Мазер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны. Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью
вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation) — было предложено в 1954 году американцем Ч. Таунсом, одним из его создателей. Кроме Таунса к
открытию непосредственного принципа работы квантового генератора причастны советские учёные А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, а также американцы Дж. Вебер, Д. Гордон и Х. Цейгер. В
1964 г
Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники,
которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера — мазера». Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако
позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для
генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые
генераторы стандартной частоты.
Басов Николай Геннадиевич (
1922 г
- р.), российский физик, один из основоположников квантовой электроники. В
1954 г
- совместно с А.М.Прохоровым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В
1955 г
- предложил трехуровневую схему для создания инверсного состояния в квантовых системах. В
1964 г
удостоен Нобелевской премии по физике за фундаментальную работу в области квантовой электроники.
Прохоров Александр Михайлович (
1916 г
- р.), российский физик, один из создателей квантовой электроники. В
1954 г
- совместно с Н.Г.Басовым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал над созданием квантовых
парамагнитных усилителей СВЧ-диапазона. В
1958 г
- предложил в качестве резонатора квантового генератора использовать открытый резонатор. В
1964 г
- за фундаментальные работы в области квантовой электроники
удостоен Нобелевской премии по физике
Оптические квантовые генераторы (2)
... существующих оптических квантовых генераторов охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, примыкающей к миллиметровым волнам. Аналогично квантовому генератору в радиодиапазоне оптический квантовый генератор состоит ... Строгая и наиболее полная теория открытых резонаторов дана в работах Л.А.Вайв-штейна.* Наглядный метод расчета типов колебаний в открытых ...
Историю создания мазера следует начинать с
1917 г
- , когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг
сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в
1939 г
- на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество.
Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант
вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в
1951 г
- (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту
заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения” записано: “
Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение
пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на
верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.
Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ
диапазоне).
В мае
1952 г
- на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики
( ныне академики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его
“молекулярным генератором” (предполагалось использовать пучок молекул аммиака).
Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и
генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В
1954 г
- молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух
точках земного шара — в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США
( группой под руководством Ч. Таунса).
В последствии от термина “мазер” и произошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова
Microwave
- микроволновой) буквой “
” (начальная буква слова
Light
- свет).
В основе
работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип –
принцип, сформулированный в
1951 г
- В.А. Фабрикантом. Появление мазера
означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его
назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.
Излучения в производстве и защита от них
... переполнение кровеносных сосудов кровью и усиление обмена веществ. Длинноволновые инфракрасные излучения поглощаются слезой и поверхностью роговицы ... первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом ... облучения в диапазоне длины волн от 700 до 3000 нм. Граница регистрации количества излучения 500 Вт*мин/м 2 ...
Принцип работы мазеров имеет много общего с работой лазеров. Главный процесс — вынужденное излучение возбужденных молекул — протекает
в отличие от лазерного не в оптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ. Схематически мазер показан на рис. 1. Пучок молекул аммиака из источника 1 влетает в селектор 2, в котором
происходит разделение молекул.
Рис. 1 — Принцип устройства мазера.
В качестве селектора большей частью применяют так называемый квадрупольный конденсатор, который состоит из четырех параллельных
металлических стержней с разноименным зарядом, создаваемым напряжением 20-30 кВ (рис. 2).
Внутри возникает неоднородное электрическое поле, причем на продольной (вдоль стержней) оси
симметрии конденсатора поле отсутствует. В молекулярном пучке, поступающем в конденсатор, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая часть в невозбужденном.
Возбужденные молекулы имеют электроны на более высоких энергетических уровнях.
Рис. 2 — Взаимное расположение стержней в квадрупольном конденсаторе.
Электрическое поле квадрупольного конденсатора действует на молекулы так, что возбужденные молекулы собираются на оси конденсатора, а
невозбужденные отклоняются от оси. В результате из квадрупольного конденсатора в объемный резонатор 3 попадает пучок возбужденных молекул. Объемный резонатор представляет собой
колебательную систему в виде некоторой плоскости, ограниченной проводящими стенками. Такой резонатор в зависимости от размеров обладает обычно несколькими резонансными частотами. В
квантовом генераторе резонатор настроен на частоту, соответствующую переходу возбужденных молекул в основное, невозбужденное состояние. Тогда поток молекул, в которых осуществляется
такой переход, излучает электромагнитные волны, возбуждающие и поддерживающие колебания в резонаторе. Энергия э…
