关于微波受激发射放大介绍

[拼音]：weibo shouji fashe fangda

[外文]：microwave amplification by stimulated emission of radiation

高低两能态粒子布居数反转的原子（或分子、离子等）系统受微波辐射场激励时，受激态原子齐同作共振发射跃迁，产生的微波放大。简称微波激射放大或量子放大，英文缩写为 Maser。如果放大的能量能补偿系统的损耗，那么将产生振荡。为此建立的装置称为微波激射放大器或振荡器。

原子系统自发的低度非相干受激发射，早为人们所知。在实验室得到完全相干的受激发射是物理学实验上的突破。1954年，C.H.汤斯和他的同实验者（中国学者王天眷参与了此项研究）成功地获得了氨分子微波激射放大和振荡，装置按理论预卜运转，遂命名为 “Maser”。苏联的Η.Γ.巴索夫和A.М.普罗霍罗夫也在差不多同时独立研制了同样的微波激射器。汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫于1964年共同获得诺贝尔物理学奖。

因碰撞和动态热平衡，在室温下高低两能态的气体分子数依玻耳兹曼分布律分布（见玻耳兹曼统计），此时低态分子数多于高态分子数，当加上与两能态间共振跃迁相应频率的辐射场时，只能观察到吸收线，若要产生发射，必须使高能态上的分子数多于低能态的，即实现布居数反转。氨分子束激射器实验布置如图1a所示。分子束系统密封在高真空包壳内，氨分子通过束源的一束细管，产生分子束，射入选态焦聚器，此器件由四条圆柱形高压电极组成，其截面如图1b所示。它的轴心和束轴平行，圆柱电压正负相间，柱的间隙中有不均匀电场存在，其强度随离轴心距离的增大而增高。氨3-3线的分子(带有电偶极矩)通过焦聚器的电场，场强越高，高能态分子的能量就越高，因此受到拉近电极轴心的焦聚力而会聚，低能态分子则受到相反的力而散失。分子束经焦聚器后，从一端圆孔注入圆柱形的微波谐振腔内，腔为TM模，将谐振频率调到3-3线的共振跃迁频率即 23870MHz时，如受微弱场激励，就产生受激发射（激射）放大。谱线很窄，线宽仅为吸收线的十分之一。且噪声极小，仅有量子的散粒噪声。因放大能量来自量子作用，故称量子放大。如增加束强，量子能量超过腔内的损耗，则系统在无微波能量输入时，就能维持运转，即产生振荡，振荡后谱线频率纯度极高（相干性极高），准确度达10-11，这主要是由分子跃迁的稳定特性决定的。

两能态分子的激射也能在甲醛(CH2O)分子转动能态跃迁中实现，于 28975MHz中可分辨10～23kHz的超精细分裂。

含过渡元素离子、 F色心、自由基等的顺磁固体中，存在不成对电子，其磁矩为－μe（见顺磁性）。在恒磁场B0中，自旋同磁场平行的态为激发态自旋同磁场反平行的态为基态，两能态的能量差为μeB0，在系统与环境温度平衡后，基态电子的布居数大于受激态，如以共振频率v=μeB0/h的脉冲电磁场激励(h 为普朗克常数)，脉冲宽度合适，就可产生能态布居数反转，再引入共振信号，就能产生固体两能态电子顺磁共振的激射。要使能态上的粒子布居数反转，也可将激励连续波经适当的速率(慢于电子自旋旋进的角速率)循一方向扫频，频率扫经共振频率时实现；或将所加的磁场倒转来实现；从而得到激射。

如将含质子（氢原子核）的样品替代顺磁固体，安置于恒磁场中，则质子将与电子相似，产生核磁共振，也可得到激射，它的频率在射频频带，只为电子顺磁共振的。含质子的样品一般为液体，可先将液体流经一前置磁场中极化，再经一反向的实验（第二）磁场，产生激射，这就是液体的激射器。

含过渡元素离子的顺磁晶体，电子自旋和轨道运动耦合，在磁场作用下，将呈现不等距三能态，如图2中红宝石 (CrAlO3)的铬离子（Cr3+）的能态图，E3＞E2＞E1，E1、E2、E3的布居数为n1、n2、n3，按玻耳兹曼分布时 n1＞n2＞n3。如在样品系统上加以频率为的激励电磁场，可使布居数发生变化，并使n婭＞n2，这程序称抽运或泵，此时系统可在的频率上产生激射。经此激射后，又将E3 上的粒子转移到E2 上，使得n娦＞姈，又产生频率为的级联激射。

