میزر (Maser) چیست؟ — به زبان ساده

در مقاله «لیزر چیست؟ -- به زبان ساده» با اصول فیزیکی و ساختار لیزرها آشنا شدید. دیدیم که کلمه LASER از حروف اول عبارت "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"نتیجه شده و به معنی تابش نور تقویت شده حاصل از فرآیند گسیل القایی (تحریکی - Stimulated) است. در این مقاله قصد داریم تا شما را با میزر (Maser) آشنا کنیم. می‌توان گفت که کشف و اختراع میزرها باعث شد تا دانشمندان به فکر تولید لیزرها فرو روند.

همانند تعریف کلمه لیزر، MASER نیز از حروف اول عبارت "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" نتیجه شده و به معنی تابش مایکروویو تقویت شده حاصل از گسیل القایی است. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا با زبانی ساده بیشتر به معرفی و اصول عملکرد یک میزر بپردازیم.

میزر چیست؟

همان‌طور که در مقدمه بیان کردیم، میزر به معنی تابش میکروویو تقویت شده حاصل از گسیل القایی است. در مقاله «امواج رادیویی -- به زبان ساده» دیدیم که امواج الکترومغناطیسی رادیویی فرکانس بالا (ٰVHF ~ SHF) به امواج مایکروویو موسوم هستند؛

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

برخی مراجع ناحیه مایکروویو را ناحیه‌ای جداگانه در  طیف الکترومغناطیسی به حساب آورده و آن را بین ناحیه رادیویی و مادون قرمز قرار می‌دهند. جهت آشنایی بیشتر با امواج مایکروویو/میکروویو، به مقاله «مایکروویو (Microwave) یا ریز موج -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

میزر اولین بار در سال 1953 میلادی توسط فیزیکدانانی به نام‌های تاونز (Charles H. Townes)، گوردن (James P. Gordon) و زیگر (H. J. Zeiger) در دانشگاه کلمبیا ساخته شد. همچنین در سال 1964 میلادی تاونز (Townes)، باسُو (Nikolay Basov) و پروخوروف (Alexander Prokhorov) به دلیل تشریح و توسعه تئوری عملکرد میزر (Maser)، جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند.

میزر ها می‌توانند به عنوان تقویت کننده‌های بسیار کم نویز در نجوم رادیویی و ارتباطات (مخابرات) ایستگاه‌های زمینی با فضا‌پیما‌ها استفاده شوند. همچنین به عنوان یک دستگاه جهت تنظمیم زمان (Timekeeping Device) در ساعت‌های اتمی به کار می‌روند. امروزه میزر های مدرن و پیشرفته نه تنها در تولید امواج تقویت شده میکروویو، بلکه می‌توانند در سایر فرکانس‌ها، نظیر رادیویی و مادون قرمز نیز کار کنند. به همین دلیل، تاونز (Townes) پیشنهاد کرد تا کلمه "Microwave" در عبارت "MASER" با کلمه "Molecular" (مولکولی) جایگزین شود. می‌توان گفت که ایده ساخت و طراحی لیزرها نیز برخواسته از همین امر است.

لیزرها نیز که بر اساس فیزیکی مشابه با میزرها کار می‌کنند، بر اساس ایده‌ میزرها، در سال 1960 میلادی توسط تئودور میمن (Theodore Maiman) اختراع شدند. یک لیزر در واقع همان میزر (با کلمه اول Molecular) است که در فرکانس‌های بالاتر ناحیه اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش) کار می‌کند. در سال‌های ابتدایی اختراع لیزرها، عبارت میزر اپتیکی (Optical Maser) را برای آنان به کار می‌بردند.

فیزیک و اصول کارکرد میزر

فیزیک میزر و همچنین لیزر، بر اساس گسیل القایی یا گسیل تحریک شده (Stimulated Emission) است که اولین بار آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در سال 1917 آن را مطرح کرد. به طور خلاصه و بیانی ساده می‌توان فیزیک این نوع تابش را به صورت زیر شرح داد.

