高低兩能態粒子布居數反轉的原子（或分子、離子等）系統受微波輻射場激勵時，受激態原子齊同作共振發射躍遷，產生的微波放大。簡稱微波激射放大或量子放大，英文縮寫為 Maser。如果放大的能量能補償系統的損耗，那么將產生振盪。為此建立的裝置稱為微波激射放大器或振盪器。
基本介紹
- 中文名：微波受激發射放大
- 外文名：無
- 裝置：稱為微波激射放大器或振盪器。
- 包括：高低兩能態粒子
創始實驗,
創始實驗
原子系統自發的低度非相干受激發射，早為人們所知。在實驗室得到完全相干的受激發射是物理學實驗上的突破。1954年，C.H.湯斯和他的同實驗者（中國學者王天眷參與了此項研究）成功地獲得了氨分子微波激射放大和振盪，裝置按理論預卜運轉，遂命名為 "Maser"。蘇聯的Η.Γ.巴索夫和A.М.普羅霍羅夫也在差不多同時獨立研製了同樣的微波激射器。湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫於1964年共同獲得諾貝爾物理學獎。
因碰撞和動態熱平衡，在室溫下高低兩能態的氣體分子數依玻耳茲曼分布律分布（見玻耳茲曼統計），此時低態分子數多於高態分子數，當加上與兩能態間共振躍遷相應頻率的輻射場時，只能觀察到吸收線，若要產生髮射，必須使高能態上的分子數多於低能態的，即實現布居數反轉。氨分子束激射器實驗布置如圖1a所示。分子束系統密封在高真空包殼內，氨分子通過束源的一束細管，產生分子束，射入選態焦聚器，此器件由四條圓柱形高壓電極組成，其截面如圖1b所示。它的軸心和束軸平行，圓柱電壓正負相間，柱的間隙中有不均勻電場存在，其強度隨離軸心距離的增大而增高。氨3-3線的分子(帶有電偶極矩)通過焦聚器的電場,場強越高，高能態分子的能量就越高，因此受到拉近電極軸心的焦聚力而會聚，低能態分子則受到相反的力而散失。分子束經焦聚器後，從一端圓孔注入圓柱形的微波諧振腔內，腔為TM模，將諧振頻率調到3-3線的共振躍遷頻率即 23870MHz時，如受微弱場激勵，就產生受激發射（激射）放大。譜線很窄，線寬僅為吸收線的十分之一。且噪聲極小，僅有量子的散粒噪聲。因放大能量來自量子作用，故稱量子放大。如增加束強，量子能量超過腔內的損耗，則系統在無微波能量輸入時，就能維持運轉，即產生振盪，振盪後譜線頻率純度極高（相干性極高），準確度達10-11，這主要是由分子躍遷的穩定特性決定的。 兩能態分子的激射也能在甲醛(CH2O)分子轉動能態躍遷中實現，於 28975MHz中可分辨10～23kHz的超精細分裂。
順磁和核磁共振的激射 含過渡元素離子、 F色心、自由基等的順磁固體中,存在不成對電子,其磁矩為－μe（見順磁性）。在恆磁場B0中，自旋同磁場平行的態為激發態自旋同磁場反平行的態為基態，兩能態的能量差為μeB0，在系統與環境溫度平衡後，基態電子的布居數大於受激態,如以共振頻率v=μeB0/h的脈衝電磁場激勵(h為普朗克常數)，脈衝寬度合適，就可產生能態布居數反轉，再引入共振信號，就能產生固體兩能態電子順磁共振的激射。要使能態上的粒子布居數反轉，也可將激勵連續波經適當的速率(慢於電子自旋旋進的角速率)循一方向掃頻，頻率掃經共振頻率時實現；或將所加的磁場倒轉來實現；從而得到激射。
如將含質子（氫原子核）的樣品替代順磁固體，安置於恆磁場中，則質子將與電子相似,產生核磁共振,也可得到激射，它的頻率在射頻頻帶，只為電子順磁共振的。含質子的樣品一般為液體,可先將液體流經一前置磁場中極化,再經一反向的實驗（第二）磁場,產生激射，這就是液體的激射器。
