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 происходит 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 (см. Лазер).
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 квадру-польного конденсатора
длиной около 10 см, на который подается напряжение 20—30 кВ (рис.). 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
невоз301
Энциклопедический словарь юного физика
Схема мазера.
Электроды квадрупольного И°Тлучка Диафрагмы | конденсатора
можно 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 (см. Лазер).
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.
Критическая величина, при которой интенсивность вынужденного испускания в
резонаторе начинает возрастать, соответствует потоку 1013 молекул в секунду.
Частота электромагнитного излучения аммиачного молекулярного генератора равна 23870
МГц (длина волны Х=1,27 см), а предельная относительная стабильность частоты линии
генерации достигает величины
-^-~10~13. На практике этого значения не удается
v
достигнуть, и обычно стабильность частоты не превышает величину ±~10_п. Высокая
стабильность частоты электромагнитных колебаний, генерируемых аммиачным мазером,
позволяет использовать его как стандарт частоты для службы точного времени.
Погрешность хода часов, стабилизированных по частоте аммиачного лазера, составляет
величину порядка 1 с за несколько тысяч лет.
Гораздо большей монохроматичностью излучения обладает мазер на атомах водорода. Его
устройство во многом аналогично устройству мазера на молекулах аммиака.
Длина волны водородного мазера составляет величину, равную 21 см, а точное значение
частоты v=l 420 405 751,7860±0,0046 Гц. Относительная погрешность этой величины
весьма мала: =3-10~12, по этой причине водородный мазер также используют как стандарт
частоты.
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, соз-даваемых
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. С их помощью впервые удалось
на практике использовать уникальные свойства вынужденного излучения для генерации
электромагнитных колебаний. На их основе созданы квантовые стандарты частоты.
Мазеры открыли эру квантовой электроники. На принципах мазеров были созданы вскоре
и первые квантовые генераторы света — лазеры.