Мазер - Maser

Для использования в других целях см. Мазер (значения).
Первый прототип аммиачного мазера и изобретатель Чарльз Х. Таунс. Форсунка для аммиака находится в коробке слева, четыре латунных стержня в центре - это квадруполь селектор состояний, а резонатор - справа. Микроволны 24 ГГц выходят через вертикальный волновод Таунс приспосабливается. Внизу - вакуумные насосы.
Водородный радиочастотный разряд, первый элемент внутри водородный мазер (см. описание ниже)

А мазер (/ˈмeɪzər/, сокращение от усиление микроволн за счет вынужденного излучения) - устройство, производящее последовательный электромагнитные волны через усиление стимулированное излучение. Первый мазер был построен Чарльз Х. Таунс, Джеймс П. Гордон, и Герберт Дж. Зейгер в Колумбийском университете в 1953 году. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров были награждены 1964 г. Нобелевская премия по физике за теоретические работы, ведущие к мазеру. Мазеры используются в качестве прибора для измерения времени в атомные часы, и как микроволновая печь с очень низким уровнем шума усилители в радиотелескопы и глубокий космос связь космического корабля наземные станции.

Современные мазеры могут быть сконструированы так, чтобы генерировать электромагнитные волны не только в микроволновке частоты но также радио и инфракрасные частоты. По этой причине Чарльз Таунс предложил заменить слово «микроволновая печь» словом «молекулярный» в качестве первого слова в аббревиатуре. мазер.[1]

В лазер работает по тому же принципу, что и мазер, но производит более высокую частоту когерентное излучение в видимых длинах волн. Мазер был предшественником лазера, вдохновив на теоретические работы Таунса и Артур Леонард Шавлов что привело к изобретению лазера в 1960 г. Теодор Майман. Когда в 1957 году впервые представили когерентный оптический генератор, он первоначально назывался «оптическим мазером». В конечном итоге это было изменено на лазер за "Lправо АУсиление Sсдержанный Eмиссия рПосвящение ". Гордон Гулд приписывают создание этого акронима в 1957 году.

История

Теоретические основы работы мазера впервые были описаны Джозеф Вебер из Университет Мэриленда, Колледж-Парк на конференции по исследованию электронных трубок в июне 1952 г. Оттава,[2] с кратким изложением, опубликованным в июньском 1953 г. в Трудах профессиональной группы Института радиоинженеров по электронным устройствам,[3] и одновременно Николай Басов и Александр Прохоров из Физический институт им. П.Н. Лебедева загар Всесоюзная конференция по радиоспектроскопии проводится Академия Наук СССР в мае 1952 г., впоследствии опубликовано в октябре 1954 г.

Независимо, Чарльз Хард Таунс, Джеймс П. Гордон, а Х. Дж. Зейгер построил первый аммиачный мазер в г. Колумбийский университет в 1953 году. В этом устройстве использовалось стимулированное излучение в потоке возбужденного аммиак молекул для усиления микроволн с частотой около 24,0 гигагерц.[4] Позже Таунс работал с Артур Л. Шавлов описать принцип оптический мазер, или же лазер,[5] из которых Теодор Х. Майман создал первую рабочую модель в 1960 году.

За свои исследования в области стимулированного излучения Таунс, Басов и Прохоров были награждены премией. Нобелевская премия по физике в 1964 г.[6]

Технологии

Мазер основан на принципе вынужденного излучения, предложенном Альберт Эйнштейн в 1917 году. Когда атомы были переведены в возбужденное энергетическое состояние, они могут усиливать излучение с частотой, определенной для элемента или молекулы, используемой в качестве рабочей среды (аналогично тому, что происходит в среде, излучающей лазер).

Поместив такую ​​усиливающую среду в резонансная полость, создается обратная связь, которая может производить когерентное излучение.

Некоторые распространенные типы

События двадцать первого века

В 2012 году исследовательская группа из Национальная физическая лаборатория и Имперский колледж Лондон разработал твердое состояние мазер, работавший при комнатной температуре, с оптической накачкой, пентацен легированный п-терфенил как усилитель среды.[8][9][10] Он давал импульсы мазерного излучения длительностью несколько сотен микросекунд.

