Введение
Устройство для генерации когерентных ЭМ-волн в невидимом спектре
Мазер – это устройство, которое генерирует когерентные электромагнитные волны (микроволны) посредством усиления вынужденным излучением. Термин является акронимом для усиления микроволн вынужденным излучением. Первый мазер, предложенный Джозефом Вебером, был создан Чарльзом Х. Таунсом, Джеймсом П. Гордоном и Гербертом Дж. Зейгером в Колумбийском университете в 1953 году. Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году за теоретические работы, приведшие к созданию мазера. Мазеры используются в качестве точного измерителя времени в атомных часах, а также в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах и наземных станциях связи с космическими аппаратами дальнего космоса. Современные мазеры могут быть разработаны для генерации электромагнитных волн на микроволновых, радио- и инфракрасных частотах. По этой причине Таунс предложил заменить слово "микроволновый" на "молекулярный" в качестве первого слова в акрониме "мазер". Лазер работает по тому же принципу, что и мазер, но генерирует когерентное излучение более высокой частоты в видимом диапазоне длин волн. Мазер был предшественником лазера, вдохновив теоретические работы Таунса и Артура Леонарда Шаулоу, которые привели к изобретению лазера в 1960 году Теодором Мейманом. Когда когерентный оптический генератор был впервые задуман в 1957 году, он изначально назывался "оптическим мазером". Впоследствии это название было изменено на лазер, что расшифровывается как "усиление света вынужденным излучением". Гордон Гулд считается автором этого акронима, созданного в 1957 году.
История
Теоретические принципы работы мазера были впервые описаны Джозефом Вебером из Университета Мэриленда, Колледж-Парк, на Конференции по исследованию электронных ламп в июне 1952 года в Оттаве, с кратким изложением, опубликованным в июне 1953 года в Transactions of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices, и одновременно Николаем Басовым и Александром Прохоровым из Института физики имени П.Н. Лебедева на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии, организованной Академией наук СССР в мае 1952 года, с публикацией в октябре 1954 года. Независимо от них, Чарльз Хард Таунс, Джеймс П. Гордон и Х.Дж. Зейгер построили первый аммиачный мазер в Колумбийском университете в 1953 году. В этом устройстве использовалось вынужденное излучение в потоке возбужденных молекул аммиака для создания усиления микроволн на частоте около 24,0 гигагерц. Позже Таунс работал с Артуром Л. Шаулоу над описанием принципа оптического мазера, или лазера, первую рабочую модель которого создал Теодор Х. Мейман в 1960 году. За исследования в области вынужденного излучения Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году.
Технология
Мазер основан на принципе стимулированного излучения, предложенном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Когда атомы переводятся в возбужденное энергетическое состояние, они могут усиливать излучение на частоте, характерной для используемого в качестве активной среды элемента или молекулы (подобно тому, как это происходит в лазерной среде лазера). Размещение такой усиливающей среды в резонаторе создает обратную связь, способную генерировать когерентное излучение.
Развитие XXI века
В 2012 году исследовательская группа из Национальной физической лаборатории и Имперского колледжа Лондона разработала мазер на твердом теле, работающий при комнатной температуре, с использованием в качестве активной среды оптически накачиваемого п-терфенила, легированного пентаценом. Он генерировал импульсы мазерного излучения длительностью в несколько сотен микросекунд. В 2018 году исследовательская группа из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона продемонстрировала генерацию непрерывных мазерных колебаний с использованием синтетических алмазов, содержащих дефекты вакансий азота.
Применение
Мазеры служат высокоточными эталонами частоты. Эти "атомные стандарты частоты" – одна из многих форм атомных часов. Мазеры также использовались в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радиотелескопах, хотя в значительной степени были заменены усилителями на основе полевых транзисторов (FET). В начале 1960-х годов в Лаборатории реактивного движения был разработан мазер для обеспечения сверхнизкого усиления микроволновых сигналов S-диапазона, принимаемых от космических зондов дальнего космоса. Этот мазер использовал глубоко охлажденный гелий для охлаждения усилителя до температуры 4 Кельвина. Усиление достигалось возбуждением рубинового резонатора клистроном частотой 12,0 гигагерц. В первые годы на охлаждение и удаление примесей из водородных линий уходили дни. Охлаждение осуществлялось в два этапа: с помощью крупной установки Linde на земле и компрессора с кривошипно-шатунным механизмом внутри антенны. Окончательная инжекция проводилась через микрометрически регулируемое входное отверстие в камеру. Температура шума всей системы при наблюдении холодного неба (2,7 Кельвина в микроволновом диапазоне) составляла 17 Кельвинов. Это обеспечивало настолько низкий уровень шума, что космический зонд Mariner IV мог передавать неподвижные изображения с Марса на Землю, несмотря на то, что выходная мощность его радиопередатчика составляла всего 15 Ватт, а следовательно, общая мощность принятого сигнала составляла всего -169 дБм (децибел относительно милливатта).
Астрофизические мазеры
Мазерное стимулированное излучение также наблюдается в природе в межзвездном пространстве, и его часто называют "суперрадиационным излучением", чтобы отличать от лабораторных мазеров. Такое излучение наблюдается от молекул, таких как вода (H2O), гидроксильные радикалы (•OH), метанол (CH3OH), формальдегид (HCHO), монооксид кремния (SiO) и карбимид (HNCNH). Молекулы воды в областях звездообразования могут испытывать инверсию населенностей и излучать на частоте около 22,0 ГГц, создавая самую яркую спектральную линию во всей радио-Вселенной. Некоторые водяные мазеры также излучают при ротационном переходе на частоте 96 ГГц. Чрезвычайно мощные мазеры, связанные с активными галактическими ядрами, называются мегамазерами и превосходят по мощности звездные мазеры в миллион раз.
Терминология
С момента введения термина "мазер" его значение несколько изменилось. Изначально акроним общепринято расшифровывался как "микроволновое усиление стимулированным излучением", описывая устройства, излучающие в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Принцип и концепция стимулированного излучения впоследствии были распространены на большее число устройств и частот. Таким образом, первоначальный акроним иногда модифицируется, как предлагал Чарльз Х. Таунс.
Когда был разработан лазер, Таунс, Шаулоу и их коллеги из Bell Labs продвигали использование термина "оптический мазер", но от него в значительной степени отказались в пользу "лазера", предложенного их соперником Гордоном Гулдом. В современной практике устройства, излучающие в диапазоне от рентгеновского до инфракрасного излучения, обычно называют лазерами, а устройства, излучающие в микроволновом диапазоне и ниже, обычно называют мазерами, независимо от того, излучают они микроволны или другие частоты. Гулд изначально предлагал отдельные названия для устройств, излучающих в каждой части спектра, включая гразеры (гамма-лучевые лазеры), ксазеры (рентгеновские лазеры), увазеры (ультрафиолетовые лазеры), лазеры (видимые лазеры), иразеры (инфракрасные лазеры), мазеры (микроволновые мазеры) и разеры (радиочастотные мазеры). Большинство этих терминов, однако, не прижились, и все они, за исключением мазера и лазера, устарели (за исключением научной фантастики).