三能態、四能態固體順磁共振激射 含過渡元素離子的順磁晶體，電子自旋和軌道運動耦合，在磁場作用下，將呈現不等距三能態,如圖2中紅寶石 (CrAlO3)的鉻離子（Cr3+）的能態圖，E3>E2>E1，E1、E2、E3的布居數為n1、n2、n3，按玻耳茲曼分布時n1>n2>n3。如在樣品系統上加以頻率為的激勵電磁場，可使布居數發生變化，並使n婭>n2，這程式稱抽運或泵,此時系統可在的頻率上產生激射。經此激射後，又將E3上的粒子轉移到E2上，使得n娦>姈，又產生頻率為的級聯激射。 其他晶體,如含Cr3+的K3CO、Cr(CN)6及含Gd3+(釓)的 GdLa(C2H5SO4)·9H2O晶體，也可產生三能態順磁共振激射。兩能態激射器須脈衝抽運才能運轉，三能態激射器可連續運轉，較為有用。
順磁晶體四能態系統的各式抽運和激射機制表示見圖3。圖3a表示以為抽運頻率，可產生和的激射。圖3b表示以為抽運頻率，可產生的激射。若如圖3c, 以為抽運頻率，可產生的激射。 行波激射 腔式固體三能態激射器可連續運轉，但頻寬較窄，而頻寬與增益成反比，如要擴大系統的頻寬，則須降低激射增益,而減小系統的聲噪比,因此不能發揮激射低噪聲的優越性。行波激射放大系統有頻寬寬、噪聲低的優點，這系統用紅寶石作活性材料，切割成長片，加以磁場，縱向地安放在矩形波導管中的一側，波導一端單向輸入抽運頻率為vp（高頻）的微波功率，它向前行進時對紅寶石的能態起抽運作用,使與運轉頻率v相應的兩能態布居數反轉,可誘使頻率為v的激射放大波向另一端單向輸出，波導管上放置梳形慢波結構，以延緩微波行進波速，提高運轉效率，同時也可用於激射器的頻率調諧，達到良好的行波激射放大。
分子譜線的準確測量 吸收譜線一般比較寬，譜線超精細結構(見原子光譜的超精細結構)比較複雜，無法分辨，自氨受激發射運轉後，因激射線比吸收線狹窄很多（線寬僅為7kHz），就可將系統用作高分辨譜儀，將氨分子3－3線的超精細衛星線顯示得十分清晰。通過精確測量,算出極準確的分子結構常數,得到N－H鍵的長度為1.014┱, N－H鍵和分子對稱軸的夾角為67°58┡；1H和1H的自旋相互作用能量為27.7kHz，式中gH為質子的朗德g因子，μN為核磁子,r為質子和質子間的距離。氮核電四極矩eQN（e為電子電荷的絕對值）和周圍電場梯度q的耦合常數的平均值為
因碰撞和動態熱平衡，在室溫下高低兩能態的氣體分子數依玻耳茲曼分布律分布（見玻耳茲曼統計），此時低態分子數多於高態分子數，當加上與兩能態間共振躍遷相應頻率的輻射場時，只能觀察到吸收線，若要產生髮射，必須使高能態上的分子數多於低能態的，即實現布居數反轉。氨分子束激射器實驗布置如圖1a所示。分子束系統密封在高真空包殼內，氨分子通過束源的一束細管，產生分子束，射入選態焦聚器，此器件由四條圓柱形高壓電極組成，其截面如圖1b所示。它的軸心和束軸平行，圓柱電壓正負相間，柱的間隙中有不均勻電場存在，其強度隨離軸心距離的增大而增高。氨3-3線的分子(帶有電偶極矩)通過焦聚器的電場,場強越高，高能態分子的能量就越高，因此受到拉近電極軸心的焦聚力而會聚，低能態分子則受到相反的力而散失。分子束經焦聚器後，從一端圓孔注入圓柱形的微波諧振腔內，腔為TM模，將諧振頻率調到3-3線的共振躍遷頻率即 23870MHz時，如受微弱場激勵，就產生受激發射（激射）放大。譜線很窄，線寬僅為吸收線的十分之一。且噪聲極小，僅有量子的散粒噪聲。因放大能量來自量子作用，故稱量子放大。如增加束強，量子能量超過腔內的損耗，則系統在無微波能量輸入時，就能維持運轉，即產生振盪，振盪後譜線頻率純度極高（相干性極高），準確度達10-11，這主要是由分子躍遷的穩定特性決定的。 兩能態分子的激射也能在甲醛(CH2O)分子轉動能態躍遷中實現，於 28975MHz中可分辨10～23kHz的超精細分裂。
