میزر چیست؟ تاریخچه، نحوه عملکرد و انواع میزر (Maser)

در مقاله [لیزر چیست؟] با اصول فیزیکی و ساختار لیزرها آشنا شدید. در این مقاله با میزر (Maser) آشنا می شویم؛ دستگاهی که اختراع آن راه را برای ساخت لیزر باز کرد.

میزر دستگاهی است که با استفاده از نشر القایی، امواج الکترومغناطیسی، به ویژه در ناحیه مایکروویو، را تقویت می کند و تابشی همدوس و متمرکز تولید می کند. میزر های امروزی علاوه بر مایکروویو، در فرکانس های رادیویی و فروسرخ نیز طراحی می شوند.

میزر ها در ساعت های اتمی به عنوان مرجع دقیق زمان و در تلسکوپ های رادیویی و ایستگاه های زمینی ارتباط با فضاپیماها به عنوان تقویت کننده های مایکروویو بسیار کم نویز استفاده می شوند.

میزر چیست؟

واژه میزر (MASER) مخفف عبارت Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت امواج مایکروویو از طریق نشر القایی تابش است. اصول کار میزر و لیزر یکسان است و تفاوت اصلی آنها در ناحیه طیفی تابش است.

تاریخچه میزر

• سال ۱۹۵۲: نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف از موسسه فیزیک لبدف شوروی در ماه مه، و جوزف وبر در ماه ژوئن در کنفرانس موسسه مهندسان رادیو (IRE)، به طور مستقل اصول تقویت امواج با نشر القایی را مطرح کردند.

• سال ۱۹۵۳: اولین میزر توسط چارلز تاونز (Charles H. Townes)، جیمز گوردون (James P. Gordon) و هربرت زایگر (Herbert J. Zeiger) در دانشگاه کلمبیا ساخته شد.

• سال ۱۹۵۸: تاونز و آرتور شاولو (Arthur L. Schawlow) سیستمی را پیشنهاد کردند که بتواند در ناحیه فروسرخ و مرئی کار کند.

• سال ۱۹۶۰: اولین لیزر توسط تئودور مایمن ساخته شد. در سال های اولیه، لیزر را میزر نوری (Optical Maser) می نامیدند.

• سال ۱۹۶۴: تاونز به همراه باسوف و پروخوروف، به دلیل پژوهش های بنیادی در زمینه میزر و لیزر، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.

اولین میزر چگونه کار می کرد؟

تاونز و همکارانش پرتویی از مولکول های برانگیخته آمونیاک را به داخل یک حفره تشدید فرستادند. تابش مولکول های داخل حفره، مولکول های برانگیخته تازه وارد را به تابش بیشتر وادار می کرد و به این ترتیب یک نوسان خودپایدار ایجاد شد.

توان این میزر بسیار کم، در حدود ده نانووات بود، اما انرژی آن در یک خط طیفی بسیار باریک متمرکز شده بود. یعنی تابش آن تقریبا تک فرکانس و بسیار خالص بود. بسیاری از نظریه پردازان پیش از این به تاونز گفته بودند دستگاهش کار نخواهد کرد، اما پس از موفقیت او، محققان دیگر به سرعت آن را تکرار کردند.

مبانی فیزیکی میزر

اصل فیزیکی بنیادی میزر، نشر القایی است که نخستین بار آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۷ مطرح کرد. برای درک آن، ابتدا باید دو پدیده جذب و گسیل خودبه خودی را بشناسیم.

جذب

طبق مکانیک کوانتومی، اتم یا مولکول فقط فوتونی را جذب می کند که انرژی آن دقیقا با اختلاف انرژی دو تراز آن برابر باشد. در این صورت فوتون جذب می شود و اتم به تراز انرژی بالاتری می رود؛ یعنی برانگیخته می شود.

گسیل خودبه خودی

اتم ها و مولکول ها تمایل دارند در کمترین تراز انرژی باشند. بنابراین اتم برانگیخته پس از مدتی خودبه خود به تراز پایین تر برمی گردد و یک فوتون گسیل می کند. چون هیچ عامل خارجی باعث این گسیل نشده، به آن گسیل خودبه خودی می گویند.

عمر متوسط بسیاری از حالت های برانگیخته حدود ۱۰ به توان منفی ۸ ثانیه است. اما برخی حالت ها عمر بسیار طولانی تری، مثلا حدود ۱۰ به توان منفی ۳ ثانیه، دارند که به آنها حالت های نیمه پایدار (Metastable) گفته می شود. این حالت ها در عملکرد بسیاری از میزر ها و لیزر ها نقش کلیدی دارند.

نشر القایی

در نشر القایی، فوتونی که انرژی آن دقیقا برابر اختلاف انرژی دو تراز است، به اتمی برخورد می کند که از قبل در حالت برانگیخته قرار دارد. این فوتون جذب نمی شود، بلکه اتم را وادار می کند به تراز پایین تر برگردد و یک فوتون دوم گسیل کند.

