Реферат студента пятого курса З/О Антонова АлександраМихайловича
Донецкий национальный университет
Донецк, 2009
Введение.
Мазер(англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны. Егоназвание — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденногоизлучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation) — былопредложено в 1954 году американцем Ч. Таунсом, одним из его создателей. КромеТаунса к открытию непосредственного принципа работы квантового генераторапричастны 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 былаприсуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в областиквантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанныхна принципе лазера — мазера». Изначально, после изобретения, считалось, чтомазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, чтонекоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромныхгазовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия длягенерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазерыиспользуются в технике (в частности, в космической связи), в физическихисследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.
БасовНиколай Геннадиевич (1922 г.р.), российский физик, один из основоположниковквантовой электроники. В 1954 г. совместно с А.М.Прохоровым создал первыйквантовый 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 квантовойэлектроники.
ПрохоровАлександр Михайлович (1916 г.р.), российский физик, один из создателейквантовой электроники. В 1954 г. совместно с Н.Г.Басовым создал первыйквантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал надсозданием 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 пофизике
Историюсоздания мазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути клазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излученияпри его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагалаиспользование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, послеокончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и наоснове своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощивынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором подрубрикой “Предмет изобретения” записано: “ Способ усиления электромагнитныхизлучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийсятем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощьювспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению сравновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхнихэнергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.
Первоначальноэтот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, аточнее 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 созданияусилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его “молекулярным генератором”(предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременнопредложение об использовании вынужденного испускания для усиления игенерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете вСША американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо иодновременно 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” врезультате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой)буквой “L” (начальная буква слова Light – свет). В основе работы как мазера, таки лазера лежит один и тот же принцип – принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке итехнике. Вначале его назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называтьквантовой электроникой.
Принципработы мазеров имеет много общего с работой лазеров. Главный процесс — вынужденноеизлучение возбужденных молекул — протекает в отличие от лазерного не воптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ. Схематически мазер показан на рис. 1.Пучок молекул аммиака из источника 1 влетает в селектор 2, в котором происходитразделение молекул.
/>
Рис.1 — Принцип устройства мазера.
Вкачестве селектора большей частью применяют так называемый квадрупольныйконденсатор, который состоит из четырех параллельных металлических стержней сразноименным зарядом, создаваемым напряжением 20-30 кВ (рис. 2). Внутривозникает неоднородное электрическое поле, причем на продольной (вдольстержней) оси симметрии конденсатора поле отсутствует. В молекулярном пучке, поступающемв конденсатор, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая частьв невозбужденном. Возбужденные молекулы имеют электроны на более высокихэнергетических уровнях.
/>
Рис.2 — Взаимное расположение стержней в квадрупольном конденсаторе.
Электрическоеполе квадрупольного конденсатора действует на молекулы так, что возбужденныемолекулы собираются на оси конденсатора, а невозбужденные отклоняются от оси. Врезультате из квадрупольного конденсатора в объемный резонатор 3 попадает пучоквозбужденных молекул. Объемный резонатор представляет собой колебательнуюсистему в виде некоторой плоскости, ограниченной проводящими стенками. Такойрезонатор в зависимости от размеров обладает обычно несколькими резонанснымичастотами. В квантовом генераторе резонатор настроен на частоту, соответствующуюпереходу возбужденных молекул в основное, невозбужденное состояние. Тогда потокмолекул, в которых осуществляется такой переход, излучает электромагнитныеволны, возбуждающие и поддерживающие колебания в резонаторе. Энергия этихколебаний отбирается через вывод 4 резонатора.
Молекулярныйгенератор на аммиаке создает колебания с частотой 23, 87 ГГц, что соответствуетдлине волны примерно 1, 25 см. Мощность такого генератора очень мала исоставляет />Вт.Главная особенность молекулярного генератора на аммиаке — высокая стабильностьчастоты. Относительная нестабильность частоты за несколько часов работы непревышает />.Подобный генератор может быть использован в качестве стандарта частоты.
Ещёболее высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке атомов водорода. Онотличается от генератора на аммиаке тем, что для селекции возбужденных иневозбужденных атомов используется неоднородное магнитное поле, а неэлектрическое. Это объясняется наличием у атомов водорода некоторойнамагниченности. Неоднородное магнитное поле прижимает к оси возбужденные атомыводорода и отклоняет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонаторвлетают возбужденные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора вневозбужденное состояние, генерируют электромагнитные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор. Относительная нестабильность частоты водородногогенератора может быть />. Мощность не превышает />Вт. Аналогичноводородному работает генератор на атомах цезия. Молекулярные и атомныеквантовые генераторы применяются для точного отсчета времени — в молекулярных иатомных часах.
