ریشه لغوی

میزر Maser حروف اول عبارت: Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation به معنای تقویت امواج میکروویو بوسیله تحصیل تحریکی تابش ، می‌باشد. این پدیده یکی از چشمه‌های نوری است که تولید آن به دمای جسم بستگی ندارد (Non Thermal radiation). سیستم میزرها به مانند لیزر است. میزرها در ناحیه بسیار فشرده در میان سحابیها (که معمولا از مولکولها تشکیل شده‌اند) رخ می‌دهد. فضای میان ستاره‌ای شامل گونه های کمی از مولکولها مانند SiO و OH ، گاز اکسیژن ، گاز هیدروژن و آب می‌باشد.

بخاطر پراکندگی این مولکولها ، خطوط طیف نشری آنها بسیار ضعیف و شناسایی آنها بسیار سخت است؛ اما با استفاده از پدیده "میزر" می‌توان حتی در کهکشانهای دیگر هم آنها را شناسایی کرد.

تاریخچه

در مدت زمان جنگ جهانی دوم ، تلاشهای فراوانی در گسترش طول موج مورد استفاده در رادار به طرف ناحیه سانتی و میلیمتر انجام شد. تاونز که در طی جنگ روی امواج 1.25 سانتیمتری کار می‌کرد، مشاهده کرد که در بخار آمونیاک ، جذب شدیدی صورت می‌گیرد. وی با اتکا به کارهای پورسل Pvrecell و پوند Pound در 1320/1951 که برخی اثرهای دمای منفی را مورد مشاهده قرار داده بودند، به این فکر افتاد که ممکن است مولکول آمونیاک خود به عنوان یک منبع کهموج عمل کند.

مسیر رشد و تحول

بعد از کشف تا ونز در 1320/1951 و کارهای وسیعتر روی این مساله سرانجام در اواخر سال 1332/1953 گوردون Gordon ، زایگر Zeiger و تاونز در دانشگاه کلمبیا با استفاده از این اصل وسیله‌ای ساختند و نامش را میزر گذاشتند. جستجو برای پیدا کردن یک میزر قابل تنظیم پر قدرت و با عرض نوار پهن سبب شد که بلومبرگن Bloembergan در 1335/1956 میزر سه ترازی را پیشنهاد کند. اولین وسیله‌ای که بر این اساس کار می‌کرد در سال 1335/1956 توسط اسکوویل Scovil ، فر Feher و سیدیل Seidel در آزمایشگاههای تلفن بل ساخته شد. در این لیزر ، یون گادولینیوم Gadolinium بصورت سولفات اتیل گادولینیوم بکار گرفته شد. این ماده تا 1.2 درجه کلوین سرد و در یک بسامد 17500 مگاهرتز با یک میدان اعمالی 2850 اورستد پمپ گردید. عمل میزر در بسامد 9060 مگا هرتز حاصل شد.

سال بعد در 1336/1957 مک ورتر McWhorter و مییر Meyer در آزمایشگاه لینکلن در سازمان تحقیقات فنی ماساچوسف ، یونهای کروم را بصورت سیانیدکوبالت پتاسیم و نوسان و تقویت را بدست آوردند. این وسیله در دمای 1.25 کلوین عمل می‌کرد و عرض نواری چندین صد کیلو هرتز حاصل شده بود.

فرق لیزر و میزر چیست؟

میزر زمانی رخ می‌دهد که مولکولهای یک ابر مولکولی در حالت برانگیخته باشند. تفاوت لیزر و میزر درهمین جا است، چون در لیزرها اتم گازی در حالت برانگیخته شده است. در حالی که در میزر مولکول برانگیخته می‌شود و می‌خواهد به حالت پایه برگردد به همین منظور همان مقدار انرژِی را که گرفته بصورت فوتون پس می‌دهد. این موج الکترومغناطیس که ازبین مولکولهای برانگیخته دیگر عبورمی کند، اولا سرعت برگشتن به حالت پایه مولکولهای دیگر را افزایش می‌دهد، دوما با موج الکترومغناطیس دیگر مولکولها هم فاز بوده بنابراین تداخل سازنده خواهند داشت و دامنه موجی که از سحابی بیرون بیاید چند برابر می‌شود. به همین ترتیب شدت تابش موج الکترومغناطیس افزایش می‌یابد.

در لیزرها تقویت امواج نوری که از فرآیند گسیل ، خود به خود ایجاد می‌شود صورت می‌گیرد، ولی در لیزرها تقریبا امواج میکرو ویو نظیر امواج کهموج صورت می‌گیرد. در حالت عادی میزر درحالتهای زیر اتفاق می‌افتد:

1. وقتی ابر مولکولی درمقابل یک چشمه امواج الکترومغناطیسی قرار گیرد. مانند زمانی که یک ستاره جوان پر نور در پشت آن قرار گیرد.
2. وقتی ابرهای بزرگ (H₂(GMC با آنها برخورد کند.

انواع میزر

میزرها دو گونه مهم دارند:

میزر آمونیاکی

یک مولکول آمونیاک ، مطابق شکل زیر می‌تواند در انرژی که از دو وضعیت اتم ازت نسبت به اتمهای هیدروژن حاصل می‌شوند، اخذ کند. یعنی یک حالت این که نیتروژن در یک طرف اتمهای هیدروژن قرار گیرد و حالت دیگر این که اتم نیتروژن در سمت قرینه حالت قبل نسبت به اتمهای هیدروژن قرار گیرد. تاونز استدلال کرد که اگر در یک مخزن محتوی آمونیاک بتوان به تعداد کافی از اتمها را که دارای حالت انرژی بالا هستند، بوجود آورد، در این صورت فوتونی که انرژی ان برابر با اختلاف انرژی بین دو ترازاست، می‌تواند یک اندرکنش زنجیره‌ای را آغاز کند که در آن گسیل القایی بر جذب غالب و یک موج تقویت شده توسط گسیلهای القایی متوالی حاصل می‌شوند.

