Maser: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

MASERMicrowave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Digna María González OteroIván Iglesias de Lama

Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao

Curso 2009/2010

IntroducciónPrincipio de funcionamiento

Tipos de máserAplicaciones

Aplicación prácticaConclusiones

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Índice

1 Introducción

2 Principio de funcionamiento

3 Tipos de máser

4 Aplicaciones

5 Aplicación práctica

6 ConclusionesDigna González, Ivan Iglesias MASER 2/ 22




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DefiniciónHistoria

Introducción

Definición de máserDispositivo que produce ondas electromagnéticas coherentesmediante la amplificación por la emisión estimulada deradiación.Acrónimo de Microwave Amplification by Stimulated Emissionof Radiation.Actualmente cubre un rango mayor de frecuencias.Terminología: máser óptico, láser.

Digna González, Ivan Iglesias MASER 3/ 22




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DefiniciónHistoria

Historia1916: Einstein enuncia el principio de la emisión estimulada deradiación.1953: Basov y Prokhrov en la URSS y Townes en EEUUdescribieron el máser de forma independiente.1954: Townes construyó el primer máser.1964: Townes, Basov y Prokhrov recibieron el Nobel de física.





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Características de la materiaFenómenos físicos

Principio de funcionamiento

Características de la materiaÁtomos y moléculas: Diferentes niveles de energía.Se puede subir a un nivel superior absorbiendo energía y bajaremitiendo energía.La longitud de onda de la radiación emitida al bajar de nivelviene determinada por la diferencia de energía entre niveles.En equilibrio, más partículas en el nivel inferior que en elsuperior.





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Fenómenos físicosAbsorción: Un átomo sólo absorbe un fotón si tiene lalongitud de onda adecuada.Emisión espontánea: Los átomos tienen tendencia apermanecer en niveles bajos de energía. Si están en nivelesaltos, bajarán por sí mismos emitiendo un fotón en el proceso.Existen niveles metaestables en que los átomos tardan más enbajar.





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Fenómenos físicosEmisión estimulada: Si se hace impactar un fotón contra unamolécula en su nivel alto de energía, ésta bajará emitiendo dosfotones de la misma longitud de onda en el proceso.Si hay muchas moléculas excitadas se produce una reacción encadena.La emisión estimulada es la base del máser.





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Funcionamiento del máser





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Máser de rayo atómicoMáseres de gas y estado sólidoMáseres astronómicos

Tipos de máser

Tipos de máserMáser de rayo atómico

Máser de amoníaco. El primero creado. Frecuencia: 23,87 GHz.Máser de hidrógeno. Estándar de frecuencia. Reloj atómico.Frecuencia: 1420 MHz.





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Tipos de máser

Tipos de máserMáser de gas

Máser de rubidio. Reloj atómico. Frecuencia: 6,834 GHz.Máser de estado sólido

Máser de rubí. Baja temperatura de ruido. Uso enradiotelescopios y antenas de microondas.





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Tipos de máser

Tipos de máserMáseres astronómicos (naturales)





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OsciladoresRelojes atómicosAmplificadoresOtras aplicaciones

Aplicaciones

AplicacionesOsciladores.Relojes atómicos.Amplificadores.Otras aplicaciones





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Aplicaciones

OsciladoresSu uso más habitual.A frecuencias muy altas es el único medio de obtenerradiación monocromática de gran pureza.Frecuencia: frecuencia de resonancia de los átomos.





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Aplicaciones

Relojes atómicosAncho de banda muy estrecho.Los máseres son buenas referencias de frecuencia de altaprecisión: buenos relojes atómicos.Máseres de amoníaco y de hidrógeno: referencias defrecuencia.Aplicaciones para comunicaciones vía satélite y GPS, entreotras.





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Aplicaciones

AmplificadoresAmplificadores de bajo nivel de ruido. Gran sensibilidad.Alto coste, dificultades tecnológicas (baja temperaturarequerida, etc.)Aplicaciones específicas: radioastronomía, comunicaciones víasatélite, radiometría de microondas...





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Aplicaciones

Otras aplicacionesCiencia: investigación de las propiedades de la materia.Otras aplicaciones en estudio.Ejército de estados unidos: pruebas de máser como armasdisuasorias.





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MASER MHM 2010

Maser MHM 2010Único máser activo de hidrógeno con cavidad independiente.Buena estabilidad durante largo periodo de tiempo.Funciona a tres frecuencias diferentes.

Frecuencia (MHz) Amplitud (dBm)5 1310 13100 13





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Estabilidad temporal (varianza de Allan)

Figura: Estabilidad en frecuencia del oscilador


Esquema de funcionamiento




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Conclusiones

ConclusionesDispositivo que produce ondas electromagnéticas coherentesmediante amplificación de emisión estimulada de radiación.Radiación monocromática, y con bajo nivel de ruido.Aplicaciones como estándar de frecuencia (relojes atómicos) yamplificadores de bajo nivel de ruido.También existen máseres astronómicos en la naturaleza.


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Digna María González OteroIván Iglesias de Lama

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