3. 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 o […]
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