فوتون جدید از هر نظر با فوتون اولیه یکسان است؛ یعنی فرکانس، فاز، جهت و قطبش یکسانی دارد. به این ترتیب یک فوتون به دو فوتون یکسان تبدیل می شود و این همان تقویت است.

میزر چگونه کار می کند؟

در حالت عادی، تعداد اتم ها در تراز پایین بیشتر از تراز بالاست و جذب بر نشر القایی غلبه دارد. برای اینکه تقویت رخ دهد، باید تعداد اتم های تراز بالا بیشتر از تراز پایین شود. به این وضعیت وارونگی جمعیت (Population Inversion) می گویند.

مراحل کار میزر به طور کلی به این صورت است:

1. پمپاژ: با تزریق انرژی به محیط فعال، اتم ها یا مولکول ها از حالت پایه به حالت برانگیخته می روند.

2. رسیدن به حالت نیمه پایدار: در بسیاری از میزر ها، اتم ها بدون تابش به یک حالت نیمه پایدار با عمر طولانی می روند و در آن انباشته می شوند تا وارونگی جمعیت ایجاد شود.

3. نشر القایی زنجیره ای: فوتون های اولیه باعث نشر القایی فوتون های یکسان بیشتری می شوند و هر فوتون جدید نیز فوتون های دیگری را القا می کند.

4. تشدید در حفره: حفره تشدید، تابش با فرکانس مشخص را نگه می دارد و تقویت می کند تا پرتوی همدوس و تک فرکانس تولید شود.

چون همه فوتون های تولید شده فرکانس و فاز یکسانی دارند، تابش میزر بسیار همدوس و خالص است.

تفاوت میزر و لیزر

• ناحیه طیفی: میزر در ناحیه مایکروویو و رادیویی کار می کند، اما لیزر در ناحیه فروسرخ، مرئی و فرابنفش.

• نوع تشدیدگر: در میزر معمولا از حفره تشدید فلزی استفاده می شود، اما در لیزر از آینه ها.

• تاریخچه: میزر در سال ۱۹۵۳ و لیزر در سال ۱۹۶۰ ساخته شد و لیزر در واقع نسخه نوری میزر است.

• کاربرد: میزر بیشتر در ساعت های اتمی و تقویت کننده های کم نویز استفاده می شود، اما لیزر کاربردهای بسیار گسترده ای در صنعت، پزشکی و ارتباطات دارد.

انواع محیط فعال در میزر

نوسان سازهای مولکولی (پرتو مولکولی)

در این نوع، محیط فعال یک پرتو از اتم ها یا مولکول های یک گاز است. پیش از ورود به حفره، مولکول های برانگیخته از مولکول های حالت پایه جدا می شوند؛ مثلا در میزر آمونیاک این کار با یک انتخاب گر حالت الکتروستاتیک انجام می شود. به این ترتیب فقط مولکول های برانگیخته وارد حفره تشدید می شوند و وارونگی جمعیت ایجاد می شود.

در حفره، مولکول های برانگیخته هنگام بازگشت به حالت پایه، تابشی با طول موج در حد سانتی متر گسیل می کنند. فرکانس تشدید حفره دقیقا برابر فرکانس این تابش تنظیم شده است، بنابراین حفره می تواند نوسان ها را در همان فرکانس برای مدت طولانی حفظ کند. میزرهای آمونیاک و هیدروژن از این نوع هستند.

میزرهای حالت جامد (پارامغناطیس)

در این نوع، یک بلور پارامغناطیس مانند یاقوت (اکسید آلومینیوم حاوی یون های کروم) به عنوان محیط فعال در حفره قرار می گیرد. این میزر ها معمولا باید در دماهای بسیار پایین، مثلا با هلیوم مایع، کار کنند.

حفره در این میزر ها دو فرکانس تشدید دارد: فرکانس پمپ و فرکانس سیگنال. بلور با جذب تابش پمپ که فرکانس بالاتری از فرکانس سیگنال دارد، برانگیخته می شود. نوسان سازها و تقویت کننده های پارامغناطیس می توانند در طول موج های حدود ۱ تا ۱۰۰ سانتی متر کار کنند.

مهم ترین ویژگی این میزر ها نویز بسیار کم آنهاست. به همین دلیل میزر های یاقوت سال ها به عنوان تقویت کننده های کم نویز در تلسکوپ های رادیویی و ایستگاه های ارتباط با فضاپیماها استفاده می شدند.

انواع میزر

میزر آمونیاک

اولین میزر که در سال ۱۹۵۳ توسط تاونز و همکارانش در دانشگاه کلمبیا ساخته شد، میزر آمونیاک بود. این دستگاه از نشر القایی پرتویی از مولکول های برانگیخته آمونیاک استفاده می کرد و امواج مایکروویو با فرکانس حدود ۲۴ گیگاهرتز تولید می کرد.