其他晶体，如含Cr3+的K3CO、Cr(CN)6及含Gd3+(钆)的 GdLa(C2H5SO4)·9H2O晶体，也可产生三能态顺磁共振激射。两能态激射器须脉冲抽运才能运转，三能态激射器可连续运转，较为有用。

顺磁晶体四能态系统的各式抽运和激射机制表示见图3。图3a表示以为抽运频率，可产生和的激射。图3b表示以 为抽运频率，可产生的激射。若如图3c， 以为抽运频率，可产生的激射。

腔式固体三能态激射器可连续运转，但频宽较窄，而频宽与增益成反比，如要扩大系统的频宽，则须降低激射增益，而减小系统的声噪比，因此不能发挥激射低噪声的优越性。行波激射放大系统有频宽宽、噪声低的优点，这系统用红宝石作活性材料，切割成长片，加以磁场，纵向地安放在矩形波导管中的一侧，波导一端单向输入抽运频率为vp（高频）的微波功率，它向前行进时对红宝石的能态起抽运作用，使与运转频率v相应的两能态布居数反转，可诱使频率为v的激射放大波向另一端单向输出，波导管上放置梳形慢波结构，以延缓微波行进波速，提高运转效率，同时也可用于激射器的频率调谐，达到良好的行波激射放大。

吸收谱线一般比较宽，谱线超精细结构(见原子光谱的超精细结构)比较复杂，无法分辨，自氨受激发射运转后，因激射线比吸收线狭窄很多（线宽仅为7kHz），就可将系统用作高分辨谱仪，将氨分子3－3线的超精细卫星线显示得十分清晰。通过精确测量，算出极准确的分子结构常数，得到N－H键的长度为1.014┱， N－H键和分子对称轴的夹角为67°58┡；1H和1H的自旋相互作用能量为27.7kHz，式中gH为质子的朗德g因子，μN为核磁子，r为质子和质子间的距离。氮核电四极矩eQN（e为电子电荷的绝对值）和周围电场梯度q的耦合常数的平均值为

。

如将氨3-3线的激射振荡和一速调管锁频，以提高速调管的稳定度，用作测量主线旁卫星线的频率，使观察的分辨率和声噪比提高约两个数量级。

室温下氨激射放大器的噪声系数F为－2.0dB（分贝），很接近理想激射放大的理论值。因在微波波段内，光子能量hv小于热辐射能量 kT，即hv＜kT（k为玻耳兹曼常数，T为系统的绝对温度），激射放大的噪声主要是热噪声，考虑将电子自旋的温度作为顺磁激射放大器的热噪声温度，实验测得它的有效温度Te接近于绝对温度0 K，故kTe≈0，激射放大的噪声仅为光子的散粒噪声，极小，为最优良的放大器。

因氢（氕）原子基态为1s2S½，电子自旋为，氢核(质子)的自旋为，故氢原子基态超精细结构分为F=1和F=0两态，在弱磁场中的分裂如图4a所示。F=1，MF=0态至F=0、MF=0态的跃迁频率，与磁场B仅有二次方的关系，因磁场极小，它的影响也就很小。氢激射器即选定以此超精细跃迁的频率运转，它的仪器结构示如图4b。全部系统密封在真空容器中。用高频放电将氢分子分解得到氢原子，经过细管(源)形成原子束，此束通过六极不均匀磁场选态焦聚，受激态(F=1，MF=0)原子射入微波共振腔内的贮存泡中。腔用石英制成，内部镀银，采用圆柱型E模，得到相当高的Q（品质因数）值；将腔调谐到基态(F＝1，MF＝0)的跃迁频率上，约为 1420、405MHz；腔外装有三至四层磁屏蔽，以消除地磁对系统的影响；但须加以微弱的磁场，以分别超精细态的磁子态。贮存泡也用石英制成，为圆球形或长圆球形的薄泡，内镀一层聚四氟乙烯薄膜，使激发态的氢原子和泡壁碰撞时不产生能态跃迁。受激态原子在腔内的场中产生激射放大。当受激态原子放出的光子能量足够补偿腔的损耗时，就产生振荡。振荡频率稳定度极高，达10-15数量级。因氢原子的超精细跃迁频率受贮存泡镀层的影响，不同镀层有不同频移（壁移），则其频率准确度稍优于1×10-13。

