Совет 1: Что такое микроволновой мазер

На английском слово Maser - сокращение от словосочетания "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что переводится как «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». По своему действию он похож на лазер, но работает в микроволновом диапазоне.



Мазер представляет собой устройство, производящее последовательные электромагнитные волны. Впервые его изобрели физики из СССР и США Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс в 1954 г. За это они были удостоены Нобелевской премии.

Ранние модели работали за счет трехуровневой системы накачки, когда источник микроволнового излучения накачивает энергией рабочее тело излучателя. Вследствие этого атомы водорода и другие переходят на новый энергетический уровень из состояния покоя. Это сопровождается излучением в микроволновом диапазоне.


Мазер, в отличие от лазера, испускает концентрированные микроволновые пучки, а не свет. Отношение мощности полезного сигнала к мощности шума у мазера меньше, что является преимуществом. Однако по мощности он уступал лазеру.

По сути большинство мазеров до сих пор представляли собой газовые излучатели, где атомы водорода используются в качестве рабочего тела. Но стоимость таких устройств очень высока, поскольку они делаются из множества дорогих компонентов. Для работы мазера нужны были близкие к абсолютному нулю температуры и вакуум. Поэтому в течение долгого времени он мало применялся.

Позднее Марк Оксборроу с другими британскими учеными изобрели микроволновый квантовый генератор на основе твердотельных компонентов. Он создан на основе кристаллов из пентацена, работает при комнатной температуре и отличается компактными размерами. Разработчики считают, что его можно применять в радиолокации и космической связи, а также для создания квантовых компьютеров и радиотелескопов нового поколения.

Сигнал этого устройства во много раз мощнее сигнала обычного мазера. Теперь ученые работают над тем, чтобы заставить его не просто вырабатывать отдельные короткие импульсы, а работать постоянно. Также необходимо сузить охватываемый диапазон длин волн в целях дополнительного усиления.

Данный мазер работает за счет двухуровневой системы накачки: кристалл терфенила и пентацена накачивается оптическим лазером. Молекулы кристалла переходят на новый энергетический уровень, в результате синхронно излучаются фотоны в микроволновом диапазоне.


Совет 2: Как работает микроволновой мазер

Слово «лазер» и принцип действия этого устройства известно людям. Близкое по звучанию слово «мазер» известно гораздо меньше. Оно представляет собой аббревиатуру из первых букв слов английского определения «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». То есть в отличие от лазера, испускающего свет, близкий по конструкции мазер испускает микроволновые пучки.



Впервые такое устройство было разработано советскими и американскими физиками в 1954 году. Впоследствии, ученые А. Прохоров, Н. Басов и Ч. Таунс были удостоены за это Нобелевской премии.

Долгое время мазер не находил практического применения, поскольку для его работы требовались жесткие условия: вакуум и очень низкая температура (близкая к абсолютному нулю). К тому же даже при таких условиях мощность мазера была намного ниже мощности лазера. Однако недавно физики из Британской национальной физической лаборатории разработали модель мазера, который может работать при комнатной температуре и давлении.

Их работа основывалась на исследовании ученых из Японии, которые в конце 20-го века проводили опыты, облучая лазером органическое соединение пентацен. Они обнаружили, что под воздействием лазерных лучей молекулы вещества могут работать, как мазер. Поскольку японских исследователей интересовал другой вопрос (рассеяние нейтронов), они не придали значения обнаруженному феномену. Британцы же, найдя описание этих экспериментов, решили добавить пентацен к другому органическому веществу, чтобы получить кристаллы, похожие на те, которые используются в лазерах. После серии неудач кристаллы требуемой формы и цвета были выделены. Исследователи вставили их в прозрачные сапфировые кольца, после чего, поместив образовавшуюся конструкцию в резонатор, облучили лазером. Полученный результат превзошел самые смелые ожидания.

Лазерный луч привел молекулы пентацена в возбужденное (нестабильное) состояние. При обратном переходе молекул в стабильное состояние образовался поток микроволн в виде луча, который по интенсивности неизмеримо превосходил лучи, генерируемые прежними моделями мазера. «Полученный сигнал был в сто миллионов раз мощнее, чем у существующих мазеров», - говорил физик Марк Оксборроу, под руководством которого проводились эти эксперименты. Устройство, полученное британцами, исключительно перспективно, хоть и требует больших усилий по доработке. Сейчас мазер Оксборроу генерирует лишь очень кратковременные импульсы, причем широкого диапазона волн. Если удастся заставить его работать постоянно, к тому же в более узком волновом диапазоне, мазер найдет очень широкое применение в самых разных областях науки и техники.


Видео по теме
Источники:
  • как работает микроволнов
Видео по теме
Поиск
Совет полезен?
Добавить комментарий к статье
Осталось символов: 500