия по физике 1964 года". NobelPrize.org . Получено 2020-08-27 .
  7. ^ Двойной мазер благородных газов, Гарвардский университет, физический факультет
  8. ^ Брумфилд, Г. (2012). «Микроволновый лазер выполняет 60-летние обещания». Nature . doi :10.1038/nature.2012.11199. S2CID  124247048.
  9. ↑ Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). «Источник микроволновых лучей „Мазер“ выходит из холода». BBC News. Архивировано из оригинала 29 июля 2016 г. Получено 23 августа 2012 г.
  10. ^ Микроволновый лазер выполняет 60-летнее обещание
  11. ^ Лю, Жэнь-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мазеров». Nature . 555 (7697): 447–449. Bibcode :2018Natur.555..447L. doi : 10.1038/d41586-018-03215-3 . PMID  29565370.
  12. ^ Ученые используют алмаз в первом в мире непрерывном твердотельном мазере, работающем при комнатной температуре, phys.org
  13. ^ «Малошумящие усилители — расширяем границы малого шума». Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO).
  14. ^ Макгрегор С. Рид, ред. (2008). «Малошумящие системы в сети дальней космической связи» (PDF) . JPL.
  15. ^ "Время и частота от А до Я: H". NIST . 12 мая 2010 г.
  16. ^ McGuire, Brett A.; Loomis, Ryan A.; Charness, Cameron M.; Corby, Joanna F.; Blake, Geoffrey A.; Hollis, Jan M.; Lovas, Frank J.; Jewell, Philip R.; Remijan, Anthony J. (2012-10-20). "Interstellar Carbodiimide (HNCNH): A New Astronomical Detection from the GBT Primos Survey Via Maser Emission Features". The Astrophysical Journal . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Bibcode :2012ApJ...758L..33M. doi :10.1088/2041-8205/758/2/L33. ISSN  2041-8205. S2CID  26146516.
  17. ^ Нойфельд, Дэвид А.; Мельник, Гэри Дж. (1991). «Возбуждение миллиметровых и субмиллиметровых водяных мазеров в теплом астрофизическом газе». Атомы, ионы и молекулы: новые результаты в астрофизике спектральных линий, Серия конференций ASP (ASP: Сан-Франциско) . 16 : 163. Bibcode : 1991ASPC...16..163N.
  18. ^ Теннисон, Джонатан и др. (март 2013 г.). «Критическая оценка вращательно-колебательных спектров водяного пара по ИЮПАК, часть III: уровни энергии и волновые числа переходов для H216O». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 117 : 29–58. Bibcode : 2013JQSRT.117...29T. doi : 10.1016/j.jqsrt.2012.10.002 . hdl : 10831/91303 .
  19. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: Изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Simon & Schuster. ISBN 978-0-684-83515-0.
  20. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: Изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Simon & Schuster. С. 66–70. ISBN 978-0-684-83515-0.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Мазеры .