Maser

Zobacz też: miejscowość Maser we Włoszech.

Maser (od ang. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie mikrofal poprzez wymuszoną emisję promieniowania) – urządzenie wytwarzające lub wzmacniające mikrofale przez zjawisko emisji wymuszonej w atomach lub cząsteczkach. Może wytwarzać wiązkę spójnych fal.

Maser to urządzenie o zasadzie działania identycznej jak laser, ale emitujące promieniowanie w zakresie mikrofal. Masery są używane jako urządzenia mierzące czas (generator wzorcowy) w zegarach atomowych, a także jako selektywne i niskoszumowe wzmacniacze mikrofalowe w radioteleskopach i stacjach naziemnych komunikacji kosmicznej.

Zainteresowania wykorzystaniem emisji wymuszonej substancji datuje się na lata 30 XX w^[1]. Korzyści, jakie podczas II wojny światowej odniesiono z użycia promieniowania mikrofalowego w radarach, skutkowały licznymi pracami nad wytwarzaniem, wzmacnianiem i detekcją mikrofal (po zakończeniu wojny). Pierwszy publiczny opis możliwości budowy urządzenia, wytwarzającego mikrofale w ośrodku, w którym wytworzy się inwersję obsadzeń, przedstawił Joseph Weber(inne języki) w Ottawie w 1952 r. – podczas konferencji poświęconej lampom elektronowym^[2]. Koncepcję uzyskania inwersji obsadzeń w gazowym amoniaku opracował Charles Townes w 1952 roku. Informacje o konstrukcji masera Townes, wraz z zespołem z New York’s Columbia University, opublikował w 1953 roku. Pierwszy na świecie maser rozpoczął działanie w 1954 r.^[3]

Ośrodkiem czynnym pierwszego masera był gazowy amoniak, którego cząsteczka ma metatrwały stan wzbudzony, z którego przejście do podstawowego odpowiada emisji promieniowania o częstotliwości 23 900 MHz. W układzie próżniowym amoniak przepływał kolejno kolejno przez sekcje: wzbudzania, separacji i emisji. Cząsteczka ta w stanie podstawowym ma większy moment dipolowy niż w stanie wzbudzonym. Energia wzbudzenia tego stanu jest znacznie mniejsza od energii cząstek w temperaturze pokojowej. Amoniak zawierający cząsteczki wzbudzone i w stanie podstawowym przechodził do separatora, którym były cztery pręty naelektryzowane w układzie kwadrupola. Cząsteczki niewzbudzone są wciągane w pole elektrostatyczne, które w układzie kwadrupolowym jest najsłabsze w środku, a silniejsze między elektrodami, w wyniku czego cząstki niewzbudzone wypadają z wiązki amoniaku. W wyniku takiej separacji uzyskiwano gaz, w którym występowała inwersja obsadzeń – czyli w stanie wzbudzonym było więcej cząsteczek niż w stanie podstawowym. W stanie inwersji liczba emisji wymuszonych jest większa od absorpcji promieniowania^[4].

Rezonator jest układem dwóch równoległych płytek, umieszczonych w takiej odległości by promieniowanie o wzbudzanej częstotliwości rezonowało w nim. Jedna z płytek ma otwór, którym wydostaje się wytwarzane promieniowanie. Pierwszy maser wytwarzał promieniowanie o częstotliwości 23,87 GHz (długość fali 1,25 cm), promieniowanie było spójne i miało bardzo mały szum w porównaniu do wytwarzanego w lampach mikrofalowych^[1].

Rosjanie Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow doszli do tego samego pomysłu co Townes mniej więcej w tym samym czasie. Dążąc do poprawienia właściwości spektroskopów mikrofalowych, zauważyli, że stosując maser uzyskują lepszy stosunek sygnału do szumu niż w tradycyjnych wzmacniaczach^[1].

Nicolaas Bloembergen usprawnił maser Townesa, a w 1956 roku skonstruował maser działający w ciele stałym, z trójpoziomowym układem wzbudzania^[5].

Gdy w 1958 roku Schawlow i Townes opublikowali propozycję optycznego masera (lasera), z trójpoziomowym układem wzbudzania, Bloembergen stwierdził, że zdawał sobie sprawę z możliwości wytworzenia maserów optycznych, ale nie miał ani laboratorium ani doświadczenia w optyce^[5].

W 1964 roku Charles Townes wraz z Nikołajem Basowem i Aleksandrem Prochorowem otrzymał Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za „fundamentalne prace w dziedzinie elektroniki kwantowej, które doprowadziły do skonstruowania oscylatorów i wzmacniaczy bazujących na zasadzie działania masera i lasera”^[6].

Zasadniczo podział maserów jest identyczny jak podział laserów. Różnice wynikają głównie z różnic w energii kwantów emitowanego promieniowania. W przypadku maserów jest to energia mniejsza od energii drgań termicznych w temperaturze pokojowej.

Niektóre typy maserów:

• maser z wiązką atomową (cząsteczkową, cząstkową) – w maserach tych czynnikiem roboczym jest wiązka atomów, cząsteczek lub cząstek. Po wzbudzeniu przechodzą przez separator pozostawiający w wiązce jedynie cząstki wzbudzone.
  • amoniakalny,
  • wodorowy,
  • na swobodnych elektronach
• gazowe – czynnikiem roboczym jest gaz
  • rubinowy
  • barwnikowy i chemiczny
• krystaliczne – czynnikiem w którym zachodzi akcja laserowa jest monokryształ,
  • półprzewodnikowe najczęściej stosuje się german i gadolin^[4]
  • rubidowy^[4]

Maser wodorowy został opracowany w 1960 roku przez amerykańskiego fizyka Normana Ramseya i jego współpracowników. W 1989 roku Ramsey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki między innymi za prace nad maserami.

