微波激射器

微波激射器（maser）是利用輻射場的受激發射原理製成的微波放大裝置。能夠產生噪聲極低的單色相干的微波輻射。

微波激射器是利用電磁波與原子或分子等量子系統的共振相互作用，在微波波段獲得放大或振盪的量子器件。對於原子（或分子）的某兩個能級，若其布居數是處於粒子數反轉的狀態，即上能級的布居數大於下能級的布居數，則與入射電磁波相互作用後總的表現為原子輻射相干電磁波，從而使入射電磁波的能量增加，這就是量子放大。如果入射電磁波的頻率 為微波頻率，則利用這種原理製成的放大器稱為微波量子放大器。若再加上適當的反饋裝置，則微波量子放大器就可以變成為微波量子振盪器。微波激射器是微波量子放大器和微波量子振盪器的統稱。

基本介紹

• 中文名：微波激射器
• 外文名：maser
• 原理：輻射場的受激發射
• 類型：儀器
• 特徵：電磁波與量子系統共振相互作用

工作原理

第一台微波激射器是1954—1955年由美國物理學家C.湯斯和蘇聯物理學家N.巴索夫和A.普羅霍羅夫獨立研製的氨分子激射器。其工作原理是，氨分子束先通過一個非均勻電場，使處於兩個基態能級中較低能級的分子被偏轉掉，處於較高能級的分子被聚焦，進入微波諧振腔，被腔內輻射場激勵而躍遷到下能級，發生受激發射。受激發射產生的輻射場激勵更多的分子發生受激發射，造成輻射能量的累積。當累積能量超過微波腔（氨分子系統）損耗的能量時，出現自持振盪。將振盪能量導出，就得到一個激射器。氨分子激射器的長期穩定度不高，未能走向實用化。但該技術的工作原理和套用前景從一開始就受到重視。基於其工作原理，美國物理學家N.布洛姆伯根於1956年發明了固體微波量子放大器，A.肖洛和湯斯於1958年提出了雷射的原理。

具體解釋

在微波激射器中，為了加強原子與電磁波的相互作用，往往把工作物質放在一個微波諧振腔中，諧振腔的諧振頻率正好等於原子的躍遷頻率。有的微波量子放大器用慢波結構來代替諧振腔。諧振腔本身又是一個反饋裝置，原子輻射出的電磁波能量的一部分留在腔內，再次作用於原子上構成正反饋作用。當諧振腔的Q值足夠高，原子輻射的功率足夠大時，微波量子放大器就變成微波量子振盪器。
造成原子某兩個能級粒子數反轉的方法很多，最常用的是選態法和三能級（或四能級）抽運法。選態法常用在原子束（或分子束）中，當原子束通過一個不均勻磁場（或電場）時，處在不同能級上的原子因受力不同其運動軌跡就不同。這樣，就可把處在某一對能級的上能級的原子選出來，然後讓它進入一個諧振腔。三能級（或四能級）抽運法常用於氣體、液體、固體的工作物質。先用某一頻率的電磁波，把原子從最低能級抽運到一個高能級上，從而可以造成該高能級與另一個較低能級之間的粒子數反轉，或者造成另一個較低能級與最低能級之間的粒子數反轉。
微波量子放大器的優點是它具有特別低的噪聲。因為在微波波段，可能成為噪聲源的自發輻射可以忽略，如果把放置工作物質的諧振腔再放入液氦中，則它的噪聲溫度只有幾開（K），非常接近於無噪聲的理想放大器。微波量子振盪器的優點是振盪頻率可以做得非常穩定。因為它決定於原子能級的穩定性，只要選擇合適的能級使能級位置對各種外界巨觀條件不敏感即可。
在微波量子放大器方面，常用的是固體微波量子放大器，適於在極低溫度下工作，從而可獲得極低的噪聲溫度。在射電天文方面，微波量子放大器在天線仰角較大（輸入噪聲小）時，可用於微弱微波信號放大。

套用

套用最廣的激射器是氫原子激射器。美國物理學家N.拉姆齊等於1960年設計了世界上第一台氫原子激射器，輸出的無線電波的頻率為1,420,405,751.786赫，對應於氫原子基態兩個超精細能級之間的躍遷頻率。氫激射器輸出頻率的準確度和穩定度極高，穩定度指標已經達到10^－14量級，可用作頻率和時間基準（見量子頻率標準）。