Мазер, принцип работы, типы мазеров.
Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).
Мазер, принцип работы:
Мазер (англ. maser) – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).
Мазер – это сокращенное название данного устройства, образованное по первым буквам слов фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе с английского языка означает «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
По принципу своего действия мазер похож на лазер, но работает только в микроволновом диапазоне.
В стандартных условиях атомы и молекулы вещества находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой. При этом, чем выше энергия возбужденного состояния атома или молекулы, тем меньше количество атомов и молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Для создания вынужденного излучения атомов и молекул вещества, его необходимо поместить в неравновесную среду, в которой количество возбужденных атомов или молекул больше, чем невозбужденных. Возбужденные атомы или молекулы имеют электроны на более высоких энергетических уровнях. При переходе с возбужденного состояния (уровня), т.е. с более высокого энергетического уровня, на более низкий уровень, т.е. в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние атом или молекула испускают фотон – квант электромагнитного излучения. Однако в одних случаях имеет место спонтанное излучение, а в других – вынужденное. При вынужденном излучении возникшая электромагнитная волна распространяется в том же направлении, что и первоначальная индуцирующая волна, частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны, вынужденный поток когерентен возбуждающему.
Исторически первыми были созданы мазеры. Их создание открыло эру квантовой электроники. Впоследствии на принципах работы мазеров были созданы и квантовые генераторы света — лазеры.
Типы мазеров:
По типу активной среды, в которой происходят квантовое усиление и генерация электромагнитных волн, мазеры делятся на два типа:
– молекулярные генераторы – мазеры, использующие молекулярные пучки. В данном типе мазеров активную среду создают путем искусственной сортировки из пучка молекул вещества только тех молекул, которые находятся в возбужденном состоянии. Отсортированный пучок молекул, находящихся в возбужденном состоянии, попадает в объемный резонатор, где происходит накопление возбужденных молекул. В резонаторе возбужденные молекулы при переходе в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние испускают квант электромагнитного излучения сантиметрового диапазона, которое передают полю резонатора. Резонатор настроен таким образом, чтобы резонансная частота резонатора равнялась частоте электромагнитного излучения, испускаемого возбужденной молекулой при переходе в основное состояние. Поэтому такой резонатор способен длительнее время поддерживать электромагнитные колебания, возбужденные в резонаторе, на частоте резонанса.
К числу молекулярных генераторов относятся мазеры, работающие на аммиаке и водороде. Длина волны аммиачного мазера составляет 1,27 см, водородного мазера – 21 см. Их основное применение в качестве стандартов времени и частоты;
– парамагнитные генераторы и усилители – мазеры, использующие в качестве активной среды парамагнитные кристаллы. Активная среда в этих мазерах представляет собой парамагнитный кристалл (например, кристалл рубина), который размещается в резонаторе. В отличие от резонатора в молекулярном генераторе, резонатор парамагнитного генератора имеет две резонансные частоты: частоту излучения накачки и частоту усиления. Переход молекул кристалла в возбужденное состояние осуществляется в результате поглощения кристаллом электромагнитного излучения накачки, длина волны которого меньше длины волны усиления, а усиление возбужденного состояния – путем помещения кристалла вместе с резонатором в постоянное магнитное поле, регулировкой которого можно изменять энергетический уровень возбужденных молекул или атомов. При переходе возбужденных молекул вещества в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние они испускают квант электромагнитного излучения сантиметрового диапазона, которое сообщают полю резонатора.
Парамагнитные генераторы и усилители способны генерировать волны длиной от 1 до 100 см.
Важнейшее свойство парамагнитных генераторов и усилителей – очень низкий уровень шума, в 100 раз меньше, чем в усилителях, работающих на иных принципах. Поэтому парамагнитные генераторы и усилители нашли свое применение в радиоастрономии и радиолокации для усиления слабых радиосигналов.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com