Мазер — это устройство, которое производит когерентные электромагнитные волны ( микроволны ) посредством усиления стимулированным излучением . Этот термин является аббревиатурой от усиления микроволнового излучения за счет вынужденного излучения . Впервые предложено Джозефом Вебером . Первый мазер был построен Чарльзом Х. Таунсом , Джеймсом П. Гордоном и Гербертом Дж. Зейгером в Колумбийском университете в 1953 году. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике 1964 года за теоретические разработки. работа, ведущая к мазеру. Мазеры также используются в качестве устройства измерения времени в атомных часах и в качестве чрезвычайно малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах и наземных станциях связи космических кораблей в дальнем космосе .
Современные мазеры могут быть разработаны для генерации электромагнитных волн не только на микроволновых частотах , но также на радио- и инфракрасных частотах. По этой причине Таунс предложил заменить слово «микроволновая печь» 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 в видимых длинах волн. Мазер был предшественником лазера, вдохновив Таунса и Артура Леонарда Шавлоу на теоретические работы , которые привели к изобретению лазера в 1960 году Теодором Мейманом . Когда в 1957 году впервые был изобретен когерентный оптический генератор, его первоначально называли «оптическим мазером». В конечном итоге его заменили на лазер , что означает «усиление света за счет вынужденного излучения». Гордону Гулду приписывают создание этой аббревиатуры в 1957 году.
Теоретические принципы, управляющие работой мазера, были впервые описаны Джозефом Вебером из Университета Мэриленда, Колледж-Парк , на конференции по исследованию электронных трубок в июне 1952 года в Оттаве [2] с кратким изложением, опубликованным в июне 1953 года в Трудах Института. Профессиональной группы радиоинженеров по электронным приборам [3] и одновременно Николаем Басовым и Александром Прохоровым из Физического института им. Лебедева на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии, проводимой АН СССР в мае 1952 г., впоследствии опубликованной в Октябрь 1954 года.
Независимо 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] Позже Таунс работал с Артуром Л. Шавлоу , чтобы описать принцип оптического мазера , или лазера , [5] первую рабочую модель которого Теодор Х. Мейман создал в 1960 году.
За исследования в области вынужденного излучения Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году. [6]
Мазер основан на принципе вынужденного излучения, предложенном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы переводятся в возбужденное энергетическое состояние, они могут усиливать излучение на частоте, характерной для элемента или молекулы, используемой в качестве масирующей среды (аналогично тому, что происходит в лазерной среде).
Помещая такую усиливающую среду в резонансную полость , создается обратная связь, которая может производить когерентное излучение .
В 2012 году исследовательская группа из Национальной физической лаборатории и Имперского колледжа Лондона разработала твердотельный мазер, который работал при комнатной температуре, используя в качестве усилителя п-терфенил с оптической накачкой, легированный пентаценом . [8] [9] [10] Он производил импульсы мазерного излучения длительностью в несколько сотен микросекунд.
В 2018 году исследовательская группа из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона продемонстрировала непрерывную мазерную генерацию с использованием синтетических алмазов , содержащих дефекты азотных вакансий . [11] [12]
Мазеры служат высокоточными эталонами частоты . Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из многих форм атомных часов . Мазеры также использовались в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах , хотя в значительной степени они были заменены усилителями на полевых транзисторах . [13]
В начале 1960-х годов Лаборатория реактивного движения разработала мазер, обеспечивающий сверхмалошумящее усиление микроволновых сигналов S-диапазона , принимаемых от зондов дальнего космоса. [14] В этом мазере использовался глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры 4 Кельвина . Усиление достигалось путем возбуждения рубиновой гребенки клистроном с частотой 12,0 ГГц . В первые годы на охлаждение и удаление примесей из водородных линий уходило несколько дней. Охлаждение представляло собой двухступенчатый процесс с большой установкой Linde на земле и крейцкопфным компрессором внутри антенны. Последняя инъекция осуществлялась при давлении 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) через регулируемый микрометром вход в камеру диаметром 150 мкм (0,006 дюйма). Шумовая температура всей системы при взгляде на холодное небо (2,7 Кельвина в микроволновом диапазоне) составила 17 Кельвинов; это дало настолько низкий коэффициент шума, что космический зонд «Маринер IV» мог отправлять неподвижные изображения с Марса обратно на Землю , хотя выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15 Вт , и, следовательно, общая мощность принимаемого сигнала составляла всего -169 децибел с относительно милливатт (дБм).
Водородный мазер используется в качестве атомного стандарта частоты . Вместе с другими видами атомных часов они составляют 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 придумали мазер как эталон времени. Более поздние мазеры практически идентичны своей первоначальной конструкции. Мазерные колебания основаны на вынужденном излучении между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями атомарного водорода .
Вот краткое описание того, как они работают:
Мазероподобное вынужденное излучение также наблюдалось в природе из межзвездного пространства , и его часто называют «сверхизлучением», чтобы отличить его от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается у таких молекул, 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 населенности и излучать излучение на частоте около 22,0 ГГц , создавая самую яркую спектральную линию во Вселенной. Некоторые водные мазеры также излучают излучение 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.
Значение термина «мазер» немного изменилось с момента его появления. Первоначально эта аббревиатура повсеместно использовалась как «микроволновое усиление путем вынужденного излучения», которая описывала устройства, излучающие в микроволновой области электромагнитного спектра .
С тех пор принцип и концепция вынужденного излучения были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, первоначальная аббревиатура иногда модифицируется, как предложил Чарльз Х. Таунс [1] , на « молекулярную амплификацию путем стимулированного излучения радиации». Некоторые утверждали, что попытки Таунса расширить аббревиатуру таким образом были в первую очередь мотивированы желанием повысить важность его изобретения и его репутацию в научном сообществе. [19]
Когда был разработан лазер, Таунс, Шавлоу и их коллеги из Bell Labs предложили использовать термин « оптический мазер» , но от него в значительной степени отказались в пользу лазера , придуманного их соперником Гордоном Гулдом. [20] В современном использовании устройства, излучающие рентгеновские лучи в инфракрасных частях спектра, обычно называются лазерами , а устройства, излучающие 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, излучающих в каждой части спектра, включая grasers ( гамма - лазеры), xasers (рентгеновские лазеры), uvasers ( ультрафиолетовые лазеры), лазеры ( видимые лазеры), irasers ( инфракрасные лазеры), мазеры (микроволновые мазеры) и разеры ( РЧ- мазеры). Однако большинство из этих терминов так и не прижились, и все они теперь (за исключением научной фантастики) устарели, за исключением мазера и лазера . [ нужна цитата ]
Мы назвали этот общий тип системы мазером, что означает усиление микроволнового излучения за счет вынужденного излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы полезно обобщить это название - возможно, для обозначения молекулярной амплификации путем стимулированного излучения.
