什么是微波激射器?

[拼音]：weibo jisheqi

[外文]：maser-microwave ampliffcation by stimulated emission of radiation

利用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互作用，在微波波段获得放大或振荡的量子器件。对于原子（或分子）的某两个能级，若其布居数是处于粒子数反转的状态，即上能级的布居数大于下能级的布居数，则与入射电磁波相互作用后总的表现为原子辐射相干电磁波，从而使入射电磁波的能量增加，这就是量子放大。如果入射电磁波的频率为微波频率，则利用这种原理制成的放大器称为微波量子放大器。若再加上适当的反馈装置，则微波量子放大器就可以变成为微波量子振荡器。微波激射器是微波量子放大器和微波量子振荡器的统称。

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尔文，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。用红宝石作工作物质的微波量子放大器如图1，W为能量值，D为半零场分裂值。红宝石中Cr


离子基态能级图如图1a。此图对应其晶轴和外磁场的夹角为54.7°，在磁感应强度B=0.42T（特）时，抽运频率为24.2吉赫，可同时引起在能级1与3间及能级2与4间的跃迁，只要抽运功率足够大，就可以造成能级2与3间的粒子数反转。能级2与3间的跃迁频率，就是工作频率（9.4吉赫）。图1b是这种量子放大器结构的示意。红宝石放在一个双频谐振腔中。此腔同时对24.2吉赫和 9.4吉赫频率谐振，整个腔置于液氦中冷却到4.2K以下。

氨分子振荡器是在1954年建成的世界上第一种微波量子振荡器。频率稳定度较高，可达10


，故可制成氨分子钟。但它已被氢原子量子振荡器所代替。氢原子量子振荡器是量子振荡器中长期频率稳定度最高的（达10


数量级），可以作为频率和时间的标准（图2）。图2a是氢原子基态能级图(W为能量值hv0为零场分裂值，


μ0为玻尔磁子)。其中F＝1，mF＝0态和F＝0，тF＝0态两个能级在弱磁场下对外磁场变化不敏感，不易受外磁场的干扰而使能级移动，其间的跃迁频率也就非常稳定，因而被选作为频率标准。图2b是它的结构示意图，原子束中的氢原子经过磁铁选态，可以把处在F＝1，тF＝0态的原子集中到谐振腔内的储存泡中;而把处在F＝0，тF＝0态的原子偏离开。只要原子数足够多，谐振腔Q值足够高，就可以产生微波量子振荡。

参考书目

J.R.Singer，Masers，John Wiley and Sons，New York，1959.