Мазер-предвестник лазера
Ровно 71 год назад, 26 апреля 1951 года, профессору Колумбийского университета Чарльзу Таунсу пришла идея создания мазера- прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.
Более полувека назад был изобретен способ генерации когерентных световых и радиоволн, основанный на излучении энергии атомами. На этом принципе работают лазеры, которые на сегодняшний день используют в различных сферах жизнедеятельности человека: в промышленных технологиях, медицине, научной деятельности. Также благодаря изобретению лазера была осуществлена идея записи голограмм. На сегодняшний день, лазеры не воспринимаются нами как нечто необычное. Многие хотя бы раз держали в руках лазерную указку или были на лазерном шоу.
Но сказать то же самое о мазерах не получится. О том, что это такое, знают немногие. Хотя мазер появился еще за несколько лет до изобретения лазера.
Мазер представляет собой квантовый генератор (источник электромагнитных волн), который работает на основе вынужденного излучения атомов и молекул, электроны в которых переходят с высоких энергетических уровней на более низкие. Само слово "мазер" является акронимом фразы "microwave amplification by stimulate demission of radiation", что на русский язык переводится как "усиление микроволн с помощью вынужденного излучения". Для сравнения, слово лазер является акронимом фразы light amplification by stimulated emission of radiation, и переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения».
Лазер и мазер основаны на концепции стимулированного излучения, предложенной Альбертом Эйнштейном. Эта концепция описывается процесс, в котором электрон движется к более низкой энергии из-за взаимодействия с электромагнитными волнами. Но, в отличии от лазера, мазер генерирует не свет, а микроволны. К слову, именно микроволновое излучение подарило человечеству спутниковую связь, Wi-fi и Bluetooth.
Сама идея создания мазера была озвучена 26 апреля 1951 года Чарльзом Таунсом- профессором Колумбийского университета.
В 50х годах XX века старались увеличить рабочую частоту радаров. Военно-воздушные силы просили спроектировать радар с частотой 2400 МГц. Такой радар работал бы в неосвоенном диапазоне и мог обеспечить более точное бомбометание. Сама идея не могла осуществиться, так как излучение на такой частоте сильно поглощается водяными парами. Но тем не менее военные заказчики уговаривали Таунса попробовать сконструировать такой радар. Он построил его и убедился в том, что он не функционирует. Но в результате этой работы Чарльз Таунс стал интересоваться микроволновой спектроскопией.
В течение нескольких лет он и его помощники работали над созданием устройства, которое может излучать интенсивный свет. Спустя несколько лет, в 1953 году, удалось создать первый в мире мазер.
Джеймс Гордон (один из помощников Таунса) вбежал на спектроскопический семинар, который проводил Таунс, с криком: «Он работает!»
Работало такое устройство примерно следующим способом:
Через отверстие в маленькой печи с точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. Пучок проходит через систему электродов фокусирующей системы. Эти электроды создают сильное неоднородное электрическое поле, которое разделяет молекулы. Затем пучок входит в объемный резонатор. Если в резонатор входит достаточное число молекул в верхнем состоянии, возникает непрерывная генерация, которую можно вывести из резонатора. Вся система помещается в кожух, в нем поддерживается высокий вакуум, который нужен для того, чтобы предотвратить столкновения молекул аммиака с молекулами воздуха, так как это может бы привести к потере энергии возбуждения.
Во время процесса создания первого мазера было потрачено около 30 000 $ из государственного бюджета. Поэтому недоброжелатели расшифровывали MASER как «Means of Acquiring Support for Expensive Research» (способы получения поддержки для дорогостоящих исследований).
После открытия исследования мазеров стали распространяться. Несмотря на то, что это изобретение могло широко использоваться в военной промышленности, поддержка была слабой.
Но почему мазер не настолько распространен, как лазер? Причина заключается в технических трудностях, которые возникают во время его эксплуатации.
Во-первых, основные элементы мазеров выполняются из материалов с неудовлетворительными механическими свойствами и высокой диэлектрической проницаемостью, это приводит к тому, что работа может осуществляться лишь вблизи абсолютного нуля (минимальная температура, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Составляет −273,15 °C или −459,67 °F).
Во-вторых, для возбуждения атомов требуются большие габариты и громоздкое оборудование. Это одно из следствий низкотемпературного диапазона работы.
Кроме того, большинство мазеров требуют сильных магнитов и защиты от них.
Несколько лет назад некоторые ограничения удалось обойти.
Так, в 2012 году, команда физиков из Британской национальной физической лаборатории в Тэддингтоне собрала компактный мазер, который работал при комнатной температуре. А в 2018 году ученые из Университетского и Имперского колледжей Лондона сумели при комнатной температуре добиться ещё и непрерывности излучения. Для этого был выращен синтетический алмаз.
Авторы исследования отмечают, что после того, как удалось обойти главные проблемы, можно задуматься о расширении области использования мазеров. Он сможет улучшить точность методов химического анализа, определения молекулярной структуры, медицинской диагностики, а также обеспечить более надежные средства считывания информации для квантовых компьютеров и радиотелескопов. Мазеры можно будет использовать даже для разработки новых методов космической связи.