MASER

Masers à l'état solide

Dans le maser à trois niveaux, le plus utilisé, les états d'énergie sont déterminés par les propriétés de solutions diluées d'ions paramagnétiques dans un réseau cristallin. La séparation des niveaux est ajustée par l'action d'un champ magnétique appliqué extérieurement au cristal.

Considérons trois niveaux dans la substance paramagnétique. Leurs populations sont distribuées selon la loi de Boltzmann, le niveau inférieur étant le plus peuplé. On a N₃ < N₂ < N₁.

En soumettant cette substance à une radiation à la fréquence de pompage f₁₃, dont la puissance est suffisante pour dominer les phénomènes de relaxation, la population du premier niveau décroît, tandis que celle du troisième croît jusqu'à ce que ces populations soient rendues sensiblement égales par effet de saturation. On réalise alors la condition N₂ > N₁ nécessaire pour obtenir l'effet maser entre les niveaux 1 et 2. On applique simultanément, avec f₁₃, un faible signal à la fréquence f₁₂, qui est donc amplifié. Comme le montre la formule (6), une différence appréciable entre les populations des divers niveaux ne peut être obtenue qu'à très basse température, dans le cas présent où les fréquences appartiennent au domaine des hyperfréquences. Il est donc nécessaire d'utiliser de l'hélium liquide (T ≤ 4,2 K) pour obtenir les meilleures performances.

Les masers sont construits soit avec une seule cavité résonnante, soit, plus généralement, avec une structure à ondes progressives afin d'augmenter leur bande passante. Le champ magnétique est de l'ordre de plusieurs dixièmes de tesla sur un faible volume. On a construit des amplificateurs dans un domaine de fréquences comprises entre 0,3 et 100 gigahertz, avec des bandes d'accord au plus égales à 0,25 GHz, un gain de 20 à 30 décibels et une puissance de saturation de 1 à 10 microwatts. Une puissance de pompage d'environ 5 à 50 milliwatts est nécessaire, à une fréquence de deux à quatre fois celle du signal à amplifier. On a aussi étudié des masers à l'état solide, dans lesquels la différence de population était obtenue par pompage optique.

L'intérêt essentiel des masers à état solide résulte de leur très faible température de bruit θ. La puissance minimale détectable P_m, dans la bande passante de bruit B, est :

Pour B donnée, la sensibilité de la réception d'un signal est donc d'autant meilleure que la valeur de θ est plus faible. Pour les masers à état solide, θ est de l'ordre de 20 K. On a donc P_m = 2,8 . 10^-18 W dans une bande passante de bruit de 10 kHz, par exemple.

On réalise actuellement des amplificateurs refroidis utilisant des transistors à effet de champ dont la température de bruit s'approche de celle qui est réalisable dans les amplificateurs à effet maser. Ils sont plus faciles à concevoir et d'un emploi plus aisé. Ils remplacent peu à peu les masers à état solide.