فیلم آموزش فیزیک لیزر در فرادرس

کلیک کنید

جذب (Absorb)

در مدل اتمی شبه کوانتومی بور که درک شهودی بسیار خوبی از ساختار اتم‌ها برای ما پدید می‌آورد، دیدیم که الکترون‌ها به دور هسته روی ترازها یا مدارهایی حرکت می‌کنند. در این حالت هیچ گونه تابشی از اتم گسیل نمی‌شود. بور بیان کرد تنها در صورتی الکترون‌ها تراز یا مدار خود را عوض می‌کنند که انرژی دریافت و یا از دست بدهند. فرض کنید که الکترونی از حالت (مدار - تراز) $$n_{1}$$ به حالت $$(n_{2} > n_{1})\ n_{2}$$ برود. در این صورت الکترون باید انرژی بگیرید که ما انرژی لازم برای این امر را با تابش فوتونی به اتم انجام می‌دهیم. در این صورت اتم انرژی فوتون‌ها را گرفته و الکترون‌های آن برانگیخته می‌شوند.

$$\large Atom \ + \ Photon\ = \ Atom^{*}$$

$$\large \Rightarrow E_{1}\ + \ hf\ = E_{2}\ \rightarrow\ \triangle E\ =\ E_{2}\ -\ E_{1}\ =\ hf$$

در اکثر مراجع علمی، معمولاً اتم یا حالت‌های برانگیخته را با نماد * نشان می‌دهند. یکی از حالت‌های برهمکنش فوتون با اتم، جذب نام دارد. دقت داشته باشید برای آنکه الکترون بتواند به تراز بالاتر برود، مقدار انرژی فوتون فرودی باید به اندازه اختلاف انرژی دو تراز مذکور (مبدأ و مقصد) باشد (رابطه فوق).

گسیل خود به خودی (Spontaneous Emission)

بدیهی است که حالت برانگیخته، حالتی ناپایدار بوده و الکترون‌های ناپایدار تمایل دارند به تراز‌های پایین‌تر گذار کنند. الکترون‌های اتم برانگیخته با تابش فوتون می‌توانند به حالت پایدارتری برسند. یعنی:

$$\large Atom^{*}\ =\ Atom\ +\ Photon$$

$$\large \Rightarrow \triangle E\ =\ E_{2}\ -\ E_{1}\ =\ hf$$

لازم به ذکر است که فرآیند فوق، گسیل (تابش) خود به خودی نام دارد. دقت داشته باشید در این حالت نیز، انرژی فوتون گسیل شده به اندازه اختلاف انرژی دو تراز (مبدا و مقصد الکترون) است. در فرآیند تابش (گسیل) خودبه‌خودی، فوتون‌های تابش‌ شده با یکدیگر از حیث فرکانس و فاز متفاوت‌اند. دلیل این امر گذارهای متفاوت الکترون‌‌ها به تراز‌های مختلف است.

گسیل القایی یا گسیل تحریکی (Stimulated Emission)

نوع دیگری از برهمکنش فوتون با اتم وجود دارد که اساس کار میزر و در نتیجه لیزرها است. فرض کنید که با دادن انرژی به اتم‌های یک محیط آن‌ها را در حالت برانگیخته قرار دادیم (به این عمل به اصطلاح پمپ کردن انرژی می‌گویند). فرض کنید که مقدار انرژی پمپ به قدری باشد که بتوانیم این الکترون‌های برانگیخته را قبل از تابش خود‌به‌خودی و برگشت به حالت پایه یا ترازهایی با انرژی کمتر، برای مدتی در حالت یا تراز برانگیخته نگه داریم. اصطلاحاً به این تراز «شبه پایدار» (Meta - Stable State) می‌گویند.

لازم به ذکر است که با عمل پمپ کردن، تعداد الکترون‌های برانگیخته نسبت به تعداد الکترون‌های حالت پایه بیشتر بوده و از این حیث به این حالت «وارونی جمعیت» (Population Inversion) می‌گویند. حال اگر فوتونی با انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز برانگیخته و پایه به محیط حاوی اتم‌های برانیگخته (این محیط اصطلاحاً به محیط فعال یا بهره موسوم است) بتابانیم، باعث می‌شویم که الکترون‌های برانگیخته، فوتونی با همان فرکانس تابش و به حالت پایه باز گردند. این امر به گسیل القایی یا تحریک شده موسوم است. این عمل را می‌توان در شکل زیر نشان داد:

در حالت ساده، یعنی اگر فقط یک الکترون برانگیخته داشته باشیم، در صورت تابش فوتون و رخ دادن فرآیند گسیل القایی، دو فوتون (یکی فوتون اولیه تابش شده و دومی فوتون تابش شده از الکترون) در محیط داریم که در واقع موج تقویت شده محسوب می‌شود (شکل 6). توجه داشته باشید که فوتون‌ تابش (گسیل) شده در این حالت، با فوتون فرودی هم جهت، هم‌فاز و هم‌انرژی است. هر کدام از این فوتون‌ها می‌توانند با برخورد به دیگر الکترون‌های برانگیخته فوتون دیگری تولید کنند. در انتهای این امر تعداد زیادی از فوتون‌های هم‌فرکانس داریم.