В 2018 году исследовательская группа из Имперский колледж Лондон и Университетский колледж Лондона продемонстрировал непрерывное мазерное колебание с использованием синтетические бриллианты содержащий азотная вакансия дефекты.[11][12]

Использует

Мазеры служат для высокой точности частота Рекомендации. Эти "атомные стандарты частоты" являются одной из многих форм атомные часы. Мазеры также использовались как малошумящие СВЧ усилители в радиотелескопы, хотя в основном они были заменены усилителями на основе Полевые транзисторы.[13]

В начале 1960-х гг. Лаборатория реактивного движения разработал мазер, обеспечивающий сверхмалошумящее усиление S-диапазон микроволновые сигналы, полученные от зондов дальнего космоса.[14] В этом мазере использовался глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры четырех кельвин. Усиление было достигнуто за счет возбуждения рубинового гребня с частотой 12,0 гигагерц. клистрон. В первые годы на охлаждение и удаление примесей из водородных линий уходили дни. Охлаждение представляло собой двухэтапный процесс с большой установкой Linde на земле и компрессором крейцкопфа внутри антенны. Окончательная закачка производилась под давлением 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) через регулируемый микрометром вход в камеру размером 150 мкм (0,006 дюйма). Вся система шумовая температура глядя на холодное небо (2.7кельвины в микроволновом диапазоне) составляла 17 кельвинов. Это дало такой низкий коэффициент шума, что Маринер IV Космический зонд мог отправить неподвижные изображения из Марс назад к земной шар даже если выходная мощность его радиопередатчик было всего 15Вт, и, следовательно, общая мощность полученного сигнала составила всего -169децибелы по отношению к милливатт (дБм).

Водородный мазер

Основная статья: Водородный мазер
Водородный мазер.

Водородный мазер используется как атомный стандарт частоты. Вместе с другими видами атомных часов они помогают составлять Международное атомное время стандарт («Temps Atomique International» или «TAI» по-французски). Это международная шкала времени, согласованная Международное бюро мер и весов. Норман Рэмси и его коллеги впервые задумали мазер как эталон времени. Более современные мазеры практически идентичны своей оригинальной конструкции. Мазерные колебания основаны на вынужденном излучении между двумя уровни сверхтонкой энергии атомных водород. Вот краткое описание того, как они работают:

  • Сначала создается пучок атомарного водорода. Это делается путем подачи газа под низким давлением на высокочастотный радиоволна разряд (см. рисунок на этой странице).
  • Следующий шаг - «выбор состояния» - чтобы получить стимулированное излучение, необходимо создать инверсия населения атомов. Это делается очень похоже на Эксперимент Штерна-Герлаха. После прохождения диафрагмы и магнитного поля многие атомы в пучке остаются на верхнем энергетическом уровне лазерного перехода. Из этого состояния атомы могут переходить в более низкое состояние и испускать микроволновое излучение.
  • Высота Добротность (добротность) микроволновая печь ограничивает микроволны и повторно вводит их в пучок атомов. Вынужденное излучение усиливает микроволны при каждом прохождении луча. Это сочетание усиление и Обратная связь это то, что определяет все генераторы. В резонансная частота СВЧ-резонатора настроена на частоту перехода сверхтонкой энергии водорода: 1,420,405,752 герц.[15]
  • Небольшая часть сигнала в микроволновом резонаторе передается в коаксиальный кабель и затем отправляется на когерентный радиоприемник.
  • Выходящий из мазера микроволновый сигнал очень слабый (несколько Пиковатт ). Частота сигнала фиксированная и очень сильно стабильный. Когерентный приемник используется для усиления сигнала и изменения частоты. Это делается с помощью серии петли фазовой автоподстройки частоты и высокая производительность кварцевый генератор.

Астрофизические мазеры

Основная статья: Астрофизический мазер

Мазероподобное вынужденное излучение в природе наблюдалось также из межзвездное пространство, и его часто называют «сверхизлучательным излучением», чтобы отличить его от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается от таких молекул, как вода (H2O), гидроксил радикалы (•ОЙ ), метанол (CH3ОЙ), формальдегид (HCHO) и оксид кремния (SiO). Молекулы воды в звезда -формированные регионы могут пройти инверсия населения и испускать излучение примерно с 22,0ГГц, создавая самые яркие спектральная линия во вселенной радио. Некоторые водные мазеры также испускают излучение вращательный переход в частота 96 ГГц.[16][17]

Чрезвычайно мощные мазеры, связанные с активные галактические ядра, известны как мегамазеры и в миллион раз мощнее звездных мазеров.

Терминология

Значение термина мазер немного изменился с момента его появления. Первоначально аббревиатура была широко известна как «усиление микроволнового излучения за счет вынужденного излучения», которое описывало устройства, излучающие в микроволновом диапазоне электромагнитный спектр.

С тех пор принцип и концепция стимулированного излучения были распространены на большее количество устройств и частот. Таким образом, первоначальная аббревиатура иногда изменяется, как предлагает Чарльз Х. Таунс:[1] к "молекулярный усиление стимулированным излучением ». Некоторые утверждали, что усилия Таунса по расширению аббревиатуры таким образом были в первую очередь мотивированы желанием повысить важность своего изобретения и его репутацию в научном сообществе.[18]

Когда был разработан лазер, Таунс и Шавлоу и их коллеги из Bell Labs продвинули использование термина оптический мазер, но от этого в основном отказались в пользу лазер, придуманный их соперником Гордоном Гулдом.[19] В современном использовании устройства, которые излучают в рентгеновский снимок через инфракрасный части спектра обычно называют лазеры, а устройства, которые излучают в микроволновом диапазоне и ниже, обычно называют мазерынезависимо от того, излучают ли они микроволны или другие частоты.

