メーザー

メーザーは、誘導放出による増幅を通じてコヒーレントな 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 acceleration bystimulated emission of radiation) の頭字語です。ニコライ・バゾフ、アレクサンダー・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導入し、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・ザイガーは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、バゾフ、プロホロフは、メーザーにつながる理論的研究により 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宇宙船の通信地上局 の極低ノイズ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生成するように設計できます。このため、タウンズは「メーザー」の頭文字の最初の単語を「マイクロ波」から「分子」に置き換えることを提案しました。^[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影響を与え、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 1957 年に初めて考案されたとき、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。ゴードン・グールドが1957 年にこの頭字語を考案したと言われています。

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、^[3]同時に、 1952年5月にソ連科学アカデミーが開催した全連邦無線分光法会議においてレベデフ物理学研究所のニコライ・バソフとアレクサンダー・プロホロフによって1954年10月に出版されました。

チャールズ・ハード・タウンズ、ジェームズ・P・ゴードン、HJ・ザ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製作した。この装置は、励起されたアンモニア分子の流れの誘導放出を利用して、約24.0ギガヘルツの周波数でマイクロ波を増幅した。^[4]タウンズは後にアーサー・L・ショーローと協力して光メーザー、つまりレーザーの原理を説明し、^[5]セオドア・H・メイマンが1960年に最初の実用的なモデルを作成した。

タウンズ、バソフ、プロホロフは誘導放出の分野での研究により、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、メーザー媒体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できます (レーザーのレーザー媒体で発生する現象と同様)。

このような増幅媒体を共振空洞内に置くことで、コヒーレント放射を生成できるフィードバックが生成されます。

• 原子ビームメーザー
  • アンモニアメーザー
  • 自由電子メーザー
  • 水素メーザー
• ガスメーザー
  • ルビジウムメーザー
• 液体染料と化学レーザー
• 固体メーザー
  • ルビーメイザー
  • ウィスパリングギャラリーモード鉄サファイアメーザー
• 二重希ガスメーザー（非極性のメーザー媒体の二重希ガス。^[7]）

2012年、国立物理学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ドープ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ました。 ^{[8] [9] [10]}このメーザーは、数百マイクロ秒持続するメーザー放射のパルスを生成しました。

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]}

メーザーは高精度の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ノイズマイクロ波増幅器としても使用されていましたが、これらは主にFETベースの増幅器に置き換えられました。^[13]

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ノイズで増幅するメーザーを開発した。 ^{[14]このメーザーは、極低温の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、水素ラインを冷却して不純物を取り除くのに数日を要した。

冷却は2段階のプロセスで、地上の大型リンデユニットとアンテナ内のクロスヘッドコンプレッサーで構成されていました。最終注入は、150 μm (0.006インチ) のマイクロメータ調整可能なチャンバー入口から21 MPa (3,000 psi) で行われました。冷たい空 ( マイクロ波帯域で2.7ケルビン) を見たときのシステム全体のノイズ温度は17ケルビンでした。これによりノイズ指数が非常に低くなり、マリナーIV宇宙探査機は、無線送信機の出力がわずか15 ワットで、受信した信号の総電力が 1ミリワットに対してわずか-169デシベル(dBm) であったにもかかわらず、火星から地球に静止画像を送信することができました 。

水素メーザーは原子周波数標準として使用されています。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「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ている国際的な時間スケールです。ノーマン ラムゼイと彼の同僚は、最初にメーザーを時間標準として考案しました。最近のメーザーは、実質的に元の設計と同じです。メーザーの振動は、原子水素の2 つの超微細エネルギー レベル間の誘導放出に依存しています。

以下に、その仕組みを簡単に説明します。

• まず、水素原子のビームが生成されます。これは、低圧のガスを高周波の電波放電にかけることによって行われます (このページの図を参照)。
• 次のステップは「状態選択」です。誘導放出を得るためには、原子の反転分布を作り出す必要があります。これは、シュテルン・ゲルラッハ実験と非常によく似た方法で行われます。開口部と磁場を通過した後、ビーム内の原子の多くは、レーザー遷移の上位エネルギー レベルに残ります。この状態から、原子は下位の状態に崩壊し、マイクロ波放射を放出します。
• Q値（品質係数）の高いマイクロ波空洞はマイクロ波を閉じ込め、原子ビームに繰り返し再注入します。誘導放出により、ビームを通過するたびにマイクロ波が増幅されます。この増幅とフィードバックの組み合わせがすべての発振器を定義します。マイクロ波空洞の共振周波数は、水素の超微細エネルギー遷移の周波数である1,420,405,752ヘルツに調整されています。^[15]
• マイクロ波空洞内の信号のごく一部が同軸ケーブルに結合され、コヒーレント無線受信機に送信されます。
• メーザーから出力されるマイクロ波信号は非常に弱く、数ピコワットです。信号の周波数は固定されており、非常に安定しています。コヒーレント受信機は、信号を増幅し、周波数を変更するために使用されます。これは、一連の位相ロックループと高性能水晶発振器を使用して行われます。

メーザーのような誘導放出は自然界でも星間空間から観測されており、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。このような放出は、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。^[16]星形成領域の水分子は反転分布を起こし、約 22.0  GHzで放射を放出し、電波宇宙で最も明るいスペクトル線を作り出す。一部の水メーザーは、回転遷移から96 GHz の周波数で放射も放出する。 ^{[17] [18]}

活動銀河核に関連する極めて強力なメーザーはメガメーザーとして知られており、恒星メーザーよりも最大で 100 万倍強力です。

メーザーという用語の意味は、導入以来、若干変化してきました。当初、この頭字語は「誘導放出によるマイクロ波増幅」として広く使われ、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ました。

誘導放出の原理と概念は、その後、より多くのデバイスや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]の提案のように、元の頭字語は「誘導放出による分子増幅」と変更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主な動機は、彼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だったと主張する人もいます。^[19]

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し進めたが、これはライバルのゴードン・グールドが作った「レーザー」という造語に取って代わられ、ほとんど使われなくなった。[ ^20]現代の用法では、X線から赤外線までのスペクトル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の領域で放射する装置は、マイクロ波か他の周波数かに関係なく、 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放射する装置に、グレーザー（ガンマ線レーザー）、キサー（X線レーザー）、ユーベイザー（紫外線レーザー）、レーザー（可視レーザー）、アイレーザー（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、異なる名前を提案した。しかし、これらの用語のほとんどは普及せず、現在ではメーザーとレーザーを除いてすべて（SF以外では）時代遅れになっている。^[要出典]

• レーザーの種類一覧
• X線レーザー
• ガンマ線レーザー（グレイザー）
• ソニックレーザー（セイザー）
• スパーサー

• JR シンガー、Masers、John Whiley and Sons Inc.、1959 年。
• J. Vanier、C. Audoin、「原子周波数標準の量子物理学」、Adam Hilger、ブリストル、1989年。

ウィキメディア・コモンズには、メーザーに関連するメディアがあります。

• ファインマン物理学講義第3巻第9章: アンモニアメーザー
• arXiv.org で「maser」を検索
• 「水素メーザー時計プロジェクト」。ハーバード・スミソニアン天体物理学センター。2006 年 10 月 10 日のオリジナルからアーカイブ。
• 素晴らしいアイデア: 最初のレーザー 2014-04-24 にWayback Machineでアーカイブ
• メーザーとレーザーの発明、アメリカ物理学会
• ショーローとタウンズがレーザーを発明、ベル研究所