微波激射器

仪器设备

微波激射器（maser）是利用辐射场的受激发射原理制成的微波放大装置。能够产生噪声极低的单色相干的微波辐射。

工作原理

第一台微波激射器是1954—1955年由美国物理学家C.汤斯和苏联物理学家N.巴索夫和A.普罗霍罗夫独立研制的氨分子激射器。其工作原理是，氨分子束先通过一个非均匀电场，使处于两个基态能级中较低能级的分子被偏转掉，处于较高能级的分子被聚焦，进入微波谐振腔，被腔内辐射场激励而跃迁到下能级，发生受激发射。受激发射产生的辐射场激励更多的分子发生受激发射，造成辐射能量的累积。当累积能量超过微波腔（氨分子系统）损耗的能量时，出现自持振荡。将振荡能量导出，就得到一个激射器。氨分子激射器的长期稳定度不高，未能走向实用化。但该技术的工作原理和应用前景从一开始就受到重视。基于其工作原理，美国物理学家N.布洛姆伯根于1956年发明了固体微波量子放大器，A.肖洛和汤斯于1958年提出了激光的原理。

应用

应用最广的激射器是氢原子激射器。美国物理学家N.拉姆齐等于1960年设计了世界上第一台氢原子激射器，输出的无线电波的频率为1,420,405,751.786赫，对应于氢原子基态两个超精细能级之间的跃迁频率。氢激射器输出频率的准确度和稳定度极高，稳定度指标已经达到10－14量级，可用作频率和时间基准（见量子频率标准）。

具体解释

在微波激射器中，为了加强原子与电磁波的相互作用，往往把工作物质放在一个微波谐振腔中，谐振腔的谐振频率正好等于原子的跃迁频率。有的微波量子放大器用慢波结构来代替谐振腔。谐振腔本身又是一个反馈装置，原子辐射出的电磁波能量的一部分留在腔内，再次作用于原子上构成正反馈作用。当谐振腔的Q值足够高，原子辐射的功率足够大时，微波量子放大器就变成微波量子振荡器。

造成原子某两个能级粒子数反转的方法很多，最常用的是选态法和三能级（或四能级）抽运法。选态法常用在原子束（或分子束）中，当原子束通过一个不均匀磁场（或电场）时，处在不同能级上的原子因受力不同其运动轨迹就不同。这样，就可把处在某一对能级的上能级的原子选出来，然后让它进入一个谐振腔。三能级（或四能级）抽运法常用于气体、液体、固体的工作物质。先用某一频率的电磁波，把原子从最低能级抽运到一个高能级上，从而可以造成该高能级与另一个较低能级之间的粒子数反转，或者造成另一个较低能级与最低能级之间的粒子数反转。

微波量子放大器的优点是它具有特别低的噪声。因为在微波波段，可能成为噪声源的自发辐射可以忽略，如果把放置工作物质的谐振腔再放入液氦中，则它的噪声温度只有几开（K），非常接近于无噪声的理想放大器。微波量子振荡器的优点是振荡频率可以做得非常稳定。因为它决定于原子能级的稳定性，只要选择合适的能级使能级位置对各种外界宏观条件不敏感即可。

在微波量子放大器方面，常用的是固体微波量子放大器，适于在极低温度下工作，从而可获得极低的噪声温度。在射电天文方面，微波量子放大器在天线仰角较大（输入噪声小）时，可用于微弱微波信号放大。

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