/>Рис.3Водородный мазер.
Впервоначальном мазере, созданном в 1954 г. Джеймсом Гордоном, Цайгером и Таунсом, использовались вибрации молекул аммиака для получения микроволновыхколебаний точно определенной частоты.
Вследза этим Николас Бломберген из Гарвардского университета наметил практическийпуть построения так называемого 3-уровневого твердого мазера для использованияего в качестве микроволнового усилителя с низким уровнем шумов.
Первыймазер такого типа был построен в лаборатории компании Bell TelephoneLaboratories Джорджем Фехером, Сковилом и Зайделем, и затем былосконструировано много других. Радиоастрономы нашли их особенно ценными дляусиления очень слабых радиосигналов из космоса.
/>
Наэтом рисунке процесс индуцированного излучения (внизу), являющийся основойдействия мазера, сопоставляется с поглощением (наверху) и спонтанным излучением(в середине). Если атом в основном состоянии (черный кружок слева вверху)поглощает фотон (волнистая пунктирная стрелка), то он возбуждается илипереходит в более высокое возбужденное состояние (белый кружок справа вверху).Возбужденный атом (в середине слева) может излучить затем энергию спонтанно, эмитируяфотон и возвращаясь в основное состояние (справа в середине). Возбужденный атом(слева внизу) может также быть вынужден к эмиссии фотона, если он испытает ударфотона, пришедшего со стороны. Таким образом, в дополнение к вынуждающемуфотону теперь имеется второй фотон той же самой длины волны (справа внизу), иатом возвращается в основное состояние.
Индуцированноеизлучение, представляющее собой основу действия мазера, является обратнымпроцессом по отношению к поглощению электромагнитных волн или фотонов атомнымисистемами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона переходит вовнутреннюю энергию атома. Атом в этом случае переходит в возбужденное квантовоесостояние. Позднее он может спонтанно излучить эту энергию, эмитируя фотон ивозвращаясь в основное или в некоторое иное промежуточное состояние. Впродолжение периода, когда атом еще возбужден, он может быть вынужденэмитировать фотон, если этот возбужденный атом испытает соударение с фотоном, имеющимв точности энергию фотона, который был бы испущен атомом спонтанно. Врезультате пришедший со стороны фотон или волна получают приращение за счетфотона от данного возбужденного атома. Наиболее важным и примечательнымявляется то, что волна после ее испускания находится точно в той же фазе, что ипервоначальная волна, обусловившая испускание вторичной. Это явление — наиболеесущественный момент самого принципа мазера.
Основнойзадачей при проектировании мазера является создание активной среды, в которойбольшинство атомов может быть приведено в возбужденное состояние, так чтоэлектромагнитная волна соответствующей частоты, проходящая через нее, обусловитцелую лавину фотонов. Для того чтобы вынужденное излучение доминировало надпоглощением, должен быть обеспечен избыток возбужденных атомов. Атомыприводятся возбужденное состояние путем впуска в систему электромагнитнойэнергии с длиной волны, отличающейся от наведенной волны; процесс активацииназывается подкачкой. Коль скоро активная среда приготовлена, она может бытьзаключена в зеркальный ящик или полый резонатор. Тогда волна, начавшаяся уодной из стенок ящика, будет расти по амплитуде, пока не достигнет другойстенки, где она отразится обратно, в массу возбужденных атомов. На стенкахнеизбежны потери вследствие неидеального отражения. Если усиление вследствиевынужденного излучения достаточно велико для перекрывания этих отражательныхпотерь, в ящике установится стоячая волна. В сантиметровом диапазоне нетруднопостроить ящик, имеющий размеры длины волны и спроектированный таким образом, чтоустановится волна лишь одного определенного вида. Каждый вид колебанийсоответствует выходной частоте; добавочные типы колебаний обусловливаютдополнительные частоты, или шум, и конкурируют с желаемым типом колебаний, отнимаяэнергию от источника, возбуждающего атомы.
/>
Атомыхрома (черные кружки) в кристалле рубинового мазера закачиваются на болеевысокие энергетические уровни и затем вынуждаются к эмиссии фотонов, образующихмазерный луч Атомы в основном состоянии (а) поглощают фотоны (волнистыестрелки), которые накачивают их на одну из двух энергетических полос (б) Атомыотдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят наметастабильный энергетический уровень (в) Под действием фотонов от другихатомов хрома они излучают фотоны характерной длины волны и переходят в основноесостояние (г).
