MASER

Masers à gaz ou à vapeur

Par suite de la faible densité atomique dans les gaz ou les vapeurs, la puissance de saturation des masers à gaz amplificateurs est limitée à quelque 10^-12 ou 10^-10 watt. Leur largeur de bande est très étroite et ils sont difficilement accordables sur une gamme de fréquences étendue. Ils ne présentent donc pas d'intérêt particulier pour les radiocommunications. En revanche, ils peuvent être utilisés comme étalons de fréquence, ou comme spectromètres pour l'étude des atomes ou des molécules assurant l'émission induite.

On peut facilement transformer ces amplificateurs en auto-oscillateurs, en permettant au champ électromagnétique créé par l'émission induite d'entretenir cette émission. Cette rétroaction s'effectue dans une cavité résonante à faibles pertes. En tant qu'oscillateurs, les masers à gaz présentent une pureté spectrale extrêmement élevée ; ils peuvent être utilisés avantageusement comme analyseurs de spectre ou comme étalons de fréquence.

Pour obtenir l'auto-oscillation, on produit, par seconde, une différence de population supérieure à une valeur de seuil n_s qui s'exprime, en unités S.I., par la relation simplifiée suivante :

où μ₀ est la perméabilité magnétique du vide (μ₀ = 4 π . 10^-7) ; V, le volume de la cavité résonnante ; Q, son facteur de qualité ; μ, l'élément de matrice de la transition ; T₀, le temps d'interaction de l'atome ou de la molécule avec le champ électromagnétique ; et η, le coefficient de remplissage de la cavité par le milieu actif.

La demi-largeur de la raie d'oscillation d'un maser est donnée par :

où Δν est la demi-largeur de la transition et P la puissance fournie par le milieu actif.

Dans le cas typique d'un maser à hydrogène, à une température T voisine de 300 kelvins, on a Δν = 0,5 Hz, P = 5 . 10^-13 W et donc Δν_osc = 1,3 . 10^-8 Hz. Ce résultat montre le haut degré de monochromaticité de l'oscillation maser.

Si la fréquence d'accord de la cavité ν_c n'est pas égale à celle de la transition ν₀, alors la fréquence d'oscillation subit un déplacement donné par la relation :

Celui-ci est petit, car le coefficient (2 Δν)Q/ν₀ vaut 2,5 . 10^-5 environ dans le cas du maser à hydrogène. Néanmoins, la valeur de ν_c doit être maintenue aussi proche de ν₀ et aussi constante que possible pour obtenir une excellente stabilité de fréquence à long terme.

Dans le premier maser, à ammoniac, on utilisait une transition dipolaire électrique dans l'ammoniac, à une fréquence égale à 22 789 MHz. Les molécules d'un jet étaient défléchies différemment, selon leur niveau d'énergie, au passage dans un champ électrique intense et inhomogène. Celles du niveau supérieur traversaient une cavité résonnante où l'émission induite se produisait. La stabilité de fréquence à long terme du maser à ammoniac était limitée par la faible valeur du temps de passage des molécules dans la cavité et par l'effet des collisions entre elles. Le maser à ammoniac, d'intérêt historique, n'est pratiquement plus employé.

Le principal maser à gaz utilise une transition dipolaire magnétique de l'atome d'hydrogène. Son intérêt provient du long temps d'interaction des atomes avec le champ électromagnétique de la cavité résonnante, grâce au stockage des atomes dans un ballon. On obtient ainsi une raie de résonance atomique très étroite. Le maser à hydrogène permet de réaliser l' horloge atomique la plus stable

Les masers à rubidium utilisent une transition de structure hyperfine des isotopes de masse atomique 85 et 87 du rubidium, à 3 035,732 MHz et à 6 834,682 MHz, respectivement. L'inversion de population est obtenue par pompage optique, dans une cellule contenant de la[...]