Молекулярный генератор на аммиаке создает колебания с частотой 23,87 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1,25 см. Мощность такого генератора очень мала и составляет Вт. Главная особенность молекулярного генератора на аммиаке - высокая стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты за несколько часов работы не превышает . Подобный генератор может быть использован в качестве стандарта частоты.

Ещё более высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке атомов водорода. Он отличается от генератора на аммиаке тем, что для селекции возбужденных и невозбужденных атомов используется неоднородное магнитное поле, а не электрическое. Это объясняется наличием у атомов водорода некоторой намагниченности. Неоднородное магнитное поле прижимает к оси возбужденные атомы водорода и отклоняет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонатор влетают возбужденные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора в невозбужденное состояние, генерируют электромагнитные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор. Относительная нестабильность частоты водородного генератора может быть . Мощность не превышает Вт. Аналогично водородному работает генератор на атомах цезия. Молекулярные и атомные квантовые генераторы применяются для точного отсчета времени - в молекулярных и атомных часах.

Рис.3 Водородный мазер.

В первоначальном мазере, созданном в 1954 г. Джеймсом Гор-

доном, Цайгером и Таунсом, использовались вибрации молекул аммиака

для получения микроволновых колебаний точно определенной частоты.

Вслед за этим Николас Бломберген из Гарвардского университета наметил

практический путь построения так называемого 3-уровневого твердого мазера для использования его в качестве микроволнового усилителя

с низким уровнем шумов.

Первый мазер такого типа был построен в лаборатории компании

Bell Telephone Laboratories Джорджем Фехером, Сковилом и Зайделем,

и затем было сконструировано много других. Радиоастрономы нашли их

особенно ценными для усиления очень слабых радиосигналов из космоса.

На этом рисунке процесс индуцированного излучения (внизу),являющийся основой действия мазера, сопоставляется с поглощением (наверху) и спонтанным излучением (в середине). Если атом в основном состоянии (черный кружок слева вверху) поглощает фотон (волнистая пунктирная стрелка), то он возбуждается или переходит в более высокое возбужденное состояние (белый кружок справа вверху). Возбужденный атом (в середине слева) может излучить затем энергию спонтанно, эмитируя фотон и возвращаясь в основное состояние (справа в середине). Возбужденный атом (слева внизу) может также быть вынужден к эмиссии фотона, если он испытает удар фотона, пришедшего со стороны. Таким образом, в дополнение к вынуждающему фотону теперь имеется второй фотон той же самой длины волны (справа внизу), и атом возвращается в основное состояние.

Индуцированное излучение, представляющее собой основу действия мазера, является обратным процессом по отношению к поглощению электромагнитных волн или фотонов атомными системами. Когда фотон поглощается атомом, энергия фотона переходит во внутреннюю энергию атома. Атом в этом случае переходит в возбужденное квантовое состояние. Позднее он может спонтанно излучить эту энергию, эмитируя фотон и возвращаясь в основное или в некоторое иное промежуточное состояние. В продолжение периода, когда атом еще возбужден, он может быть вынужден эмитировать фотон, если этот возбужденный атом испытает соударение с фотоном, имеющим в точности энергию фотона, который был бы испущен атомом спонтанно. В результате пришедший со стороны фотон или волна получают приращение за счет фотона от данного возбужденного