/>
Предложениеоб использовании доплеровского преобразования частоты излученияэлектронов-осцилляторов, перемещающихся с релятивистской поступательнойскоростью /> /> породилонесколько классов когерентных и квазикогерентных источников электромагнитныхволн в диапазоне />см. Соответствующие источникикогерентного излучения – лазеры и мазеры на свободных электронах (ЛСЭ и МСЭ)-обеспечивают излучене с импульсной мощностью порядка 10000 Вт на волне 3, 4 мкми />Вт наволнах от 1см до 0, 4 мм. Однако ЛСЭ и МСЭ, использующие в качестве инжекторовсильноточные электронные ускорители из-за отсутствия или несовершенства системобратной связи обладали до сих пор низкой эффективностью и низкой степеньюкогерентности сигнала.
Основнаятрудность в создании электродинамических систем, адекватных сильноточным МСЭ иЛСЭ заключается в необходимости одновременно удовлетворить требованиям, чтобытакая система обеспечивала селективное возбуждение моды, образованной потокомлучей, которые распространялись бы под малым углом /> к поступательной скорости частиц: /> и моглабы транспортировать интенсивный электронный поток. Решением проблемы можетслужить использование высокоселективных резонаторов в виде отрезкаметаллического волновода с гофрированной боковой стенкой, где при брэгговскомусловии:
/>
реализуетсярезонансное рассеяние волн.
Нарядус совершенствованием электродинамических систем развитие МСЭ и ЛСЭ должно включатьв себя и совершенствование активного вещества. Каждому типу инжекторов икаждому частотному диапазону должен соответствовать свой наиболее удобныйспособ придания электронам осцилляторного движения. Пока же в качествеосцилляторов используют электроны, колеблющиеся с баунс-частотой /> /> в периодическоммагнитном поле. МСЭ и ЛСЭ соответствующего типа – убитроны – весьма перспективныдля продвижения в оптической, а возможно и в более коротковолновые диапазоны.Что же касается относительно длинных волн, то здесь наиболее привлекателенмазер на циклотронном авторезонансе (МЦАР), где электроны, вращающиеся счастотой /> воднородном магнитном поле взаимодействуют с волной, фазовая скорость которой /> близка кскорости света. В таких условиях, близких к авторезонансу, отклонение частиц отсинхронизма с волной, вызванные изменением их энергий и поступательныхскоростей, почти полностью компенсируют друг друга: />. Благодаря этому МЦАР, согласнотеории, должен обладать более высоким КПД и быть менее чувствительным(адаптивным) к начальному разбросу скоростей электронов, чем другие МСЭ и ЛСЭ.
Дляпроверки изложенных соображений была рассчитана на основе нелинейной теорииконструкция, в которой изменением параметров ускорителя и электронно-оптическойсистемы можно было реализовать как режим убитрона, так и режим МЦАР. Трубчатыйэлектронный пучок имел диаметр 6 мм, энергию частиц 350-600 кэВ, ток 0, 4-1, 0кА и длительность 100 нс. Для уменьшения разбросов поперечных скоростей частиц /> и радиусов ихведущих центров /> использовался двойной катод, помещённыйв магнитное поле той же величины, что и на участке взаимодействия. Накачкаосцилляторной энергии в пучок производилась пространственно- модулированныммагнитным полем с периодом D=2 cм. Модуляция осуществлялась вытеснением поляимпульсного соленоида системой медных колец, имеющих радиальные разрезы. Такаяконструкция отличается от широко применяемых систем сплошных колец тем, что неприводит к снижению продольного поля. В МЦАР использовались 3 кольца, вубитроне 12 колец.
РезонаторМСЭ представляет собой отрезок цилиндрического волновода кругового сечения сдвумя брэгговскими зеркалами- периодически гофрированными участками, разделённымигладким участком. В качестве рабочей была выбрана волна /> с фазовой скоростью 0, 97с;коэффициэнты отражения волны от гофрированных участков составляют 0, 9.Излучение выводится дифракционным способом.
Частотаизлучения определялась полосовыми фильтрами. Идентификация моды проводилась наоснове диаграммных и поляризационных измерений. Мощность измеряласьполупроводниковыми датчиками на горячих носителях, к которым излучениепоступало по калиброванному тракту, образованному выходным волноводом, приемнымрупором и участком волновода сечением 3, 6*1, 8 мм.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта referat.ru/