順磁和核磁共振的激射 含過渡元素離子、 F色心、自由基等的順磁固體中,存在不成對電子,其磁矩為－μe（見順磁性）。在恆磁場B0中，自旋同磁場平行的態為激發態自旋同磁場反平行的態為基態，兩能態的能量差為μeB0，在系統與環境溫度平衡後，基態電子的布居數大於受激態,如以共振頻率v=μeB0/h的脈衝電磁場激勵(h為普朗克常數)，脈衝寬度合適，就可產生能態布居數反轉，再引入共振信號，就能產生固體兩能態電子順磁共振的激射。要使能態上的粒子布居數反轉，也可將激勵連續波經適當的速率(慢於電子自旋旋進的角速率)循一方向掃頻，頻率掃經共振頻率時實現；或將所加的磁場倒轉來實現；從而得到激射。
如將含質子（氫原子核）的樣品替代順磁固體，安置於恆磁場中，則質子將與電子相似,產生核磁共振,也可得到激射，它的頻率在射頻頻帶，只為電子順磁共振的。含質子的樣品一般為液體,可先將液體流經一前置磁場中極化,再經一反向的實驗（第二）磁場,產生激射，這就是液體的激射器。
三能態、四能態固體順磁共振激射 含過渡元素離子的順磁晶體，電子自旋和軌道運動耦合，在磁場作用下，將呈現不等距三能態,如圖2中紅寶石 (CrAlO3)的鉻離子（Cr3+）的能態圖，E3>E2>E1，E1、E2、E3的布居數為n1、n2、n3，按玻耳茲曼分布時n1>n2>n3。如在樣品系統上加以頻率為的激勵電磁場，可使布居數發生變化，並使n婭>n2，這程式稱抽運或泵,此時系統可在的頻率上產生激射。經此激射後，又將E3上的粒子轉移到E2上，使得n娦>姈，又產生頻率為的級聯激射。 其他晶體,如含Cr3+的K3CO、Cr(CN)6及含Gd3+(釓)的 GdLa(C2H5SO4)·9H2O晶體，也可產生三能態順磁共振激射。兩能態激射器須脈衝抽運才能運轉，三能態激射器可連續運轉，較為有用。
順磁晶體四能態系統的各式抽運和激射機制表示見圖3。圖3a表示以為抽運頻率，可產生和的激射。圖3b表示以為抽運頻率，可產生的激射。若如圖3c, 以為抽運頻率，可產生的激射。 行波激射 腔式固體三能態激射器可連續運轉，但頻寬較窄，而頻寬與增益成反比，如要擴大系統的頻寬，則須降低激射增益,而減小系統的聲噪比,因此不能發揮激射低噪聲的優越性。行波激射放大系統有頻寬寬、噪聲低的優點，這系統用紅寶石作活性材料，切割成長片，加以磁場，縱向地安放在矩形波導管中的一側，波導一端單向輸入抽運頻率為vp（高頻）的微波功率，它向前行進時對紅寶石的能態起抽運作用,使與運轉頻率v相應的兩能態布居數反轉,可誘使頻率為v的激射放大波向另一端單向輸出，波導管上放置梳形慢波結構，以延緩微波行進波速，提高運轉效率，同時也可用於激射器的頻率調諧，達到良好的行波激射放大。
分子譜線的準確測量 吸收譜線一般比較寬，譜線超精細結構(見原子光譜的超精細結構)比較複雜，無法分辨，自氨受激發射運轉後，因激射線比吸收線狹窄很多（線寬僅為7kHz），就可將系統用作高分辨譜儀，將氨分子3－3線的超精細衛星線顯示得十分清晰。通過精確測量,算出極準確的分子結構常數,得到N－H鍵的長度為1.014┱, N－H鍵和分子對稱軸的夾角為67°58┡；1H和1H的自旋相互作用能量為27.7kHz，式中gH為質子的朗德g因子，μN為核磁子,r為質子和質子間的距離。氮核電四極矩eQN（e為電子電荷的絕對值）和周圍電場梯度q的耦合常數的平均值為
。
如將氨3-3線的激射振盪和一速調管鎖頻,以提高速調管的穩定度，用作測量主線旁衛星線的頻率，使觀察的解析度和聲噪比提高約兩個數量級。
激射放大器的噪聲 室溫下氨激射放大器的噪聲係數F為－2.0dB（分貝），很接近理想激射放大的理論值。因在微波波段內，光子能量hv小於熱輻射能量kT，即hv<kT（k為玻耳茲曼常數，T為系統的絕對溫度）,激射放大的噪聲主要是熱噪聲，考慮將電子自旋的溫度作為順磁激射放大器的熱噪聲溫度，實驗測得它的有效溫度Te接近於絕對溫度0 K，故kTe≈0，激射放大的噪聲僅為光子的散粒噪聲，極小，為最優良的放大器。
