Mézer

Hidrogén rádiófrekvenciás kisülése, az első eleme a hidrogén mézernek

A mézer olyan eszköz, amely koherens elektromágneses hullámokat hoz létre és sugároz ki. A „maser” szó egy betűszó, amely angolul: „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, magyarul: mikrohullámú erősítés stimulált sugárzás által.

A technológia fejlődése során a kisbetűs írás terjedt el, amelynél a „mikrohullámot” „molekulárissal” helyettesítették - Charles H. Townes fizikus javaslatára. Ennek oka, hogy a korszerű mézerek az elektromágneses spektrum széles sávjában sugároznak. 1957-ben kifejlesztették a koherens optikai oszcillátort és átnevezték a mézert optikai mézerre, amit rendszerint lézer (laser)-nek hívnak (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Fényerősítés stimulált sugárzás által); a betűszót Gordon Gould alkotta.

Történelem

Elméletileg a mézer elvét Nyikolaj Gennagyijevics Baszov és Alexander Mihajlovics Prohorov (Lebegyev Fizikai Intézet) írta le először 1952-ben egy a Szovjetunió Tudományos Akadémiája által tartott rádió spektroszkópia témájú konferencián. Ezt követően 1954 októberében publikálták az elvet. Ettől függetlenül 1953-ban Charles H. Townes, J. P. Gordon és H. J. Zeiger, a Columbia Egyetemen (NY) megépítették az első mézert. Az eszközükben ammóniamolekulák gerjesztésével stimulált sugárzást hoztak létre 24 GHz-es mikrohullámú frekvencián. Townes később együtt dolgozott Arthur L. Schawlow-val, akivel leírták az optikai mézer, vagyis a lézer működési elvét. A lézert először 1960-ban Theodore H. Maiman demonstrálta. Az ezen a téren végzett kutatásaikért Townes, Baszov és Prohorov 1964-ben Nobel-díjban részesült.

Technológia

A mézer az Albert Einstein által 1917-ben javasolt stimulált sugárzás elvén működik. Amikor az atomokat egy gerjesztett energiaállapotba hozzák, akkor sugárzást produkálnak egy adott frekvencián. A sugárzó eszközt egy rezonáló üregbe helyezve, visszacsatolás révén koherens sugárzás jön létre.

Néhány közismert mézertípus

• Atomos sugárzó mézerek

• Ammóniamézer
• Szabadelektron-mézer
• Hidrogénmézer

• Gázmézerek

• Rubídiummézer

• Szilárdtestmézerek

• Rubinmézer

Felhasználás

A mézerek a nagy pontosságú frekvencia referenciák forrása. Ezeknek egyik formája az úgynevezett atomóra. A mézereket elektronikus erősítőnek is használják rádióteleszkópoknál. Közvetlen energiájú fegyverek fejlesztésénél is alkalmaznak mézereket.

Hidrogénmézer

Hidrogén mézer

Napjainkban a leggyakoribb használt mézer, a hidrogénmézer, amelyet atom frekvencia standardnak (atomóra) használnak. Más atomóra típusokkal együtt alkotják a "Temps Atomique International" (Nemzetközi atomidő) vagy a TAI-t. Ez szolgáltatja a nemzetközi időskálát, amelyet a Bureau International des Poids et Mesures, (BIPM) koordinál. Az első atomórát Norman F. Ramsey és kollégái alkották meg. A mai mézerek hasonlóak az eredetihez. A mézeroszcilláció a hidrogénatom két hiperfinom szintje között jön létre gerjesztett (indukált) sugárzással. Röviden a következő történik: Először egy hidrogénsugarat produkálnak. Ezt úgy hozzák létre, hogy alacsony nyomáson RF kisülést hoznak létre. A következő lépés az állapotszétválasztás azért, hogy létrejöhessen egy stimulált sugárzás; ehhez szükséges az atomok populációinverzióját létrehozni. Ez hasonló módon történik, mint a Stern-Gerlach kísérletben. Amikor az atomok áthaladnak egy nyíláson és a mágneses téren, sok atom a felső energiaszinten marad. Ebből az állapotból az atomok az alacsonyabb állapotba tudnak átmenni és közben mikrohullámú sugárzást produkálnak. Egy jó minőségű mikrohullámú üreg befogja a mikrohullámokat és visszainjektálja ismételten az atomsugárba. Így ez a stimulált sugárzás minden áthaladáskor erősíti a mikrohullámokat. Az erősítés és a visszacsatolás kombinációja határoz meg minden oszcillátort. A mikrohullámú üreg rezonancia frekvenciáját a hiperfinom hidrogén állítja be, ennek értéke: 1420 405 751,768 Hz.

• A mikrohullámú üreg jelének egy kis részét egy koaxiális kábelbe csatolják és elküldik egy koherens adóba
• A mézerből kijövő jel igen gyenge (néhány pW), de a jel frekvenciája igen stabil és állandó. Ezt egy fáziszárt hurok és egy nagy teljesítményű kvarckristály biztosítja.