W atomie wodoru w stanie podstawowym spin elektronu może być ustawiony zgodnie (równolegle) lub przeciwnie (antyrównolegle) do spinu protonu w jądrze atomowym, tworząc strukturę nadsubtelną w poziomach energetycznych wodoru. Między tymi stanami istnieje niewielka różnica energii około 10 ^-5 eV. Przejście między tymi poziomami odpowiada fali elektromagnetycznej o częstotliwości 1,42 GHz (długości 21 cm). Przejście to jest znane z radioastronomii jako linia wodoru 21 cm i jest stosowana do wykrywania międzygwiezdnego wodoru atomowego.

W maserze wodorowym fale radiowe rozbijają cząsteczki wodoru na atomy, które uformowane w wiązkę przechodzą przez separatorator magnetyczny rozdzielający atomy ze względu na ich moment magnetyczny. Do kwarcowej komory pokrytej od wewnątrz teflonem w której zachodzi akcja laserowa trafiają wzbudzone atomy wodoru, konstrukcja ścian komory ma zapobiec przejścia wodoru do stanu podstawowego w wyniku zderzenia z jej ścianami. Komora jest otoczona wnęką mikrofalową, dostrojoną rezonansowo do częstotliwości przejścia między dwoma nadsubtelnymi stanami wodoru. Promieniowanie mikrofalowe rezonujące we wnęce rezonansowej jest wzmacniane i wywołuje emisje wtórne mikrofal o tej samej częstotliwości.

Wnęka masera może emitować mikrofale tylko w wyniku emisji wymuszonej zachodzącej w niej, wówczas maser nazywa aktywnym. Wnęka może też być zasilana falami mikrofalowymi z zewnętrznego generatora synchronizowanego z promieniowaniem komory, wówczas maser określany jest jako pasywny. Maser pasywny ma mniejsze wymagania co do ilości i stanu wzbudzenia wodoru, przez co jest znacznie łatwiejszy w konstrukcji.

Masery wodorowe mogą pracować bardzo stabilnie przez lata. Czas życia stanów wzbudzonych wynosi około jednej sekundy, co powoduje bardzo wysoką dokładność częstotliwości wyjściowej; odchylenie wynosi tylko 1 Hz, dlatego masery wodorowe są używane jako precyzyjne wzorce częstotliwości w laboratoriach i zegarach atomowych. Ich doskonała stabilność częstotliwości umożliwia weryfikację ogólnych twierdzeń teorii względności, w których decydującą rolę odgrywają niewielkie różnice czasowe. W radioastronomii masery wodorowe są używane do interferometrii, gdzie wymagane jest dokładne rejestrowanie sygnałów z odległych teleskopów. Również w ocenie pomiarów radarowych w celu określenia dryfu kontynentalnego lub astronomicznych pomiarów odległości, w których muszą być zmierzone bardzo małe różnice czasowe, niezbędne są dokładne normy czasu masera wodorowego.

Każdy satelita systemu Galileo ma 4 zegary w tym dwa oparte na pasywnych maserach wodorowych i dwa rubidowe^[7].

Urządzeniem które może emitować spójne promieniowanie w zakresie od mikrofal do promieniowania rentgenowskiego jest laser na swobodnych elektronach, jego konstrukcje wytwarzające mikrofale nazywane są maserami. Lasery tego typu nie wykorzystują dyskretnych stanów elektronów w atomach lub cząsteczkach. Maser tego typu składa się z akceleratora elektronów rozpędzającego elektrony do prędkości bliskiej prędkości światła. Elektrony wpadają do urządzania, zwanego undulatorem, w którym panuje pole magnetyczne prostopadłe do kierunku ruchu elektronów o zmieniającym się cyklicznie zwrocie pola magnetycznego. Elektrony w polu magnetycznym zmieniają kierunek ruchu, czemu towarzyszy emisja promieniowania. Elektrony biegnące przez undulator cyklicznie zmieniają kierunek ruchu, z tak poruszającymi się elektronami oddziałuje promieniowanie przez nie emitowane. Promieniowanie synchroniczne do elektronów jest wzmacniane, tworząc wiązkę promieniowania elektromagnetycznego^[8].

Budowa lasera na swobodnych elektronach jest droga, dlatego konstruuje się głównie tego typu urządzenia do emisji promieniowania rentgenowskiego. W 2018 roku na świecie działało kilkadziesiąt laserów na swobodnych elektronach w tym utworzony w ramach porozumienia europejskiego w tym i Polski European XFEL^[8].

W przeszłości do nazywania urządzeń działających na zasadzie lasera, lecz pracujących w innych zakresach długości fal, proponowano użycie nazw utworzonych przez analogię do skrótów MASER i LASER, różniących się jedynie pierwszą literą lub przedrostkiem, zależnym od stosowanej długości fali. Słowo laser (od ang. skrótu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) pojawiło się w nauce później niż maser za sprawą Gordona Goulda, jednego ze współodkrywców lasera. Zaproponował on również nazwy dla analogicznych urządzeń emitujących inne długości fal: UVaser dla ultrafioletu, Xaser dla promieniowania X, graser dla promieniowania gamma, raser dla częstotliwości radiowych, oraz iraser dla podczerwieni. Spośród tych pięciu neologizmów, w nauce funkcjonował przez krótki czas jedynie raser, jednak ostatecznie upowszechniły się jedynie słowa laser i maser. Obecnie urządzenia emitujące fale o częstotliwościach mniejszych niż odpowiadające podczerwieni bywają ogólnie nazywane maserami, natomiast dla podczerwieni, światła widzialnego i wyższych zakresów częstotliwości, najczęściej stosuje się nazwę laser.

• Laser
• Zegar atomowy