氫原子激射 因氫（氕）原子基態為1s2S?;，電子自旋為,氫核(質子)的自旋為，故氫原子基態超精細結構分為F=1和F=0兩態，在弱磁場中的分裂如圖4a所示。F=1,MF=0態至F=0、MF=0態的躍遷頻率，與磁場B僅有二次方的關係，因磁場極小,它的影響也就很小。氫激射器即選定以此超精細躍遷的頻率運轉，它的儀器結構示如圖4b。全部系統密封在真空容器中。用高頻放電將氫分子分解得到氫原子，經過細管(源)形成原子束，此束通過六極不均勻磁場選態焦聚,受激態(F=1，MF=0)原子射入微波共振腔內的貯存泡中。腔用石英製成,內部鍍銀，採用圓柱型E模，得到相當高的Q（品質因數）值；將腔調諧到基態(F=1，MF=0)的躍遷頻率上，約為 1420、405MHz；腔外裝有三至四層磁禁止，以消除地磁對系統的影響；但須加以微弱的磁場，以分別超精細態的磁子態。貯存泡也用石英製成，為圓球形或長圓球形的薄泡，內鍍一層聚四氟乙烯薄膜，使激發態的氫原子和泡壁碰撞時不產生能態躍遷。受激態原子在腔內的場中產生激射放大。當受激態原子放出的光子能量足夠補償腔的損耗時，就產生振盪。振盪頻率穩定度極高，達10-15數量級。因氫原子的超精細躍遷頻率受貯存泡鍍層的影響，不同鍍層有不同頻移（壁移）,則其頻率準確度稍優於1×10-13。 1951年在射電天文研究中發現了氫原子的基態超精細激射。N.F.拉姆齊和他的實驗同伴，首先在實驗室中建立了觀察系統，並實現了運轉(1960)。
振盪的氫激射器可用作自激型量子(原子)頻標，未振盪的氫激射器則用作非自激型頻標。
氫激射器的腔可採用其他模式（不同於E模）,或用介質填充的低Q值的腔,接以半導體放大器由反饋來提高有效Q值，促使系統振盪，並使整體小型化和輕化,再用另一非自激型系統的氫激射線作參考，自動調諧腔的頻率使之吻合原子躍遷，以消除溫度漂移及其他影響所產生的頻移。對照 9台商品銫束的系統，這種激射振盪器的頻率，可穩定到(1±5)×10-16（每日）（72日平均值）。
銣原子激射 銣激射器是用銣原子作為活性物質實現的。天然銣(Rb)有兩種同位素,即87Rb,豐度為27.85%，核自旋I=3/2;和85Rb,豐度為72.15%,核自旋I=5/2。銣原子的基態為6s2S?;,87Rb因核自旋比85Rb小，其超精細分裂比較簡單。 銣激射器在87Rb的基態超精細躍遷頻率6834.682M Hz附近運轉，銣原子基態的超精細高低兩態的布居數反轉借銣燈的光抽運作用達到，示意如圖5a。銣激射器的結構系統如圖5b示意。87Rb原子貯存在薄殼的石英泡內,充以緩衝氣體氮(N2)用高頻放電的87Rb燈的光抽運激勵，87Rb燈和貯存泡間加85Rb的濾光泡,以增加光抽運的效率。87Rb貯存泡安置在微波腔內，腔以石英或低膨脹係數的微晶玻璃製成，外有三至四層磁禁止，以消除地磁影響，並加以均勻的弱磁場以便選擇需要的超精細磁子態。將腔調諧到基態超精細的躍遷頻率，即可實現激射。銣激射振盪器的短期（秒以下）頻率穩定度極高，優於10-13，為短期頻率穩定度最高的振盪器。 套用 微波和射頻激射的實驗成功和理論開展，迅速導致了雷射的問世，使停滯很久的光學發生了革命性的變化。微波激射振盪器現已廣泛地用作量子鐘（時間、頻率標準）。頻率穩定度優於10-6的高穩定、高準確振盪器的實現是當今科學上高準確數字測量的基礎，對精密測量物理常數或原子、分子的結構及運動，起了主要作用。輕便牢固的氫激射振盪器，可裝在火箭和人造衛星上運轉,作驗證相對論理論的各種細緻深入的實驗,並達到前所未有的準確。也可用於長底線微波干涉儀，以準確測量天體運動、大陸漂移和地殼形變等，對導航通信也起了重大作用。激射放大器因噪聲低，可用作射電望遠鏡和雷達系統接收機的前置放大器，以提高靈敏度。激射的研究開闢了新興的學科──量子電子學和量子光學。微波激射放大的問世，對工農業生產，科學研究起了重大的促進作用並開拓了新的廣闊的前景。
