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メーザーは、誘導放出による増幅によってコヒーレントな電磁波（マイクロ波）を生成する装置です。この用語は、誘導放出によるマイクロ波増幅（microwave amplification by stimulated emission of radiation）の頭文字をとったものです。ニコライ・バソフ、アレクサンドル・プロホロフ、ジョセフ・ウェーバーは1952年にメーザーの概念を提唱し、チャールズ・H・タウンズ、ジェームズ・P・ゴードン、ハーバート・J・ツァイガーは1953年にコロンビア大学で最初のメーザーを構築しました。タウンズ、バソフ、プロホロフは、メーザーにつながる理論的研究で1964年のノーベル物理学賞を受賞しました。メーザーは、原子時計の計時装置として、また電波望遠鏡や深宇宙探査機の通信地上局における極めて低雑音のマイクロ波増幅器として使用されています。
現代のメーザーは、マイクロ波周波数、無線周波数、赤外線周波数の電磁波を発生させるように設計できる。このため、タウンズは「maser」という頭字語の最初の単語を「microwave」から「molecular」に置き換えることを提案した。[ 1 ]
レーザーはメーザーと同じ原理で動作しますが、可視光の波長でより高周波のコヒーレント放射を生成します。メーザーはレーザーの前身であり、タウンズとアーサー・レナード・ショーローによる理論的研究に触発され、1960年にセオドア・メイマンによるレーザーの発明につながりました。コヒーレント光発振器が最初に構想されたのは1957年で、当初は「光メーザー」と呼ばれていました。これは最終的に「誘導放出による光増幅」を意味する「レーザー」に変更されました。この頭字語は1957年にゴードン・グールドによって考案されたとされています。
メーザーの動作を支配する理論的原理は、 1952年6月にオタワで開催された電子管研究会議でメリーランド大学カレッジパーク校のジョセフ・ウェーバーによって初めて説明され[ 2 ]、その概要は1953年6月の無線技術者協会電子デバイス専門グループの論文集に掲載された[ 3 ]。また、 1952年5月にソ連科学アカデミーが開催した全ソ連無線分光会議で、レベデフ物理研究所のニコライ・バソフとアレクサンダー・プロホロフによって同時に発表され、1954年10月に出版された。
チャールズ・ハード・タウンズ、ジェームズ・P・ゴードン、HJ・ツァイガーはそれぞれ独立して、 1953年にコロンビア大学で最初のアンモニアメーザーを構築した。この装置は、エネルギーを与えられたアンモニア分子の流れにおける誘導放出を利用して、約24.0ギガヘルツの周波数のマイクロ波を増幅した。[ 4 ]タウンズは後にアーサー・L・シャウローと共同で光メーザー、すなわちレーザーの原理を記述し、[ 5 ] 1960年にセオドア・H・マイマンが最初の動作モデルを作成した。
タウンズ、バソフ、プロホロフは、誘導放出の分野における研究により、1964年にノーベル物理学賞を受賞した。 [ 6 ]
メーザーは、 1917年にアルバート・アインシュタインが提唱した誘導放出の原理に基づいています。原子が励起エネルギー状態に誘導されると、メーザー媒質として使用される元素または分子に固有の周波数で放射を増幅することができます（レーザーの発振媒質で起こる現象と同様です）。
このような増幅媒体を共振空洞内に配置すると、コヒーレントな放射を生成できるフィードバックが生じる。
2012年、国立物理研究所とインペリアル・カレッジ・ロンドンの研究チームは、光ポンピングされたペンタセンをドープしたp-テルフェニルを増幅媒体として使用し、室温で動作する固体メーザーを開発した。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]これは、数百マイクロ秒続くメーザー発光パルスを生成した。
2018年、インペリアル・カレッジ・ロンドンとユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの研究チームは、窒素空孔欠陥を含む合成ダイヤモンドを使用して連続波メーザー発振を実証した。[ 11 ] [ 12 ]
2025年、ノーザンブリア大学のチームは、室温で動作し、光源としてLEDを使用する低コストでエネルギー効率の高いユニットを開発した。[ 13 ]
メーザーは高精度周波数基準として機能します。これらの「原子周波数標準」は、原子時計の多くの形態の1つです。メーザーは、電波望遠鏡の低雑音マイクロ波増幅器としても使用されていましたが、これらはFETベースの増幅器にほぼ置き換えられています。[ 14 ]