اجزای اصلی میزر آمونیاک عبارت اند از: نازل ورود گاز آمونیاک، انتخاب گر حالت چهارقطبی متشکل از چهار میله فلزی که مولکول های برانگیخته را جدا می کند، و حفره تشدید.

میزر هیدروژن

میزر هیدروژن که استاندارد فرکانس هیدروژنی نیز نامیده می شود، از خواص ذاتی اتم هیدروژن به عنوان مرجع فرکانس بسیار دقیق استفاده می کند. نورمن رمزی و همکارانش آن را در سال ۱۹۶۰ در دانشگاه هاروارد توسعه دادند. میزر هیدروژن یکی از دقیق ترین مراجع فرکانس و پایه بسیاری از ساعت های اتمی است.

نحوه کار میزر هیدروژن:

1. گاز هیدروژن مولکولی (H2) با مقدار کنترل شده از یک مخزن وارد یک لامپ تخلیه می شود.

2. در لامپ تخلیه، تخلیه الکتریکی مولکول ها را به اتم های هیدروژن تفکیک می کند.

3. اتم های هیدروژن از یک کولیماتور و سپس یک انتخاب گر حالت مغناطیسی عبور می کنند تا فقط اتم های حالت مناسب انتخاب شوند.

4. اتم ها وارد یک حباب ذخیره می شوند که داخل یک حفره مایکروویو قرار دارد. این حفره روی فرکانس ۱.۴۲۰ گیگاهرتز، یعنی فرکانس گذار فوق ریز اتم هیدروژن، تنظیم شده است.

5. یک میدان مغناطیسی ثابت و ضعیف در راستای محور حفره اعمال می شود تا ترازهای فرعی زیمان از هم جدا شوند.

6. حفره با چند لایه محافظ مغناطیسی پوشانده می شود تا میدان های مغناطیسی خارجی روی فرکانس اثر نگذارند.

میزر های هیدروژن دو نوع دارند:

• میزر هیدروژن فعال: حفره خودبه خود نوسان می کند. این نوع به چگالی بالای اتم های هیدروژن و حفره ای با ضریب کیفیت بالا نیاز دارد، اما پایداری فرکانس بسیار خوبی دارد.

• میزر هیدروژن غیرفعال: یک سیگنال خارجی با فرکانس ۱.۴۲۰ گیگاهرتز به حفره داده می شود و روی بیشترین پاسخ حفره تنظیم می شود. این روش امکان استفاده از چگالی اتمی کمتر و حفره ای با ضریب کیفیت پایین تر را فراهم می کند و هزینه را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

میزرهای طبیعی در فضا

جالب است بدانید که میزر ها فقط ساخت بشر نیستند. در فضا، ابرهای گازی اطراف ستاره ها و در مناطق ستاره زایی می توانند به طور طبیعی تابش میزر تولید کنند؛ برای مثال میزرهای آب و هیدروکسیل (OH). اخترشناسان از این میزر ها برای مطالعه ساختار و حرکت این مناطق استفاده می کنند.

کاربردهای میزر

• ساعت های اتمی: میزر هیدروژن به عنوان مرجع فرکانس بسیار پایدار

• تقویت کننده های کم نویز: در تلسکوپ های رادیویی و ایستگاه های ارتباط با فضاپیماها

• ناوبری ماهواره ای و ارتباطات: به عنوان مرجع زمانی دقیق

• تحقیقات علمی: در اخترشناسی رادیویی و آزمون های دقیق فیزیک بنیادی

سوالات متداول درباره میزر

میزر مخفف چیست؟

MASER مخفف Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت امواج مایکروویو از طریق نشر القایی تابش است.

تفاوت میزر و لیزر چیست؟

هر دو بر اساس نشر القایی کار می کنند، اما میزر در ناحیه مایکروویو و لیزر در ناحیه نوری (فروسرخ، مرئی و فرابنفش) تابش می کند.

اولین میزر چه زمانی ساخته شد؟

در سال ۱۹۵۳ توسط چارلز تاونز و همکارانش در دانشگاه کلمبیا.

میزر هیدروژن چه کاربردی دارد؟

به عنوان مرجع فرکانس بسیار دقیق در ساعت های اتمی استفاده می شود.

وارونگی جمعیت چیست؟

وضعیتی که در آن تعداد اتم های تراز انرژی بالا بیشتر از تراز پایین است و شرط لازم برای تقویت با نشر القایی محسوب می شود.

جمع بندی

میزر دستگاهی است که با استفاده از نشر القایی، امواج مایکروویو را تقویت کرده و تابشی همدوس و تک فرکانس تولید می کند. اختراع میزر در سال ۱۹۵۳ پایه ساخت لیزر در سال ۱۹۶۰ شد. میزر ها بر اساس محیط فعال به دو گروه مولکولی و حالت جامد تقسیم می شوند و انواع مهم آن شامل میزر آمونیاک، هیدروژن و یاقوت هستند. امروزه میزر ها به ویژه در ساعت های اتمی و تقویت کننده های کم نویز نقش مهمی دارند.

منابع

• Maser to Lasers: A Review