參考書目
J.P.Gordon,H.J.Zeiger and C.H.Townes,Phys.Rev.,Vo1.99, p.1264, 1955.
K.Shimoda, T.C.Wang and C.H.Townes,Phys. Rev.,Vo1.102, p.1308, 1956.
J.P.Gordon,Phys. Rev., Vo1.99, p.1253,1955.
K.Shimoda and T.C.Wang,Reviews of Scientific Instrument, Vo1.26, p.1148,1955.
L.E.Alsop, J.A.Giordmaine, C.H.Townes and T.C.Wang,Phys.Rev., Vo1.107, p.1450,1957.
H.M.Goldenberg, D.Kleppner and N.F.Ramsey,Phys. Rev. Lett., Vo1.5,p.361,1960;PhysRev.,Vo1.123,p.530,1961.
F.L.Walls and D.A.Howe,Journal de Physique,Vo1.42,C8-151,1981.
P.Davidovits and N.Knable,J. Appl, Phys.,Vo1.35,p.3042,1964.
激射放大器的噪聲 室溫下氨激射放大器的噪聲係數F為－2.0dB（分貝），很接近理想激射放大的理論值。因在微波波段內，光子能量hv小於熱輻射能量kT，即hv<kT（k為玻耳茲曼常數，T為系統的絕對溫度）,激射放大的噪聲主要是熱噪聲，考慮將電子自旋的溫度作為順磁激射放大器的熱噪聲溫度，實驗測得它的有效溫度Te接近於絕對溫度0 K，故kTe≈0，激射放大的噪聲僅為光子的散粒噪聲，極小，為最優良的放大器。
氫原子激射 因氫（氕）原子基態為1s2S?;，電子自旋為,氫核(質子)的自旋為，故氫原子基態超精細結構分為F=1和F=0兩態，在弱磁場中的分裂如圖4a所示。F=1,MF=0態至F=0、MF=0態的躍遷頻率，與磁場B僅有二次方的關係，因磁場極小,它的影響也就很小。氫激射器即選定以此超精細躍遷的頻率運轉，它的儀器結構示如圖4b。全部系統密封在真空容器中。用高頻放電將氫分子分解得到氫原子，經過細管(源)形成原子束，此束通過六極不均勻磁場選態焦聚,受激態(F=1，MF=0)原子射入微波共振腔內的貯存泡中。腔用石英製成,內部鍍銀，採用圓柱型E模，得到相當高的Q（品質因數）值；將腔調諧到基態(F=1，MF=0)的躍遷頻率上，約為 1420、405MHz；腔外裝有三至四層磁禁止，以消除地磁對系統的影響；但須加以微弱的磁場，以分別超精細態的磁子態。貯存泡也用石英製成，為圓球形或長圓球形的薄泡，內鍍一層聚四氟乙烯薄膜，使激發態的氫原子和泡壁碰撞時不產生能態躍遷。受激態原子在腔內的場中產生激射放大。當受激態原子放出的光子能量足夠補償腔的損耗時，就產生振盪。振盪頻率穩定度極高，達10-15數量級。因氫原子的超精細躍遷頻率受貯存泡鍍層的影響，不同鍍層有不同頻移（壁移）,則其頻率準確度稍優於1×10-13。 1951年在射電天文研究中發現了氫原子的基態超精細激射。N.F.拉姆齊和他的實驗同伴，首先在實驗室中建立了觀察系統，並實現了運轉(1960)。
振盪的氫激射器可用作自激型量子(原子)頻標，未振盪的氫激射器則用作非自激型頻標。
