Как работает микроволновой мазер?

Слово «лазер» и принцип действия этого устройства известно людям. Близкое по звучанию слово «мазер» известно гораздо меньше. Оно представляет собой аббревиатуру из первых букв слов английского определения «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». То есть в отличие от лазера, испускающего свет, близкий по конструкции мазер испускает микроволновые пучки.

Впервые такое устройство было разработано советскими и американскими физиками в 1954 году. Впоследствии, ученые А. Прохоров, Н. Басов и Ч. Таунс были удостоены за это Нобелевской премии. Долгое время мазер не находил практического применения, поскольку для его работы требовались жесткие условия: вакуум и очень низкая температура (близкая к абсолютному нулю). К тому же даже при таких условиях мощность мазера была намного ниже мощности лазера. Однако недавно физики из Британской национальной физической лаборатории разработали модель мазера, который может работать при комнатной температуре и давлении. Их работа основывалась на исследовании ученых из Японии, которые в конце 20-го века проводили опыты, облучая лазером органическое соединение пентацен. Они обнаружили, что под воздействием лазерных лучей молекулы вещества могут работать, как мазер. Поскольку японских исследователей интересовал другой вопрос (рассеяние нейтронов), они не придали значения обнаруженному феномену. Британцы же, найдя описание этих экспериментов, решили добавить пентацен к другому органическому веществу, чтобы получить кристаллы, похожие на те, которые используются в лазерах. После серии неудач кристаллы требуемой формы и цвета были выделены. Исследователи вставили их в прозрачные сапфировые кольца, после чего, поместив образовавшуюся конструкцию в резонатор, облучили лазером. Полученный результат превзошел самые смелые ожидания. Лазерный луч привел молекулы пентацена в возбужденное (нестабильное) состояние. При обратном переходе молекул в стабильное состояние образовался поток микроволн в виде луча, который по интенсивности неизмеримо превосходил лучи, генерируемые прежними моделями мазера. «Полученный сигнал был в сто миллионов раз мощнее, чем у существующих мазеров», - говорил физик Марк Оксборроу, под руководством которого проводились эти эксперименты. Устройство, полученное британцами, исключительно перспективно, хоть и требует больших усилий по доработке. Сейчас мазер Оксборроу генерирует лишь очень кратковременные импульсы, причем широкого диапазона волн. Если удастся заставить его работать постоянно, к тому же в более узком волновом диапазоне, мазер найдет очень широкое применение в самых разных областях науки и техники.