СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

МАЗЕР   

Мазерами называют квантовые генераторы и усилители электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Термин «мазер» образован из начальных букв слов английской фразы, которая переводится следующим образом: «усиление микроволн (т. е. электромагнитных волн сантиметрового диапазона) в результате вынужденного излучения».

В мазерах незатухающие электромагнитные колебания поддерживаются за счет вынужденного излучения атомов и молекул. Частота этих колебаний задается резонансными частотами атомов и молекул, поэтому стабильность генерируемых колебаний оказывается чрезвычайно высокой, а влияние внешних факторов на стабильность незначительным. Высокая стабильность частоты генерации мазеров и привлекла к ним внимание физиков и инженеров.

Мазеры были предложены в 1955 г. одновременно и независимо Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США.

По виду активной среды, в которой происходят квантовое усиление и генерация электромагнитных волн, мазеры делятся на два типа. Мазеры, использующие молекулярные пучки, называются молекулярными генераторами, а второй тип мазеров, в котором применяются в качестве активной среды парамагнитные кристаллы, — парамагнитными генераторами и усилителями.

Для генерации электромагнитных волн в мазерах используется вынужденное испускание квантов электромагнитного излучения возбужденными атомами и молекулами вещества при их взаимодействии с внешним квантом электромагнитного излучения .

В обычных условиях атомы и молекулы находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой; это означает, что число атомов или молекул в возбужденных состояниях тем меньше, чем выше энергия возбужденного состояния.

Для того чтобы появилась возможность использовать уникальные свойства вынужденного излучения, необходимо искусственно создать термодинамически неравновесную среду, в которой число возбужденных атомов или молекул будет больше, чем невозбужденных.

В мазерах на молекулярных пучках, или, как их обычно называют, в молекулярных генераторах, такую среду создают путем искусственного отбора из пучка молекул, находящихся в термодинамическом равновесии, только тех молекул, которые находятся в возбужденном состоянии.

Посмотрим, как это делается практически на примере мазера на молекулах аммиака.

В вакуумированную камеру, в которой посредством непрерывной откачки поддерживается вакуум ~ 1 мм рт. ст., непрерывно подается газообразный аммиак NH3. В результате в камере формируется направленный молекулярный пучок с интенсивностью около 1018 молекул в секунду. Искусственный отбор возбужденных молекул аммиака осуществляется пропусканием термодинамически равновесного молекулярного пучка через сортирующую систему, изготовленную в виде квадрупольного конденсатора длиной около 10 см, на который подается напряжение 20—30 кВ (). Возбужденные и невозбужденные молекулы аммиака, пролетая через квадрупольный конденсатор, ведут себя в неоднородном электрическом поле различным образом. Внутренняя энергия возбужденных молекул аммиака в постоянном электрическом поле увеличивается, а невозбужденных — уменьшается. Поэтому, проходя через неоднородное электрическое поле, возбужденные молекулы стремятся попасть в ту область поля, в которой их энергия минимальна: возбужденные молекулы фокусируются к оси конденсатора, где поле равно нулю, а невозбужденные — в область с максимальным электрическим полем,т. е. к электродам. Если электроды конденсатора охлаждать жидким азотом, то невозбужденные молекулы будут к ним «примерзать», а возбужденные — свободно пролетать через конденсатор, фокусируясь в узкий направленный пучок вдоль оси конденсатора.

После сортирующей системы формируется пучок с интенсивностью около 1013 молекул в секунду, в котором содержатся только возбужденные молекулы. Такой молекулярный пучок представляет собой термодинамически неравновесную активную среду, в которой невозможно поглощение квантов, так как практически в ней нет молекул в основном, невозбужденном состоянии и в то же время возможны спонтанное и вынужденное испускание квантов электромагнитного излучения при переходе молекул из возбужденного состояния в основное .

Третий необходимый элемент молекулярного генератора (кроме источника пучка и сортирующей системы) — высокодобротный объемный резонатор с резонансной частотой, настроенной на частоту электромагнитного излучения, испускаемого возбужденной молекулой при переходе в основное состояние. Чем выше добротность (качество) резонатора, тем дольше не затухают электромагнитные колебания, возбужденные в резонаторе на частоте резонанса. При превышении потоком возбужденных молекул, влетающих в резонатор, некоторой критической величины электромагнитное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания, начинает накапливаться в резонаторе, тем самым все более усиливая вынужденное испускание. Благодаря этому процессу число возбужденных молекул уменьшается, а невозбужденных — увеличивается, лавина вынужденных актов испускания начинает приходить к насыщению, которое соответствует выравниванию числа молекул в возбужденном и невозбужденном состояниях на выходе из резонатора и насыщению мощности электромагнитного излучения в резонаторе.

Гораздо большей монохроматичностью излучения обладает мазер на атомах водорода Его устройство во многом аналогично устрой ству мазера на молекулах аммиака.

Основной недостаток водородного мазера — малая мощность излучения — в тысячи раз меньше мощности аммиачного мазера.

Твердотельные мазеры применяют чаще всего в качестве усилителей электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн. Активная среда в этих мазерах представляет собой кристалл (наибольшее распространение получили мазеры на кристаллах рубина), размещенный в резонаторе, имеющем две резонансные частоты: частоту излучения накачки и частоту усиления. Инверсная населенность уровней в кристалле достигается в результате поглощения кристаллом электромагнитного излучения накачки, длина волны которого меньше длины волны усиления. Главная особенность твердотельных мазеров, называемых еще парамагнитными квантовыми усилителями, состоит в том, что инверсная населенность осуществляется на уровнях, создаваемых искусственно: путем помещения кристалла вместе с резонатором в постоянное магнитное поле.

Расстояние между уровнями полностью определяется величиной внешнего магнитного поля. Обычно парамагнитные усилители используют в диапазоне длин волн от 1 до 100 см.

Важнейшее свойство парамагнитных квантовых усилителей — чрезвычайно низкий уровень шума, в 100 раз меньше, чем в лучших усилителях, работающих на других принципах. Наиболее широко парамагнитные усилители применяют в радиоастрономии и радиолокации для усиления слабых радиосигналов.

Мазеры играют важную роль в развитии науки и техники.

Мазеры открыли эру квантовой электроники. На принципах мазеров были созданы вскоре и первые квантовые генераторы света — лазеры.