Maser FÍS.

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Física

Generalidades. La palabra m. fue introducida en la Física por C. H. Townes y colaboradores, tomando para formarla las iniciales de las palabras inglesas de la frase que expresa el fundamento y puede servir de definición de los dispositivos a que se refiere: Microwave Amplification by Stimulated Emissian of Radiation (Amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de radiación). El rango de frecuencias de funcionamiento de dichos dispositivos no está limitado al de las microondas (v.), sino que se extiende al espectro (v.) luminoso y, dentro de éste, desde el infrarrojo lejano al ultravioleta, recibiendo entonces el nombre de m. óptico o más corrientemente el de laser (v.), resultado de sustituir la palabra microwave (microonda) por light (luz) en la anterior frase de definición

Cuando en el interior de una cavidad interactúa radiación (v.) electromagnética de frecuencia igual a la de un modo propio de la cavidad, con una sustancia que posee sistemas cuánticos (v. MECÁNICA IV) con niveles cuya diferencia de energías corresponde a la de un fotón (v.) de la misma frecuencia que la radiación, existen intercambios energéticos entre la radiación y dichos sistemas cuánticos, lo que, en condiciones adecuadas de concentración de los mismos- en cada nivel, puede dar lugar a un reforzamiento (amplificación) de la radiación electromagnética de la cavidad

La primera publicación en que se pone de manifiesto esta posibilidad tiene por autor al prof. J. Weber, de la Univ. de Maryland, y apareció en 1953; las primeras realizaciones prácticas de un amplificador de este tipo fueron llevadas a cabo independientemente por Gordon, Zeiger y Townes en USA y por Basov y Prokhorov en Rusia (por estos trabajos les fue concedido el premio Nobel de Física en 1964 a los tres últimos) utilizando un haz de moléculas de amoniaco que presentan una transición natural correspondiente a fotones de frecuencia de 23,87 GHz (1 GHz, gigahertzio-109 Hz)

A pesar de la denominación de amplificadores que también se les da, el uso más corriente que de ellos se hace es como osciladores (v.), sobre todo cuando trabajan a frecuencias elevadas (longitudes de onda submilimétricas), para las que, por otra parte, constituyen el único procedimiento práctico de obtener radiación monocromática de gran pureza y altas energías: el orden de los gigavatios (109 w.) en impulsos y de varios centenares de vatios en onda continua

Las principales cualidades que ofrecen y que han impulsado al rápido desarrollo de sus aplicaciones son su pequeñísimo nivel de ruido (presencia de frecuencias no deseadas) y la coherencia de la radiación emitida por todos los sistemas cuánticos que forman el medio (v. HOLOGRAFÍA)

Emisión estimulada de radiación. Para comprender el mecanismo de operación de un m., consideremos una colectividad de, p. ej., moléculas de un gas, iones paramagnéticos (v. MATERIA II, 4) diluidos en un cristal en presencia de un campo magnético (v. MAGNETISMO I), o cualquier otra partícula o agrupación de partículas que denominaremos genéricamente elementos activos (e. a.) tales que presenten (posiblemente entre otros varios) dos estados cuánticos in> y ¡m > de energías respectivas Wn > Wm

Si esta colectividad está en presencia de radiación electromagnética de frecuencia f.., dada porWm-Wnfnm- h (1) (donde h es la constante de Planck), habrá transiciones de e. a. que se encuentran en el estadoIn>Im> y que pasan al estadoIm>In>con la absorción emisión de un cuanto (v.) de radiación, de energía h f mn. Las transiciones estimuladas se excitan por el campo eléctrico o el campo magnético de la radiación, según que el cambio energético sea primordialmente de tipo eléctrico o magnético. Además de estas transiciones estimuladas, habrá transiciones emisivas espontáneas que llevan al e. a. del nivel superior al inferior. El número de transiciones que se realizan por unidad de tiempo y unidad de volumen de la muestra en uno y otro sentido será proporcional a la densidad de e. a. existente en el nivel primitivo; por lo que respecta a las transiciones inducidas, lo serán también a la densidad de energía. Como en cada transición interviene la energía hfnm, se obtiene para la potencia de la radiación absorbida por el medio activo por unidad de volumen: Pab=(NnwB?m-NmwBmn-NmAmn)hfnmdonde Nn y Nn, son las densidades de e. a. en los estados In > y Im > respectivamente; w, la densidad fotónica de la radiación; Bnm y Bmn, los coeficientes de transición estimulada absorbente y emisiva, respectivamente, y An?, el coeficiente de emisión espontánea. Entre estos coeficientes, denominados de Einstein, existen las siguientes relaciones:8-,rhgnBnm=gmBmn Anm= Á3 Bn,nen donde g? y gm son las degenerancias de los niveles y X la longitud de onda de la radiación. Para las pequeñas longitudes de onda utilizadas en los m. los valores de A,,,n son despreciables, lo que da para potencia absorbida (para el caso de niveles no degenerados, g?=gm=1)Pab= wBmnh f nm(Nn-N,)

Para que exista, por tanto, amplificación de la radiación, es necesario queNn, > Nn+que constituye la condición de amplificación. Inversión de población. En el equilibrio térmico entre el medio activo y la radiación, las densidades para cada nivel guardan la relación, dada por la ley de distribución de Boltzmann,NnlN.=exp (Wm- Wn)/kTMASERcon lo que, por serN? > N?=,el sistema es absorbente

Para conseguir amplificación se ha de lograr de algún modo un estado estacionario o transitorio (según se trate de amplificar en onda continua o por medio de pulsos) en que las distribuciones aparezcan, en relación con el equilibrio térmico, invertidas: inversión de población. Por corresponder esta distribución a la que tendrían en el equilibrio térmico un sistema en que T < 0, se denomina a veces a estos estados, estados de temperatura negativa. El mecanismo utilizado para conseguir esta inversión de población y el tipo de medio activo empleado son las dos características fundamentales de un m

a) Inversión por separación física de e. a. (maser de amoniaco). El primer m. construido utilizó como e. a. moléculas (v.) de amoniaco en estado gaseoso (fig. 1), las cuales presentan dos estados cuánticos intrínsecos (debidos a distintas ordenaciones internas de los átomos), cuya diferencia de energías corresponde a la frecuencia de inversión de 23,8 GHz aproximadamente. Por acción de un campo electrostático (v. ELECTROSTÁTICA) no homogéneo, las moléculas en el nivel inferior son atraídas a las zonas de mayor intensidad de campo, mientras que las de mayor energía van hacia las zonas de campo mínimo. El sistema electrostático separador está constituido por cuatro cilindros conductores paralelos, dispuestos simétricamente en torno al haz de moléculas, estando cada dos diagonalmente opuestos conectados entre sí. Cuando se establece una diferencia de potencial entre ellos, en el eje central el campo es nulo y las moléculas en el estado energético más alto son enfocadas a lo largo del mismo, mientras que las menos energéticas son dispersadas hacia fuera del eje. De esta forma el haz que emerge del separador está casi en su totalidad formado por moléculas en el estado energético más alto, y en condiciones, por tanto, de producir efecto m. en la cavidad, resonante a la frecuencia de transición, en que penetran

b) Inversión por "paso rápido adiabático". Cuando se aplica un campo magnético estático a un cristal que tiene "diluidos" iones paramagnéticos, la cuantización direccional del momento angular da lugar a la aparición de diferentes estados energéticos (efecto Zeeman, v. ESPECTROS). Elegida una transición permitida entre dosde estos estados, puede utilizarse como medio activo de un m

Si perpendicularmente al campo estático se superpone otro variable armónicamente (v. ONDAS) con el tiempo, con frecuencia w y muy lentamente se varía el campo estático, haciéndole tomar el valor en que la frecuencia de precesión, -YHo, coincide con w (resonancia paramagnética), se obtiene una imanación en sentido contrario al del campo magnético aplicado (inversión adiabática). Microscópicamente equivale a que las densidades de población en los diferentes niveles energéticos aparecen invertidas, y la sustancia está en condiciones de producir amplificación por emisión estimulada

c) Inversión por "bombeo óptico". La mayor parte de los m. operan utilizando tres o cuatro niveles energéticos de los e. a., consiguiendo la inversión de población por excitación de los mismos desde el nivel más bajo al más elevado ("bombeo"), mediante una fuente energética exterior. Generalmente esta fuente es de índole electromagnética, pero lógicamente de frecuencia distinta a la que se desea amplificar. De esta forma se consigue un estado dinámico estacionario de inversión de población entre los dos niveles de interés. En el caso del m. óptico de gas helio, la energía de bombeo se obtiene por excitación de las moléculas por choque

El principio de operación de este mecanismo de inversión puede comprenderse fácilmente suponiendo el caso de e. a. de tres niveles de energíasWl<W2

En el m. de tres estados, sólo aproximadamente un 5% de la potencia suministrada al sistema se emplea en compensar las pérdidas de la cavidad; el resto se utiliza en el bombeo antes descrito. Para disminuir esta energía, necesaria para el funcionamiento, se utiliza el m. de cuatro niveles, en que el nivel inferior utilizado en la acción m. queda por encima del más bajo de los cuatro. Si la emisión espontánea entre estos dos niveles más bajos es suficientemente rápida, puede despoblar el nivel m. inferior, lo que favorece la inversión de población deseada; con ello se reduce considerablemente la potencia de bombeo necesaria

Materiales y estructuras maser. Se han utilizado como medios activos para la construcción de m. gases (amoniaco, hidrógeno, formaldehído, etc.) y líquidos (protones en agua); pero los de uso frecuente y de mayor interés son aquellos en que la sustancia m. se encuentra en estado sólido, que presentan una mayor concentración de e. a. y producen mayores potencias. Merecen especial mención, entre éstos, los obtenidos por "dilución" de iones paramagnéticos en estructuras cristalinas; los de uso más frecuente utilizan iones Cr3+ o Fe’-’ en A1203 (rubí) o Ti02 (rutilo) y Gd3+ en etilsulfato de lantano La(C2H3SO4)3 - 9H20Para reducir el efecto de procesos tales como la interacción spin-red cristalina que pudieran ser perniciosos para la emisión estimulada, la mayor parte de los m. de estado sólido trabajan a temperaturas del nitrógeno líquido (770K) o del helio líquido (4,70K). También es necesario tener en cuenta en este tipo de m. la interacción spin-spin (v. ELECTRÓN) que no depende de la temperatura, pero sí de la concentración de e. a., y que puede favorecer o, por el contrario, incluso llegar a inhibir la acción m

El efecto m. se produce en el interior de una cavidad de alta Q (factor de calidad) para así reducir las pérdidas al mínimo y, por otro lado, obtener altas densidades de radiación y, con ello, mayor potencia en un espacio relativamente pequeño

No es necesario que el campo electromagnético sea el debido a una onda estacionaria, como en el m. de cavidad (fig. 2); se puede excitar también el efecto medianteuna onda progresiva, situando la sustancia m. en el interior de una guía. En la práctica se utiliza una estructura de onda lenta, para disminuir la velocidad de grupo y obtener así la misma potencia con una longitud relativamente pequeña. La característica principal del m. de onda progresiva, y que en algunos casos lo hace preferible al de cavidad, es su mayor anchura de banda

Los amplificadores m. son utilizados en todos aquellos casos en que el bajo nivel de ruido requerido justifica el alto coste y la resolución de los problemas tecnológicos que surgen, principalmente al tener que utilizar bajas temperaturas: detección de radiación espacial (radioastronomíá) y comunicaciones con satélites, p. ej. La gran estabilidad en frecuencia ha servido para que los m. de amoniaco e hidrógeno hayan sido considerados como patrones de frecuencia y utilizados como relojes en experimentos de comprobación de la relatividad especial

V. t.: LASER; AMPLIFICADOR; MAGNETISMO; ESPECTROSCOPIA; MATERIA 11; ÁTOMO; IONIZACIÓN; ONDAS

M. RODRÍGUEZ VIDAL.

BIBL.: M. BROTHERTON, Masers and lasers, Nueva York 1964; C. G. B. GARRET, Gas lasers, Nueva York 1967; A. E. SIEGMAN, Microwave solid-state masers, Nueva York 1961; M. V. SMITH y P. P. SOROKIN, The maser, Nueva York 1966; C. H. TOWNES, Quantum electronics, Nueva York 1960; A. A. VUYLSTEKE, Elements ol maser theory, Princeton 1960; G. TROUP, Maseres y laseres, Madrid 1968