Первоначально Гулд предложил разные названия для устройств, которые излучают в каждой части спектра, включая травоядные (гамма-луч лазеры), xasers (рентгеновские лазеры), увазеры (ультрафиолетовый лазеры), лазеры (видимый лазеры), резчики (инфракрасный лазеры), мазеры (микроволновые мазеры) и гонщики (РФ мазеры). Однако большинство этих терминов так и не прижились, и все они (за исключением научной фантастики) теперь устарели, за исключением мазер и лазер.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Таунс, Чарльз Х. (1964-12-11). «Производство когерентного излучения атомами и молекулами - Нобелевская лекция» (PDF). Нобелевская премия. п. 63. В архиве (pdf) из оригинала на 2020-08-27. Получено 2020-08-27. Мы назвали этот общий тип системы мазером, что является аббревиатурой от микроволнового усиления за счет вынужденного излучения излучения. Идея была успешно распространена на такое разнообразие устройств и частот, что, вероятно, было бы хорошо обобщить это название - возможно, чтобы обозначить молекулярное усиление посредством стимулированного излучения излучения.
  2. ^ Интервью Американского института физики по устной истории с Вебером
  3. ^ Марио Бертолотти (2004). История лазера. CRC Press. п. 180. ISBN  978-1420033403.
  4. ^ Gordon, J. P .; Zeiger, H.J .; Таунс, К. Х. (1955). «Мазер - СВЧ усилитель нового типа, эталон частоты и спектрометр». Phys. Rev. 99 (4): 1264. Bibcode:1955ПхРв ... 99.1264Г. Дои:10.1103 / PhysRev.99.1264.
  5. ^ Schawlow, A.L .; Townes, C.H. (15 декабря 1958 г.). «Инфракрасные и оптические мазеры». Физический обзор. 112 (6): 1940–1949. Bibcode:1958ПхРв..112.1940С. Дои:10.1103 / PhysRev.112.1940.
  6. ^ «Нобелевская премия по физике 1964 года». NobelPrize.org. Получено 2020-08-27.
  7. ^ Двойной мазер на благородных газах, Гарвардский университет, факультет физики
  8. ^ Брамфил, Г. (2012). «Микроволновый лазер выполняет 60-летнюю перспективу». Природа. Дои:10.1038 / природа.2012.11199. S2CID  124247048.
  9. ^ Палмер, Джейсон (16 августа 2012 г.). "'Мазерный источник микроволновых лучей выходит из холода ». Новости BBC. Архивировано из оригинал 29 июля 2016 г.. Получено 23 августа 2012.
  10. ^ Микроволновый лазер оправдывает ожидания 60 лет
  11. ^ Лю, Рен-Бао (март 2018 г.). «Алмазный век мазеров». Природа. 555 (7697): 447–449. Bibcode:2018Натура.555..447L. Дои:10.1038 / d41586-018-03215-3. PMID  29565370.
  12. ^ Ученые использовали алмаз в первом в мире твердотельном мазере непрерывного действия при комнатной температуре, Phys.org
  13. ^ «Малошумящие усилители - выход за пределы низкого уровня шума». Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО).
  14. ^ Макгрегор С. Рид, изд. (2008). «Малошумящие системы в сети дальнего космоса» (PDF). JPL.
  15. ^ "Время и частота от А до Я: Ч". Архивировано из оригинал на 2010-05-14. Получено 2012-12-31.
  16. ^ Neufeld, David A .; 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.
  17. ^ Теннисон, Джонатан; и другие. (Март 2013 г.). "Критическая оценка ИЮПАК вращательно-колебательных спектров водяного пара, Часть III: Уровни энергии и волновые числа перехода для H216O ". Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения. 117: 29–58. Bibcode:2013JQSRT.117 ... 29T. Дои:10.1016 / j.jqsrt.2012.10.002.
  18. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война. Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN  978-0-684-83515-0.
  19. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война. Нью-Йорк: Саймон и Шустер. С. 66–70. ISBN  978-0-684-83515-0.

дальнейшее чтение

  • Дж. Р. Сингер, Мазеры, Джон Уилли и сыновья Inc., 1959.
  • Ж. Ванье, К. Одуан, Квантовая физика атомных стандартов частоты, Адам Хильгер, Бристоль, 1989.

внешняя ссылка