[科普中國]-微波激射

微波激射是新型的微波和光波放大器，微波激射的原理是物質(zhì)（原子、離子、分子）有量子化的能級，和它們與電磁場的相互作用。

微波激射效應有兩個與能量 和 相對應的能級1和2，在它們之間可以實現(xiàn)微波激射效應（下圖a）。在給定的時刻還存在熱力學平衡，系統(tǒng)由麥克斯韋—玻耳茲曼分布描寫。這就是說， 個分子處于能態(tài)1， 個分子處于能態(tài)2，且 。在下圖（a）上， 和 用符號（小圓圈）加以表明。

如果符合條件 的三個電磁輻射的能量子不破壞平衡，這個狀態(tài)就永久地維持下去。由圖可見，兩個分子吸收了兩個量子，而躍遷到受激態(tài)；也就是說，它們已從能級1躍遷到能級2。根據(jù)愛因斯坦的假設，伴有受激輻射的逆躍遷2→1具有同樣的幾率，但因 ，故只發(fā)生一次受激發(fā)射。經(jīng)過這兩個過程，進入系統(tǒng)的三個量子只有兩個放出去，所以系統(tǒng)將吸收輻射。當分子系統(tǒng)受到足夠強的光照時，兩個能級1和2的粒子數(shù)相同，躍遷1→2和2→1的數(shù)目相等，這時吸收對發(fā)射不占優(yōu)勢，介質(zhì)對該輻射而言是透明的（上圖（b））1。

如上圖（c）所示，這只有在下述情況下才能獲得 的狀態(tài)：受激發(fā)射動作對吸收動作占有優(yōu)勢；量子數(shù)增大，因而產(chǎn)生微波激射效應。

因此，想在熱力學平衡的條件下進一步提高輻射強度（即增大量子數(shù)）是不可能的，因為受激躍遷1→2和2→1的幾率相同，而能級的粒子數(shù)又不處于反轉(zhuǎn)的情況，所以，必須有一種外力的作用，迫使平衡向2的粒子數(shù)較大的方向移動，從而達到能量較高的分子數(shù) 大于能量較低的分子數(shù) 。

微波激射作用原理晶體可以用于作微波放大器和光放大器以及作相干輻射源，微波發(fā)射器通過輻射的受激發(fā)射，把微波放大；激光器通過同樣的途徑把光放大?？梢越柚聢D中的二能級磁性系統(tǒng)，去了解Townes所闡明的原理。

高能態(tài)中有個原子，低能態(tài)中有 個原子，把系統(tǒng)放在頻率為 的輻射中，輻射場磁分量的振幅為 ，單位時間里一個原子在高低能態(tài)之間躍遷的幾率是：

式中， 是磁矩， 是二能級的組合寬度。上式是根據(jù)根據(jù)量子力學的一個標準結(jié)果，即所謂的費密黃金定則（Fermi golden rule）得出，單位時間內(nèi)，由于高低能態(tài)之間的原子躍遷所發(fā)射的凈能量為：

這里P表示功率輸出， 是一個光子的能量， 是在開始的時候能夠發(fā)射光子的原子數(shù) 超出能夠吸收光子的原子數(shù) 的余額，熱平衡時， 所以不可能得到輻射的凈發(fā)射，但是在滿足 的非平衡條件下會出現(xiàn)發(fā)射。事實上，如果從 開始，并且將發(fā)射的輻射反射回系統(tǒng)中，這樣就加大了 ，因而激勵起更高的發(fā)射速率。激勵繼續(xù)增強，知道高能態(tài)的布居數(shù)減少至等于低能態(tài)的布居數(shù)為止2。

微波激射器微波激射器是在共振原子或分子系統(tǒng)中利用激發(fā)能量以得到電磁波相干放大或產(chǎn)生電磁波的器件。這種器件利用原子或分子的不穩(wěn)定粒子系綜，該系綜受電磁波激勵可以輻射出額外的能量，且輻射波與激勵波的頻率和相位都相同，這樣就提供了相干放大。然而，微波激射器不僅局限在微波區(qū)域，這種類型的放大已擴展到從聲頻到紅外和光頻的頻率范圍。因為微波激射器涉及分子尺度的過程，還因為某些類型的微波激射器不能用經(jīng)典力學恰當?shù)孛枋觯憩F(xiàn)出量子力學特有的現(xiàn)象，所以，微波激射器型的放大器與振蕩器有時也稱為分子或量子放大器與振蕩器。

微波激射放大器的噪聲之低是罕見的，在微波區(qū)域接近于有效地放大單個輻射量子，也就是說，這種放大器能達到測不準原理對放大一束波的相位和能量時所確定的精度極限。微波激射振蕩器固有的低噪聲使得這種利用很窄的原子或分子共振的振蕩器單色性非常好，提供了頻率標準的基礎。因為原子或分子在直至很短波長的很寬的頻率范圍內(nèi)，都可以產(chǎn)生共振和有效的放大，因此在老式電路元件不太有效的毫米波、紅外、可見光、甚至紫外波段，微波激射器用作相干放大器是十分有用的3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所