1960年代初頭、ジェット推進研究所は、深宇宙探査機から受信したSバンドマイクロ波信号を超低雑音で増幅するためのメーザーを開発した。 [ 15 ]このメーザーは、高度に冷却されたヘリウムを使用して増幅器を4ケルビンまで冷却した。増幅は、12.0ギガヘルツのクライストロンでルビーコムを励起することによって達成された。初期の頃は、水素線から不純物を冷却して除去するのに数日かかった。
冷却は2段階のプロセスで、地上には大型のリンデ製ユニット、アンテナ内部にはクロスヘッドコンプレッサーが設置されていました。最終注入は、150 μm (0.006インチ)のマイクロメーター調整可能な入口を通して、21 MPa (3,000 psi)でチャンバーに行われました。冷たい空 (マイクロ波帯で2.7ケルビン) を観測した際のシステム全体の雑音温度は17ケルビンでした。このため雑音指数は非常に低く、マリナー IV探査機は、無線送信機の出力がわずか 15ワットであったにもかかわらず、火星から地球へ静止画像を送信することができました。そのため、受信された信号電力はミリワット(dBm)に対してわずか -169デシベルでした。
水素メーザーは原子周波数標準として使用されます。他の種類の原子時計とともに、これらは国際原子時標準（フランス語では「Temps Atomique International」または「TAI」）を構成するのに役立ちます。これは、国際度量衡局によって調整される国際的な時間尺度です。ノーマン・ラムゼーとその同僚は、最初にタイミング標準としてメーザーを考案しました。より最近のメーザーは、実質的に元の設計と同一です。メーザーの振動は、水素原子の2つの超微細エネルギー準位間の誘導放出に依存しています。
以下に、それらの仕組みを簡単に説明します。
メーザーのような誘導放出は星間空間でも自然界で観測されており、実験室のメーザーと区別するために「超放射放出」と呼ばれることが多い。これらの放出は、水 (H 2 O)、ヒドロキシルラジカル( •OH )、メタノール(CH 3 OH)、ホルムアルデヒド(HCHO)、一酸化ケイ素(SiO)、カルボジイミド(HNCNH) などの分子から観測されている。[ 17 ]星形成領域の水分子は、集団反転を起こして約 22.0 GHzの放射を放出し、電波宇宙で最も明るいスペクトル線を作り出すことがある。一部の水メーザーは、 96 GHz の周波数での回転遷移からの放射も放出する。[ 18 ] [ 19 ]
メーザーという用語の意味は、導入以来、若干変化してきた。当初、この略語は「誘導放出によるマイクロ波増幅」と広く用いられており、電磁スペクトルのマイクロ波領域で放射する装置を指していた。
誘導放出の原理と概念はその後、より多くのデバイスと周波数に拡張されました。そのため、チャールズ・H・タウンズ[ 1 ]が提案したように、元の頭字語は「誘導放出による分子増幅」と修正されることがあります。タウンズがこのように頭字語を拡張しようとしたのは、主に自分の発明の重要性と科学界での評判を高めたいという願望によるものだと主張する人もいます[ 20 ] 。
レーザーが開発されたとき、タウンズとショーロー、そしてベル研究所の同僚たちは「光メーザー」という用語の使用を推進したが、これはライバルのゴードン・グールドが考案した「レーザー」という用語に取って代わられ、ほとんど放棄された。[ 21 ]現代の用法では、スペクトルのX線から赤外線領域で放射する装置は通常レーザーと呼ばれ、マイクロ波領域以下で放射する装置は、マイクロ波を放射するか他の周波数を放射するかに関わらず、一般的にメーザーと呼ばれている。
グールドは当初、スペクトルの各部分で発光する装置にそれぞれ異なる名称を提案した。例えば、グレーザー（ガンマ線レーザー）、クサー（X線レーザー）、ウベイザー（紫外線レーザー）、レーザー（可視レーザー）、イレーザー（赤外線レーザー）、メーザー（マイクロ波メーザー）、レーザー（RFメーザー）などである。しかし、これらの用語のほとんどは普及せず、現在では（SF作品以外では）メーザーとレーザーを除いてすべて廃れてしまった。
私たちはこの一般的なタイプのシステムをメーザーと呼びました。これは、誘導放出によるマイクロ波増幅の頭文字をとったものです。このアイデアは、さまざまなデバイスと周波数にうまく拡張されているため、おそらく名前を一般化するのが適切でしょう。おそらく、誘導放出による分子増幅を意味するようになるでしょう。