ساز و کار میزر آمونیاکی

ابتدا باریکه مولکولها را از داخل متمرکز کننده الکتروستاتیکی که دارای اثر همگرا کننده برای مولکولهای با حالت انرژی بالا و خاصیت واگرا کننده برای مولکولهای با حالت انرژی پایین است، عبور می‌دهند. تحویل مستقیم مولکولهای آمونیاک توسطی اتصال یک رشته از لوله‌های باریک به تانک حاوی گاز آمونیاک ، تحت فشار چند تور عملی می‌شود. خود متمرکز کننده ، از یک قفسه چهار میله‌ای ، هر یک به درازی 55 سانتیمتر که به فاصله یک سانتیمتر از هم قرار گرفته‌اند و به عنوان الکترود کار می‌کنند، تشکیل یافته است. دو الکترود دو به دو به زمین وصل شده‌اند و دوتای دیگر در پتانسیل 15 کیلووات نگه داشته می‌شوند. با این روش ساده فیزیکی برای دور کردن مولکولهای با انرژی پایین ، یا یک وارونی تجمع در گازی که سیستم متمرکز کننده را ترک می‌کند، بوجود می‌آید.

سپس باریکه تمرکز یافته مولکولهای با انرژی بالا وارد حفره‌ای می‌شود که آن حفره در فرکانس تشدید بین حالات بالایی و پایینی مولکول آمونیاک ، یعنی 23870 مگا هرتز طرح شده است. بنابراین وقتی یک علامت کهموجی با این فرکانس وارد حفره شود، تقویت می‌شود. اگر به حد کافی مولکولهای با انرژی بالا به داخل حفره تزریق شود، گسیل خود به خود می‌تواند یک اندرکنش زنجیره‌ای خود نگهدار آغاز کند و آنگاه میزر به عنوان یک نوسانگر عمل خواهد کرد.

کارایی میزرهای آمونیاکی

توان خروجی یک نوسانگر میزر آمونیاکی بسیار پایین و در حدود 1010- وات است، ولی طیف بسیار خالصی دارد. به عنوان یک تقویت کننده ، این نوسانگر محدود است به یک نوار کم عرض در حدود فقط چند کیلو هرتز در پیرامون فرکانس مرکزی و البته امکان تغییر طرح برای کار در فرکانسهای مختلف وجود ندارد. به همین دلیل ، میزر آمونیاکی بیشتر به عنوان یک معیار بسامد مورد استفاده است.

میزر سه ترازی

همانطور که می‌دانیم شرط لازم برای انجام عمل لیزر ، ایجاد وارونی تجمع بین دو تراز در یک سیستم اتمی یا مولکولی است. در مورد میزر آمونیاکی ، این شرط با دور کردن فیزیکی مولکولها با حالت انرژی پایین از سیستم حاصل شد. در حالت کلی یک چنین روشی عملی نیست و باید روش مناسبتری پیدا کرد. طرح بلومبرگن Bloembergen که اولین بار این نوع میزر را پیشنهاد کرد، این بود که یک سیستم سه ترازی مناسبی را انتخاب کند که در آن در نتیجه توزیع بولتزمن تجمع ترازهای انرژی از تراز پایین به تراز بالا کاهش یابد و با افزودن یونهای با بسامد دقیق ، اتمها از ترازهای زیری به ترازهای بالا ، پمپ شوند.

با توجه به اینکه احتمال جذب و گسیل القایی باهم برابرند، سیستم با تجمع مساوی در ترازهای بالا و پایین به حالت پایدار در می‌آید با وجود این تحت این شرایط ، اگر فاصله نسبی بین سه تراز به دقت انتخاب شوند، در این صورت می‌توان تجمع تراز وسطی را از تجمع پایینی بیشتر کرد. در نتیجه تجمع وارونی بین حالات وسطی و پایینی بوجود می‌آید و عمل لیزر ممکن می‌شود.

بر خلاف فوتونهای نور یک فوتون کهموجی در مقایسه با انرژی حرارتی بسیار کوچک است. از این رو سه تراز انرژی بسیار نزدیک به هم و در نتیجه خیلی نزدیک به حالت پایه خواهند بود. پس در دمای اتاق تجمع آنها تقریبا باهم برابر خواهند بود. برای افزایش اختلاف جمعیت ، محیط فعال را تا دمای هلیوم مایع (چهار درجه کلوین) سرد می‌کنند و بدین ترتیب مطابق فرمول زیر یک اختلاف بزرگ در تجمع بین ترازها فراهم می‌شود.

ساختمان یک میزر سه ترازی

برای ساختن یک میزر سه ترازی ، لازم است ماده‌ای که دارای سه تراز جدا از هم ، توسط گاف هم ارز با بسامدهای کهموجی باشد، پیدا کرد. بلومبرگن معتقد بود که مواد پارامغناطیس می‌توانند برای این منظور مناسب باشند. اینها بلورهایی هستند که اتمها یا مولکولهای آنها در محل مغناطیسهای دائمی هستند. وقتی مغناطیس درست در خلاف جهت میدان قرار گیرد، اتم یا مولکول دارای بالاترین مقدار ممکن انرژی پتانسیل است.

کاربرد

ازاین سیستم در آنتنهای رادیویی برای تقویت امواج دریافت شده استفاده می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر شیمیایی
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی