ماسر

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
النموذج الأولي الأول لجهاز ليزر الأمونيا أمام مخترعه تشارلز إتش. تاونز . فوهة الأمونيا على اليسار داخل الصندوق، والقضبان النحاسية الأربعة في المنتصف هي مُحدد حالة رباعي الأقطاب ، والتجويف الرنيني على اليمين. تخرج موجات الميكروويف بتردد 24 جيجاهرتز عبر الدليل الموجي  الرأسي الذي يقوم تاونز بضبطه. في الأسفل توجد مضخات التفريغ .
تفريغ ترددات الراديو الهيدروجينية، وهو العنصر الأول داخل جهاز الميزر الهيدروجيني (انظر الوصف أدناه).

الميزر جهاز يُنتج موجات كهرومغناطيسية متماسكة ( موجات ميكروية ) عن طريق التضخيم بواسطة الانبعاث المحفز . وهو اختصار لعبارة " تضخيم الموجات الميكروية بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع" . قدّم نيكولاي باسوف ، وألكسندر بروخوروف، وجوزيف ويبر مفهوم الميزر عام 1952، وقام تشارلز إتش. تاونز ، وجيمس بي. جوردون ، وهربرت جيه. زايجر ببناء أول ميزر في جامعة كولومبيا عام 1953. حصل تاونز، وباسوف، وبروخوروف على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964 لأبحاثهم النظرية التي أدت إلى اكتشاف الميزر. تُستخدم الميزرات كأجهزة ضبط الوقت في الساعات الذرية ، وكمضخمات ميكروية منخفضة الضوضاء للغاية في التلسكوبات الراديوية ومحطات الاتصالات الأرضية للمركبات الفضائية في الفضاء السحيق .

يمكن تصميم أجهزة الميزر الحديثة لتوليد موجات كهرومغناطيسية بترددات الميكروويف وترددات الراديو والأشعة تحت الحمراء . لهذا السبب، اقترح تاونز استبدال كلمة "ميكروويف" بكلمة "جزيئي" كأول كلمة في اختصار "مازر". [ 1 ]

يعمل الليزر بنفس مبدأ الميزر، لكنه يُنتج إشعاعًا متماسكًا بتردد أعلى ضمن الأطوال الموجية المرئية . كان الميزر بمثابة النواة الأولى لليزر، إذ ألهم العمل النظري الذي قام به تاونز وآرثر ليونارد شاولاو ، والذي أدى إلى اختراع الليزر عام 1960 على يد ثيودور مايمان . عندما تم تصور المذبذب البصري المتماسك لأول مرة عام 1957، أُطلق عليه في البداية اسم "الميزر البصري". ثم تم تغيير هذا الاسم لاحقًا إلى "ليزر "، اختصارًا لعبارة "تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع". يُنسب الفضل إلى غوردون غولد في ابتكار هذا الاختصار عام 1957.

تاريخ

تم وصف المبادئ النظرية التي تحكم تشغيل الميزر لأول مرة من قبل جوزيف ويبر من جامعة ميريلاند، كوليدج بارك في مؤتمر أبحاث الأنابيب الإلكترونية في يونيو 1952 في أوتاوا ، [ 2 ] مع ملخص نُشر في يونيو 1953 من معاملات المجموعة المهنية للأجهزة الإلكترونية التابعة لمعهد مهندسي الراديو، [ 3 ] وفي نفس الوقت من قبل نيكولاي باسوف وألكسندر بروخوروف من معهد ليبيديف للفيزياء ، في مؤتمر عموم الاتحاد حول التحليل الطيفي الراديوي الذي عقدته أكاديمية العلوم في الاتحاد السوفيتي في مايو 1952، ونُشر في أكتوبر 1954.

بشكل مستقل، قام كل من تشارلز هارد تاونز ، وجيمس ب. جوردون ، وإتش جيه زيجر ببناء أول ليزر أمونيا في جامعة كولومبيا عام 1953. استخدم هذا الجهاز الانبعاث المحفز في تيار من جزيئات الأمونيا النشطة لإنتاج تضخيم للموجات الميكروية بتردد حوالي 24.0 جيجاهرتز . [ 4 ] عمل تاونز لاحقًا مع آرثر إل. شاولاو لوصف مبدأ الليزر الضوئي ، [ 5 ] الذي ابتكر ثيودور إتش. مايمان أول نموذج عملي له عام 1960.

حصل تاونز وباسوف وبروكوروف على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964 لأبحاثهم في مجال الانبعاث المحفز. [ 6 ]

تكنولوجيا

يعتمد الميزر على مبدأ الانبعاث المحفز الذي اقترحه ألبرت أينشتاين في عام 1917. عندما يتم تحفيز الذرات إلى حالة طاقة مثارة، يمكنها تضخيم الإشعاع بتردد خاص بالعنصر أو الجزيء المستخدم كوسيط ليزر (على غرار ما يحدث في وسط الليزر في الليزر).

بوضع مثل هذا الوسط المضخم في تجويف رنيني ، يتم إنشاء تغذية راجعة يمكنها إنتاج إشعاع متماسك .

بعض الأنواع الشائعة

  • ليزرات الحزمة الذرية
  • مسدسات الغاز
    • ماسر الروبيديوم
  • الليزر السائل والصبغة الكيميائية
  • الميزر ذو الحالة الصلبة
  • الميزر ذو الغاز النبيل المزدوج ( الغاز النبيل المزدوج لوسط الميزر غير القطبي . [ 7 ] )

تطورات القرن الحادي والعشرين

في عام 2012، طوّر فريق بحثي من المختبر الفيزيائي الوطني وكلية إمبريال كوليدج لندن جهاز ليزر يعمل في الحالة الصلبة عند درجة حرارة الغرفة، وذلك باستخدام مادة p-Terphenyl المُطعّمة بالبنتاسين والمضخّمة ضوئيًا كوسيط تضخيم. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] وقد أنتج هذا الجهاز نبضات من انبعاث الليزر استمرت لبضع مئات من الميكروثواني.

في عام 2018، أثبت فريق بحثي من إمبريال كوليدج لندن وجامعة كوليدج لندن إمكانية توليد تذبذب ليزري مستمر باستخدام الماس الصناعي الذي يحتوي على عيوب النيتروجين والفراغات . [ 11 ] [ 12 ]

في عام 2025، ابتكر فريق من جامعة نورثمبريا وحدة منخفضة التكلفة وموفرة للطاقة تعمل في درجة حرارة الغرفة وتستخدم مصباح LED كمصدر للإضاءة. [ 13 ]

الاستخدامات

تُستخدم الميزرات كمرجع تردد عالي الدقة . تُعدّ هذه "المعايير الترددية الذرية" أحد أشكال الساعات الذرية العديدة . كما استُخدمت الميزرات كمضخمات ميكروويف منخفضة الضوضاء في التلسكوبات الراديوية ، على الرغم من استبدالها إلى حد كبير بمضخمات تعتمد على ترانزستورات تأثير المجال (FETs ). [ 14 ]

خلال أوائل الستينيات، طوّر مختبر الدفع النفاث جهاز ليزر لتوفير تضخيم منخفض الضوضاء للغاية لإشارات الميكروويف من النطاق S المستقبلة من مجسات الفضاء السحيق. [ 15 ] استخدم هذا الجهاز غاز الهيليوم المبرد بشدة لتبريد المُضخّم إلى درجة حرارة 4 كلفن . وتحقق التضخيم عن طريق إثارة مشط من الياقوت باستخدام كليسترون بتردد 12.0 جيجاهرتز . في السنوات الأولى، استغرق التبريد وإزالة الشوائب من خطوط الهيدروجين أيامًا. 

كانت عملية التبريد ثنائية المراحل، حيث استُخدمت وحدة ليندي كبيرة على الأرض، وضاغط متحرك داخل الهوائي. تم حقن الهواء النهائي عند ضغط 21 ميجا باسكال (3000 رطل لكل بوصة مربعة) عبر مدخل قابل للتعديل بالميكرومتر إلى الحجرة، قطره 150 ميكرومتر (0.006 بوصة) . بلغت درجة حرارة الضوضاء للنظام بأكمله ، عند النظر إلى السماء الباردة (2.7 كلفن في نطاق الموجات الميكروية)، 17 كلفن. وقد أدى ذلك إلى انخفاض مستوى الضوضاء إلى درجة مكّنت مسبار مارينر 4 الفضائي من إرسال صور ثابتة من المريخ إلى الأرض ، على الرغم من أن قدرة خرج جهاز الإرسال اللاسلكي الخاص به كانت 15 واط فقط ، وبالتالي كانت إجمالي قدرة الإشارة المستقبلة -169 ديسيبل فقط بالنسبة إلى الميلي واط (dBm).         

ليزر الهيدروجين

ليزر الهيدروجين.

يُستخدم الميزر الهيدروجيني كمعيار للتردد الذري . ويُساهم، إلى جانب أنواع أخرى من الساعات الذرية، في تشكيل معيار التوقيت الذري الدولي (Temps Atomique International أو "TAI" بالفرنسية). وهو المقياس الزمني الدولي الذي يُنسقه المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . وقد ابتكر نورمان رامزي وزملاؤه الميزر كمعيار للتوقيت. وتُعدّ الميزرات الأحدث مطابقةً تقريبًا لتصميمها الأصلي. وتعتمد تذبذبات الميزر على الانبعاث المُحفّز بين مستويين من مستويات الطاقة فائقة الدقة لذرة الهيدروجين .

إليكم وصفًا موجزًا ​​لكيفية عملها:

  • أولاً، يتم إنتاج حزمة من الهيدروجين الذري. ويتم ذلك عن طريق تعريض الغاز عند ضغط منخفض لتفريغ موجات الراديو عالية التردد (انظر الصورة في هذه الصفحة).
  • الخطوة التالية هي "اختيار الحالة"؛ فلكي نحصل على انبعاث محفز، من الضروري إحداث انعكاس في توزيع الذرات. ويتم ذلك بطريقة مشابهة لتجربة شتيرن-غيرلاخ . بعد مرورها عبر فتحة ومجال مغناطيسي، تبقى العديد من الذرات في الحزمة في مستوى الطاقة الأعلى لانتقال الليزر. ومن هذه الحالة، يمكن للذرات أن تتحلل إلى الحالة الأدنى وتُصدر بعض إشعاع الميكروويف.
  • يحصر تجويف الميكروويف ذو عامل الجودة العالي ( Q ) موجات الميكروويف ويعيد حقنها بشكل متكرر في حزمة الذرات. يعمل الانبعاث المحفز على تضخيم موجات الميكروويف في كل مرة تمر فيها عبر الحزمة. هذا المزيج من التضخيم والتغذية الراجعة هو ما يميز جميع المذبذبات . يتم ضبط تردد الرنين لتجويف الميكروويف على تردد انتقال الطاقة فائق الدقة للهيدروجين: 1,420,405,752 هرتز . [ 16 ]
  • يتم ربط جزء صغير من الإشارة في تجويف الميكروويف بكابل محوري ثم يتم إرساله إلى جهاز استقبال راديو متماسك .
  • إشارة الميكروويف الخارجة من الميزر ضعيفة للغاية، لا تتجاوز بضعة بيكوواط . تردد الإشارة ثابت ومستقر للغاية . يُستخدم جهاز استقبال متماسك لتضخيم الإشارة وتغيير ترددها. ويتم ذلك باستخدام سلسلة من حلقات التزامن الطوري ومذبذب كوارتز عالي الأداء .

الميزرات الفيزيائية الفلكية

تُنتج الشفق القطبي على القطب الشمالي لكوكب المشتري أشعة سيكلوترونية ( هابل )

لوحظ انبعاث محفز شبيه بالميزر في الطبيعة من الفضاء بين النجوم ، ويُطلق عليه غالبًا اسم "الانبعاث فائق الإشعاع" لتمييزه عن الميزرات المختبرية. تُرصد هذه الانبعاثات من جزيئات مثل الماء (H₂O ) ، وجذور الهيدروكسيل ( •OH )، والميثانول (CH₃OH ) ، والفورمالديهايد (HCHO)، وأحادي أكسيد السيليكون (SiO)، والكاربوديميد (HNCNH). [ 17 ] يمكن لجزيئات الماء في مناطق تكوّن النجوم أن تخضع لانعكاس التوزيع السكاني وتُصدر إشعاعًا بتردد حوالي 22.0 جيجاهرتز ، مما يُنتج ألمع خط طيفي في الكون الراديوي. كما تُصدر بعض ميزرات الماء إشعاعًا من انتقال دوراني بتردد 96 جيجاهرتز . [ 18 ] [ 19 ]  

تُعرف الميزرات القوية للغاية، المرتبطة بالنوى المجرية النشطة ، باسم الميزرات الضخمة ، وهي أقوى بمليون مرة من الميزرات النجمية.

مصطلحات

لقد تغير معنى مصطلح "الميزر" قليلاً منذ ظهوره. في البداية، كان الاختصار يُطلق عالميًا على "تضخيم الموجات الميكروية بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع"، والذي كان يصف الأجهزة التي تُصدر موجات في نطاق الموجات الميكروية من الطيف الكهرومغناطيسي .

تم توسيع نطاق مبدأ ومفهوم الانبعاث المحفز ليشمل المزيد من الأجهزة والترددات. ولذلك، يُعدَّل الاختصار الأصلي أحيانًا، كما اقترح تشارلز إتش. تاونز، [ 1 ] إلى " التضخيم الجزيئي بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع". وقد أكد البعض أن جهود تاونز لتوسيع الاختصار بهذه الطريقة كانت مدفوعة في المقام الأول برغبته في تعزيز أهمية اختراعه وسمعته في الأوساط العلمية. [ 20 ]

عندما طُوِّر الليزر، سعى تاونز وشاولوف وزملاؤهما في مختبرات بيل إلى استخدام مصطلح "الميزر البصري" ، ولكن تم التخلي عن هذا المصطلح إلى حد كبير لصالح مصطلح "الليزر" ، الذي صاغه منافسهم جوردون جولد. [ 21 ] في الاستخدام الحديث، تُسمى الأجهزة التي تُصدر أشعة في نطاق الأشعة السينية إلى الأشعة تحت الحمراء من الطيف عادةً بالليزر ، وتُسمى الأجهزة التي تُصدر أشعة في نطاق الموجات الميكروية وما دونه بالميزر ، بغض النظر عما إذا كانت تُصدر موجات ميكروية أو ترددات أخرى.

اقترح غولد في الأصل أسماءً مميزة للأجهزة التي تُصدر إشعاعًا في كل جزء من الطيف، بما في ذلك أشعة غاما ( grasers )، وأشعة إكس ( xasers )، وأشعة فوق البنفسجية ( uvasers )، وأشعة الليزر المرئية ( lasers)، وأشعة تحت الحمراء ( irasers )، وأشعة الميزر الميكروية (masers)، وأشعة الميزر الراديوية ( rasers ). إلا أن معظم هذه المصطلحات لم تلقَ رواجًا، وأصبحت جميعها الآن (باستثناء الخيال العلمي) قديمة الطراز باستثناء مصطلحي "مازر" و "ليزر" .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 تاونز، تشارلز هـ. (11 ديسمبر 1964). "إنتاج إشعاع متماسك بواسطة الذرات والجزيئات - محاضرة نوبل" (ملف PDF) . جائزة نوبل . ص  63. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 27 أغسطس 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أغسطس 2020. أطلقنا على هذا النوع العام من الأنظمة اسم "الميزر"، وهو اختصار لتضخيم الموجات الميكروية بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع. وقد تم توسيع نطاق هذه الفكرة بنجاح لتشمل مجموعة متنوعة من الأجهزة والترددات، لذا فمن الأنسب تعميم الاسم - ربما ليعني التضخيم الجزيئي بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع.
  2. ↑ مقابلة تاريخية شفهية مع ويبر، المعهد الأمريكي للفيزياء
  3. ^ ماريو بيرتولوتي (2004). تاريخ الليزر . الصحافة اتفاقية حقوق الطفل. ص. 180. ردمك  978-1420033403.
  4. ↑ غوردون، جيه بي؛ زيغر، إتش جيه؛ تاونز، سي إتش (1955). "الميزر - نوع جديد من مضخمات الموجات الدقيقة، ومعيار التردد، ومقياس الطيف" . مجلة الفيزياء 99 (4): 1264. رمز Bibcode : 1955PhRv...99.1264G . doi : 10.1103/PhysRev.99.1264 .
  5. ↑ شاولاو، أ. ل.؛ تاونز، س. هـ. (15 ديسمبر 1958). "الميزرات بالأشعة تحت الحمراء والضوئية" . مجلة Physical Review . 112 (6): 1940-1949 . Bibcode : 1958PhRv..112.1940S . doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
  6. ↑ "جائزة نوبل في الفيزياء 1964" . NobelPrize.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أغسطس 2020 .
  7. ↑ جهاز الميزر المزدوج للغازات النبيلة ، جامعة هارفارد، قسم الفيزياء
  8. ↑ برومفيل، ج. (2012). "الليزر الميكروي يحقق 60 عامًا من الوعود". مجلة نيتشر . doi : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 . 
  9. ↑ بالمر، جيسون (16 أغسطس 2012). ""مصدر أشعة الميكروويف 'المازر' يظهر من جديد" . بي بي سي نيوز. مؤرشف من الأصل في 29 يوليو 2016. تم الاطلاع عليه في 23 أغسطس 2012 .
  10. ↑ ليزر الميكروويف يحقق وعدًا دام 60 عامًا
  11. ↑ ليو، رين-باو (مارس 2018). "عصر الماس للميزرات" . مجلة نيتشر . 555 (7697): 447-449 . Bibcode : 2018Natur.555..447L . doi : 10.1038/d41586-018-03215-3 . PMID 29565370 . 
  12. ↑ يستخدم العلماء الماس في أول مازر صلب مستمر في العالم يعمل في درجة حرارة الغرفة ، phys.org
  13. ^ لونج صوفيا. لوبيز، ليزا؛ فورد، بيثان؛ بالمبوا، فرانسوا؛ مونتيس، ريكاردو؛ نغ، فيرن. أرو، دان م؛ ألفورد، نيل ماكن؛ تورون، حمدي؛ ساتيان ، جونا (2025/07/09). "جهاز مازر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه في درجة حرارة الغرفة" . هندسة الاتصالات . 4 (1) 122: 1– 7. دوى : 10.1038/s44172-025-00455-ث . ردمك 2731-3395 . بمك 12241473 . بميد 40634466 .   
  14. ↑ "مضخمات الضوضاء المنخفضة - دفع حدود الضوضاء المنخفضة" . المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO).
  15. ↑ ماكجريجور إس. ريد، محرر (2008). "أنظمة منخفضة الضوضاء في شبكة الفضاء العميق" (ملف PDF) . مختبر الدفع النفاث.
  16. ↑ "الوقت والتردد من الألف إلى الياء: H" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 12 مايو 2010.
  17. ↑ ماكغواير، بريت أ.؛ لوميس، رايان أ.؛ شارنيس، كاميرون م.؛ كوربي، جوانا ف.؛ بليك، جيفري أ.؛ هوليس، جان م.؛ لوفاس، فرانك ج.؛ جويل، فيليب ر.؛ ريميجان، أنتوني ج. (2012-10-20). "الكاربوديميد بين النجوم (HNCNH): اكتشاف فلكي جديد من مسح GBT Primos عبر خصائص انبعاث الميزر" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Bibcode : 2012ApJ...758L..33M . doi : 10.1088/2041-8205/758/2/L33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .  
  18. ↑ نيوفيلد، ديفيد أ.؛ ميلنيك، غاري ج. (1991). "إثارة ميزرات الماء المليمترية ودون المليمترية في الغاز الفلكي الدافئ". الذرات والأيونات والجزيئات: نتائج جديدة في فيزياء الخطوط الطيفية الفلكية، سلسلة مؤتمرات الجمعية الفلكية للمحيط الهادئ (الجمعية الفلكية للمحيط الهادئ: سان فرانسيسكو) . 16 : 163. رمز Bibcode : 1991ASPC...16..163N .
  19. ↑ تينيسون، جوناثان؛ وآخرون (مارس 2013). "التقييم النقدي للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية للأطياف الدورانية الاهتزازية لبخار الماء، الجزء الثالث: مستويات الطاقة وأعداد الموجات الانتقالية لـ H₂¹⁶O " . مجلة التحليل الطيفي الكمي ونقل الإشعاع . 117 : 29-58 . Bibcode : 2013JQSRT.117...29T . doi : 10.1016/j.jqsrt.2012.10.002 . hdl : 10831/91303 . 
  20. ↑ تايلور، نيك (2000). الليزر: المخترع، الحائز على جائزة نوبل، وحرب براءات الاختراع التي استمرت ثلاثين عامًا . نيويورك: سايمون وشوستر. ISBN 978-0-684-83515-0.
  21. ↑ تايلور، نيك (2000). الليزر: المخترع، الحائز على جائزة نوبل، وحرب براءات الاختراع التي استمرت ثلاثين عامًا . نيويورك: سايمون وشوستر. الصفحات 66-70 . ISBN  978-0-684-83515-0.

للمزيد من القراءة

  • JR Singer, Masers , John Whiley and Sons Inc., 1959.
  • J. Vanier, C. Audoin, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards , Adam Hilger, Bristol, 1989.