Мазеры

Квантовые генераторы диапазона СВЧ (сантиметровые и миллиметровые волны) в отличие от лазеров называют мазерами. Это название происходит от тех же буржуйских слов, что и "лазер", только вот первое слово не light, а microwave, что переводится, как микроволны. Исторически в квантовой электронике первым был именно квантовый генератор СВЧ, работавший с активной средой в виде пучка молекул аммиака NH₃. Такой генератор был впервые построен Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1954 г., а также независимо от них америкосом Ч. Таунсом с сотрудниками. Мазер на аммиаке применяется и в настоящее время.

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 кондера поле отсутствует. В молекулярном пучке, поступающем в кондер, часть молекул находится в возбужденном состоянии, а другая часть в невозбужденном. Возбужденные молекулы имеют электроны на более высоких энергитических уровнях.

Рис. 2 - Взаимное расположение стержней в квадрупольном конденсаторе

Электрическое поле квадрупольного кондера действует на молекулы так, что возбужденные молекулы собираются на оси кондера, а невозбужденные отклоняются от оси. В результате из квадрупольного кондера 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. Энегия этих колебаний отбирается через вывод 4 резонатора.

Молекулярный генератор на аммиаке создает колебания с частотой 23,87 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1,25 см. Мощность такого генератора очень мала и составляет 10^-9-10^-10 Вт. Главная особенность молекулярного генератора на аммиаке - высокая стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты за несколько часов работы не превышает 10^-10. Подобный генератор может быть использован в качестве стандарта частоты.

Ещё более высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке атомов водорода. Он отличается от генератора на аммиаке тем, что для селекции возбужденных и невозбужденных атомов используется неоднородное магнитное поле, а не электрическое. Это объясняется наличием у атомов водорода некоторой намагниченности. Неоднородное магнитное поле прижимает к оси возбужденные атомы водорода и отклоняет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонатор влетают возбужденные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора в невозбужденное состояние, генерируют электромагнитные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор. Относительная нестабильность частоты водородного генератора может быть 10^-13-10^-15. Мощность не превышает 10^-9 Вт. Аналогично водородному работает генератор на атомах цезия. Молекулярные и атомные квантовые генераторы применяются для точного отсчета времени - в молекулярных и атомных часах.