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MASER

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Le mot « maser » (Microwave Amplification  by  Stimulated  Emission  of Radiation) signifie amplification de micro-ondes par émission induite de rayonnement.

Les masers présentent un très grand intérêt historique. Celui à ammoniac, réalisé par Charles H. Townes et ses collaborateurs en 1954, a constitué la première preuve expérimentale de l'émission induite ou stimulée dont l'existence avait été prédite par Albert Einstein en 1917. Il a ensuite été possible à Charles H. Townes et Arthur L. Schawlow de prévoir la possibilité d'amplifier des ondes lumineuses et donc de réaliser les lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Les masers amplificateurs ont contribué au développement de la radioastronomie, de la radiométrie et des liaisons par satellites, à une époque où peu d'amplificateurs présentaient la très grande sensibilité requise.

D'autres développements sont de nature fondamentale : ils concernent l'étude des propriétés statistiques de l'émission induite, lorsque la cavité résonnante ne contient qu'un très petit nombre d'atomes et de photons.

Les masers sont des appareils conçus à partir des propriétés quantiques d'interaction de la matière et du rayonnement. Ils peuvent fonctionner soit en oscillateurs hyperfréquences doués d'une très grande pureté spectrale, soit en amplificateurs hyperfréquences dont l'extrême sensibilité n'est limitée que par des phénomènes fondamentaux de fluctuation quantique.

Le maser à hydrogène a permis de réaliser l' horloge atomique qui présente la meilleure stabilité de fréquence à court et à moyen terme. Il subsiste quelques masers amplificateurs associés aux plus grandes antennes de réception de signaux en provenance de radiosources naturelles ou artificielles. Ils tendent à être supplantés par des dispositifs plus simples, utilisant, par exemple, des transistors à effet de champ.

Principes physiques

D'après les théories de Niels Bohr, un atome peut effectuer une transition entre deux niveaux d'énergie discrets E1 et E2 (E2 > E1), à condition que la loi de conservation de l'énergie E2 − E1 = hν soit vérifiée, h étant la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement émis ou absorbé.

Le bilan des échanges de population entre les deux états peut s'établir à l'aide des coefficients de probabilité d'Einstein.

Le nombre dN′ d'atomes qui passent du niveau inférieur au niveau supérieur pendant l'intervalle de temps dt est égal à :

où ρν est la densité spectrale d'énergie, soit l'énergie rayonnante contenue dans l'unité de volume et dans un intervalle de fréquence infiniment petit centré sur ν ; N1 est le nombre d'atomes se trouvant au niveau E1 ; et B12 le coefficient de la probabilité d' absorption. Ce transfert de population s'accompagne de l'absorption de dN′ photons du rayonnement incident.

Du niveau supérieur, les atomes peuvent retourner au niveau inférieur selon deux processus différents : l'émission spontanée ou l'émission induite. Cependant, dans le domaine des fréquences hertziennes qui nous intéresse ici, la seconde est largement prépondérante pour toutes les densités de rayonnement qu'on peut généralement rencontrer. Nous négligerons donc l'émission spontanée. L'émission induite, appelée aussi stimulée, est provoquée, comme l'absorption de rayonnement, par la présence d'une radiation à fréquence ν. Le nombre d'atomes dN″ retournant au niveau inférieur sous l'influence du rayonnement pendant le temps dt, et donc le nombre de photons produits par émission induite, est donné par :

où B21 est le coefficient de la probabilité d'émission induite.

Einstein a montré que les coefficients[...]

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Écrit par

  • Maurice ARDITI : directeur de recherche au C.N.R.S.
  • Claude AUDOIN : directeur de recherche au C.N.R.S., directeur du laboratoire de l'horloge atomique de l'université de Paris-XI, Orsay

Classification

Pour citer cet article

Maurice ARDITI, Claude AUDOIN, « MASER », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :

Médias

Oscillateur à hydrogène

Oscillateur à hydrogène

Encyclopædia Universalis France

Oscillateur à hydrogène

Oscillateur maser à hydrogène.

Encyclopædia Universalis France

Amplificateur à trois niveaux

Amplificateur à trois niveaux

Encyclopædia Universalis France

Amplificateur à trois niveaux

Amplificateur maser à trois niveaux.

Encyclopædia Universalis France

Autres références

  • ASHKIN ARTHUR (1922-2020)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 6 984 mots
    • 1 média

    Le physicien américain Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel de physique en 2018 pour ses « inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers ».

    Né le 2 septembre 1922 à New York, au sein d’une famille d’origine juive ukrainienne, Ashkin a passé sa jeunesse dans le quartier[...]

  • BASSOV NIKOLAÏ GENNADIEVITCH (1922-2001)

    • Écrit par Bernard PIRE
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  • BLOEMBERGEN NICOLAAS (1920-2017)

    • Écrit par Bernard PIRE
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    Né le 11 mars 1920 à Dordrecht (Pays-Bas), Nicolaas Bloembergen est le fils d'un ingénieur chimiste travaillant dans une usine d'engrais. Il termina ses études universitaires à Utrecht juste avant que les nazis ne ferment l'université en 1943. Après deux dures années d'occupation, durant lesquelles[...]

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  • HISTOIRE DE LA TECHNIQUE DU LASER - (repères chronologiques)

    • Écrit par Alain ORSZAG
    • 3 779 mots

    1900 Max Planck suggère que l'échange d'énergie entre les ondes et la matière est discontinu et se fait par « grains » de rayonnement : les quanta d'énergie.

    1913 Niels Bohr introduit la notion de niveaux d'énergie des atomes pour rendre compte de l'émission de quanta[...]

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