1951年在射电天文研究中发现了氢原子的基态超精细激射。N.F.拉姆齐和他的实验同伴，首先在实验室中建立了观察系统，并实现了运转(1960)。

振荡的氢激射器可用作自激型量子(原子)频标，未振荡的氢激射器则用作非自激型频标。

氢激射器的腔可采用其他模式（不同于E模），或用介质填充的低Q值的腔，接以半导体放大器由反馈来提高有效Q值，促使系统振荡，并使整体小型化和轻化，再用另一非自激型系统的氢激射线作参考，自动调谐腔的频率使之吻合原子跃迁，以消除温度漂移及其他影响所产生的频移。对照 9台商品铯束的系统，这种激射振荡器的频率，可稳定到(1±5)×10-16（每日）（72日平均值）。

铷激射器是用铷原子作为活性物质实现的。天然铷(Rb)有两种同位素，即87Rb，丰度为27.85％，核自旋I=3/2;和85Rb，丰度为72.15％，核自旋I=5/2。铷原子的基态为6s2S½，87Rb因核自旋比85Rb小，其超精细分裂比较简单。 铷激射器在87Rb的基态超精细跃迁频率6834.682M Hz附近运转，铷原子基态的超精细高低两态的布居数反转借铷灯的光抽运作用达到，示意如图5a。铷激射器的结构系统如图5b示意。87Rb原子贮存在薄壳的石英泡内，充以缓冲气体氮(N2)用高频放电的 87Rb灯的光抽运激励，87Rb灯和贮存泡间加85Rb的滤光泡，以增加光抽运的效率。87Rb贮存泡安置在微波腔内，腔以石英或低膨胀系数的微晶玻璃制成，外有三至四层磁屏蔽，以消除地磁影响，并加以均匀的弱磁场以便选择需要的超精细磁子态。将腔调谐到基态超精细的跃迁频率，即可实现激射。铷激射振荡器的短期（秒以下）频率稳定度极高，优于10-13，为短期频率稳定度最高的振荡器。

微波和射频激射的实验成功和理论开展，迅速导致了激光的问世，使停滞很久的光学发生了革命性的变化。微波激射振荡器现已广泛地用作量子钟（时间、频率标准）。频率稳定度优于10-6的高稳定、高准确振荡器的实现是当今科学上高准确数字测量的基础，对精密测量物理常数或原子、分子的结构及运动，起了主要作用。轻便牢固的氢激射振荡器，可装在火箭和人造卫星上运转，作验证相对论理论的各种细致深入的实验，并达到前所未有的准确。也可用于长底线微波干涉仪，以准确测量天体运动、大陆漂移和地壳形变等，对导航通信也起了重大作用。激射放大器因噪声低，可用作射电望远镜和雷达系统接收机的前置放大器，以提高灵敏度。激射的研究开辟了新兴的学科──量子电子学和量子光学。微波激射放大的问世，对工农业生产，科学研究起了重大的促进作用并开拓了新的广阔的前景。

参考书目

1. J.P.Gordon，H.J.Zeiger and C.H.Townes，Phys.Rev.，Vo1.99， p.1264， 1955.
2. K.Shimoda， T.C.Wang and C.H.Townes， Phys. Rev.，Vo1.102， p.1308， 1956.
3. J.P.Gordon， Phys. Rev.， Vo1.99， p.1253，1955.
4. K.Shimoda and T.C.Wang， Reviews of Scientific Instrument， Vo1.26， p.1148，1955.
5. L.E.Alsop， J.A.Giordmaine， C.H.Townes and T.C.Wang，Phys. Rev.， Vo1.107， p.1450，1957.
6. H.M.Goldenberg， D.Kleppner and N.F.Ramsey， Phys. Rev. Lett.， Vo1.5，p.361，1960; PhysRev.，Vo1.123，p.530，1961.
7. F.L.Walls and D.A.Howe，Journal de Physique，Vo1.42，C8-151，1981.
8. P.Davidovits and N.Knable， J. Appl， Phys.，Vo1.35，p.3042，1964.