به طور خلاصه، برهمکنش فوتون با اتم در سه حالت جذب، گسیل خودبه‌خودی و گسیل القایی، در شکل زیر آمده است:

حال اگر این تابش را در محفظه‌ای بسته موسوم به کاواک (شامل بازتابنده‌)، وارد کنیم، تابش تقویت شده و منجر به تولید تابشی همدوس (coherent) می‌شود که در نهایت توسط ساختاری متناسب با فرکانس تابش به بیرون منتقل می‌شود. به طور مثال اگر فوتون‌های تولید شده در یک میزر، فرکانسی در ناحیه مرئی داشته باشند (به چنین میزری، لیزر می‌گویند)، می‌توانیم توسط آینه یا لنزهای معمولی که اکثراً با آن‌ها آشنا هستیم، تابش تقویت شده حاصل از گسیل القایی را به محیط بیرون هدایت کنیم.

می‌دانید لیزرها را بر اساس ماده فعال یا محیط بهره (Gain Medium) آن‌‌ها به دسته‌های کلی گازی یا جامد دسته‌بندی می‌کنند. میزر ها نیز بر این اساس می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند. یادآوری می‌کنیم که لیزرها خود به نوعی میزر بوده و در این مقاله، مقایسه آن‌ها صرفاً به این دلیل است که امروزه لیزرها به دلیل کاربردهای زیاد و روزمره، نام آشناتر هستند. برخی از از میزر های مختلف در زیر آمده است:

• میزر پرتو اتمی (Atomic beam maser): نظیر میزر آمونیا (Ammonia maser)، میزر الکترون آزاد و میزر هیدروژن (Hydrogen maser). توجه داشته باشید میزر هیدروژنی خود نوعی میزر گازی بوده و اتم‌های هیدروژن درون محفظه یونیزه شده و تبدیل به پلاسما می‌شوند.
• میزر های گاز نجیب
• میزر حالت جامد: نظیر میزر روبی و میزر آهن - سافایر (iron-sapphire maser)

میزرها از زمان اختراع تا کنون پیشرفت‌های زیادی به خود دیده‌اند. در سال 2012 تیمی تحقیقاتی از امپریال کالج لندن (Imperial College London)، یک میزر حالت جامد را توسعه دادند که در دمای اتاق کار کرده و توسط یک پمپ اپتیکی تحریک می‌شود. این میزر توانایی انتشار پالس‌های میکروویو در بازه‌های چند صدم میکرومتر دارد.

واژه شناسی

همان‌طور که در متن مقاله اشاره کردیم، واژه (اصطلاح) میزر در طول زمان معنایش تغییر کرده است. میزر به هنگام اختراع، به معنی تابش میکروویو تقویت شده به روش گسیل القایی بود. در واقع واژه میزر، برای سیستم‌هایی که در ناحیه میکروویو از طیف الکترومغناطیسی تابش تقویت شده داشتند، استفاده می‌شد. با گسترش تکنولوژی، دانشمندان دریافتند که اصول فیزیکی میزرها در دیگر فرکانس‌های طیف الکترومغناطیسی نیز قابل استفاده است. به طور مثال میزرهایی ساخته شد که در فرکانس‌های پایین‌تر از ناحیه میکروویو (رادیویی) و یا بالاتر از طیف میکروویو (مادون قرمز) توانایی تابش تقویت شده حاصل از گسیل القایی را داشتند. به همین دلیل تاونز (Townes) که از مخترعین میزر ابتدایی (میزر میکروویو) بود، پیشنهاد کرد تا کلمه "Microwave" با کلمه "Molecular" جایگزین شود.

در سال‌های ابتداعی اختراع لیزر، قبل از آنکه واژه لیزر برای آن‌ها انتخاب شود، از عبارت میزر اپتیکی برای توصیف آن‌ها استفاده می‌کردند. چرا که در واقع میزرهایی بودند که در فرکانس‌های طیف مرئی توانایی تابش تقویت شده حاصل از گسیل القایی را داشتند. همچنین عبارات دیگری نظیر میزر فرابنفش، میزر اشعه ایکس و ... بر مبنای تعریف عبارت "X Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation" پیشنهاد شدند که هیچگاه مورد استفاده عموم قرار نگرفتند. امروزه تنها دو واژه لیزر و میزر را برای تمامی تابش‌های تقویت شده حاصل از گسیل القایی از طیف الکترومغناطیس به کار می‌برند. در اکثر مراجع واژه لیزر برای فرکانس‌های ناحیه اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش)، اشعه ایکس و واژه میزر برای ناحیه رادیویی و میکروویو به کار می‌رود.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مخابرات فیبر نوری -- به زبان ساده
• FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد

^^