Maser

Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - urządzenia wytwarzające lub wzmacniające promieniowanie (spójne fale elektromagnetyczne) w zakresie mikrofalowym. Maser działa na tej samej zasadzie co laser, różnicą jest zakres emitowanego promieniowania. Mechanizm masera oparty jest na zjawisku emisji wymuszonej. 

Działanie

Działanie masera polega na doprowadzeniu energii do tzw. ośrodka czynnego składającego się z określonych atomów lub jonów w taki sposób, aby przeważały w nim cząstki wzbudzone - wprowadzone na wyższym poziomie energetyczny, a co za tym idzie zdolne do emisji promieniowania. Proces ten nazywany jest pompowaniem. 

Kolejnym etapem jest doprowadzenie do układu wymuszającej emisję fali elektromagnetycznej. Energia emitowana jest w postaci kwantów promieniowania. Wymuszająca fala zostaje wzmocniona dzięki energia kwantów wypromieniowanych przez wzbudzone cząstki układu powracające do podstawowego poziomu energetycznego.

Historia

Koncepcję urządzenia na bazie amoniaku jako ośrodka czynnego opracował w 1952 roku Charles Townes. Pierwszy maser jego pomysłu rozpoczął pracę w 1954 roku. Mniej więcej w tym samym czasie Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow badając właściwości spektroskopów mikrofalowych wpadli na podobny pomysł. W 1956 roku Nicolaas Bloembergen dokonał modyfikacji konstrukcji Townesa (maser pracujące w ciele stałym z trójpoziomowym układem wzbudzania). W 1964 roku prace Townes’a, Basowa i Prochorowa uhonorowane zostały Nagrodą Nobla z fizyki (wkład w rozwój elektroniki kwantowej).

Podział maserów

Istnieje kilka typów maserów. Ich podział przebiega ze względu na typ budowy i rodzaj ośrodka czynnego.

• Masery separacyjne (wodorowy, amoniakalny, swobodnych elektronów) z tzw. wiązką atomową (cząsteczkową, cząstkową), która stanowi tu czynnik roboczy - po wzbudzeniu wiązka przepuszczana jest przez separator wyodrębniający z niej cząstki wzbudzone.
• Masery gazowe - cząsteczki gazu (amoniaku) będące czynnikiem roboczym są tutaj podgrzewane uzyskując różne energie wzbudzenia. Następnie konieczne jest oddzielenie cząstek wzbudzonych od tych w stanie podstawowym, co odbywa się podczas przepuszczania przez separator. Separator jest w tym przypadku układem elektrod wytwarzających silne pole elektrostatyczne. Cząsteczki w stanie podstawowym są tutaj odchylane, a cząsteczki wzbudzone są skupiane i kierowane do rezonatora. Tam pod wpływem fali elektromagnetycznych dochodzi do wymuszenia emisji promieniowania.
• Masery krystaliczne - czynnik roboczy stanowią monokryształy (rubinu, rutylu i korundu żelazowego), a w działaniu wykorzystywane są ich właściwości paramagnetyczne. Wzbudzenie atomów kryształu następuje w efekcie ich oziębienia (4 K), co osłabia wpływ drgań termicznych sieci krystalicznej. Najczęściej stosowany jest 3-stopniowy proces wzbudzenia: atomy paramagnetyczne mogą mieć tu trzy poziomy energetyczne. Działanie fali elektromagnetycznej (proces pompowania) o częstotliwości odpowiadającej różnicy energii między minimalnym i maksymalnym poziomem powoduje wzbudzenie części atomów do najwyższego poziomu. Doprowadzenie fali elektromagnetycznej (wzbudzającej) o częstotliwości odpowiadającej różnicy energetycznej między stanami maksymalnym a pośrednim powoduje wzbudzenie emisji kwantów promieniowania o częstotliwości odpowiadającej tejże fali, innymi słowy osiągnięte zostaje jej silne wzmocnienie. 

Zastosowanie

Masery wykorzystywane są m.in. we wstępnych stopniach wzmacniaczy mikrofalowych w radioteleskopach, urządzeniach radiolokacyjnych i komunikacji kosmicznej (masery krystaliczne), jako generatory wzorcowe w zegarach atomowych, tudzież czujniki wykrywające materiały wybuchowe.

Masery wymagają na ogół stworzenia szczególnych warunków pracy - temperatury w okolicy zera bezwzględnego, niskiego ciśnienia, silnego pola magnetycznego - stąd ich zastosowanie bywa kłopotliwe. Rozwiązaniem może być konstrukcja masera działającego w temperaturze pokojowej, bez dodatkowych uwarunkowań ciśnieniowych i magnetycznych. Tego typu maser otworzyć może nowe obszary zastosowań tych urządzeń (w tym obrazowanie medyczne, czy skanowanie bezpieczeństwa).