Asztrofizikai mézerek

Mézerhez hasonló stimulált sugárzások előfordulnak a csillagközi térben is, és ezeket szupersugárzásoknak hívják megkülönböztetésül a laboratóriumokban előállított mézerektől. Ilyen sugárzások figyelhetők meg a víznél (H₂O), hidroxilgyököknél (OH), metanolnál (CH₃OH), formaldehidnél (CH₂O), és szilícium-monoxidnál (SiO). A víz populációinverzión megy át a csillagképző régiókban és közben 22 GHz–en sugároz, a legfényesebb spektrális vonalat képezve a rádióuniverzumban. Néhány vízmézer 96 GHz-en is sugároz vibrációs módusban. Extrém erős mézerek az aktív galaxisok magjaiban sugároznak és megamézernek hívják őket; ezek milliószor nagyobb teljesítménnyel sugároznak, mint a csillagközi mézerek.

Terminológia

A maser (mézer) betűszó értelmezése kissé megváltozott a bevezetése óta. Eredetileg a "microwave amplification by stimulated emission of radiation"–ból képzett betűszó, amely azt jelenti, hogy ez egy sugárzás által generált mikrohullámú erősítő és arra az eszközre utal, amely az elektromágneses spektrum mikrohullámú régiójában sugároz. A stimulált sugárzás elve azóta kiterjedt több készülékre és frekvenciára, így az eredeti betűszó néhányszor megváltozott ahhoz képest, amit eredetileg Charles H. Townes, [1] javasolt: "molecular amplification by stimulated emission of radiation.", azaz ’molekuláris erősítés stimulált sugárzás által.’ Amikor a lézert kifejlesztették, Townes és Schawlow valamint kollegáik a Bell Labs-nál az optikai mézer (optical maser) kifejezést használták, de ez átment a lézer-be (laser), amelyet riválisuk Gordon Gould javasolt. A mai modern közhasználatban lézernek hívják azt az eszközt, amely a röntgensugaraktól az infravörös tartományig sugároz; azokat az eszközöket, amelyek a mikrohullámú tartományban és az alatt sugároznak, mézereknek hívják, függetlenül attól, hogy mikrohullámon vagy más frekvencián sugároznak. Gould eredetileg egyértelműen megkülönböztető elnevezéseket javasolt a különféle tartományokban sugárzó eszközök nevére, mint például ’graser’ (a gamma sugár lézer), ’xaser’ (az x-sugár (röntgen) lézer), ’lézer’ (a látható lézer), ’iraser’ (infravörös lézer), ’maser’ (mikrohullámú mézer) és ’raser’ (RF mézer). A legtöbb elnevezést sosem használták és ma már elavultak (kivéve a sci-fi-ben) és csak a mézer és lézer maradt meg.

Mézerek a sci-fi–ben

Mézerek gyakran tűnnek fel a sci-fi irodalomban és filmekben. A karakterisztikájuk gyakorta különbözik a valóságban létező és működő mézerektől és kétséges, hogy bármikor is elő lehet állítani úgynevezett mézerfegyvereket. Néhány példa a mézereknek a sci-fi-kben történt megjelenésére:

• A mézerek a Godzilla sorozat kedvelt fegyverei közé tartoznak
• Szörnyfilmekben , mint a Toho, a „mézertank” kedvelt szörnyellenes fegyver
• Számos videójátékban mézerfegyverekkel lehet lövöldözni, ahol a felerősített mikrohullámok mindent elpusztítanak
• Japán animációs filmek (Transformers, Gundam, GaoGaiGar, Code Geass stb.) részei a mézerek
• A Star Wars Expanded Universe-ben kézi fegyverként mézer használatos
• A Star Control-ban az emberiség védelmi fegyvere a mézer
• A Lost In Space tv-sorozatban a mézer a teleportálás eszköze
• A Star Trek-ben phasernek hívják a fotonmézert
• A Nintendo DS video játék "Infinite Space", 'Maser Blasters' elnevezésű kézifegyver szerepe.

Források

• Myring, Lynn- Kimmitt, Maurice: Lézer, Műszaki Könyvkiadó, 1988
• Malcolm Gray: Maser Sources in Astrophysics, University of Manchester, Series: Cambridge Astrophysics, ISBN 9780521879804
• FUNDAMENTALS OF LIGHT SOURCES AND LASERS Mark Csele, 3.66 M.B,/interneten szabadon letölthető, angol
• J.R. Singer, Masers, John Whiley and Sons Inc., 1959
• J. Vanier, C. Audoin, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards, Adam Hilger, Bristol, 1989.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Maser című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Külső hivatkozások

• Mézerek és lézerek - muszeroldal.hu
• 50 éves a lézer - termeszetvilaga.hu