氫激射器的腔可採用其他模式（不同於E模）,或用介質填充的低Q值的腔,接以半導體放大器由反饋來提高有效Q值，促使系統振盪，並使整體小型化和輕化,再用另一非自激型系統的氫激射線作參考，自動調諧腔的頻率使之吻合原子躍遷，以消除溫度漂移及其他影響所產生的頻移。對照 9台商品銫束的系統，這種激射振盪器的頻率，可穩定到(1±5)×10-16（每日）（72日平均值）。
銣原子激射 銣激射器是用銣原子作為活性物質實現的。天然銣(Rb)有兩種同位素,即87Rb,豐度為27.85%，核自旋I=3/2;和85Rb,豐度為72.15%,核自旋I=5/2。銣原子的基態為6s2S?;,87Rb因核自旋比85Rb小，其超精細分裂比較簡單。 銣激射器在87Rb的基態超精細躍遷頻率6834.682M Hz附近運轉，銣原子基態的超精細高低兩態的布居數反轉借銣燈的光抽運作用達到，示意如圖5a。銣激射器的結構系統如圖5b示意。87Rb原子貯存在薄殼的石英泡內,充以緩衝氣體氮(N2)用高頻放電的87Rb燈的光抽運激勵，87Rb燈和貯存泡間加85Rb的濾光泡,以增加光抽運的效率。87Rb貯存泡安置在微波腔內，腔以石英或低膨脹係數的微晶玻璃製成，外有三至四層磁禁止，以消除地磁影響，並加以均勻的弱磁場以便選擇需要的超精細磁子態。將腔調諧到基態超精細的躍遷頻率，即可實現激射。銣激射振盪器的短期（秒以下）頻率穩定度極高，優於10-13，為短期頻率穩定度最高的振盪器。 套用 微波和射頻激射的實驗成功和理論開展，迅速導致了雷射的問世，使停滯很久的光學發生了革命性的變化。微波激射振盪器現已廣泛地用作量子鐘（時間、頻率標準）。頻率穩定度優於10-6的高穩定、高準確振盪器的實現是當今科學上高準確數字測量的基礎，對精密測量物理常數或原子、分子的結構及運動，起了主要作用。輕便牢固的氫激射振盪器，可裝在火箭和人造衛星上運轉,作驗證相對論理論的各種細緻深入的實驗,並達到前所未有的準確。也可用於長底線微波干涉儀，以準確測量天體運動、大陸漂移和地殼形變等，對導航通信也起了重大作用。激射放大器因噪聲低，可用作射電望遠鏡和雷達系統接收機的前置放大器，以提高靈敏度。激射的研究開闢了新興的學科──量子電子學和量子光學。微波激射放大的問世，對工農業生產，科學研究起了重大的促進作用並開拓了新的廣闊的前景。
參考書目
J.P.Gordon,H.J.Zeiger and C.H.Townes,Phys.Rev.,Vo1.99, p.1264, 1955.
K.Shimoda, T.C.Wang and C.H.Townes,Phys. Rev.,Vo1.102, p.1308, 1956.
J.P.Gordon,Phys. Rev., Vo1.99, p.1253,1955.
K.Shimoda and T.C.Wang,Reviews of Scientific Instrument, Vo1.26, p.1148,1955.
L.E.Alsop, J.A.Giordmaine, C.H.Townes and T.C.Wang,Phys.Rev., Vo1.107, p.1450,1957.
H.M.Goldenberg, D.Kleppner and N.F.Ramsey,Phys. Rev. Lett., Vo1.5,p.361,1960;PhysRev.,Vo1.123,p.530,1961.
F.L.Walls and D.A.Howe,Journal de Physique,Vo1.42,C8-151,1981.
P.Davidovits and N.Knable,J. Appl, Phys.,Vo1.35,p.3042,1964.
