MASER

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 ρ_ν 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 des probabilités d'absorption et d'émission induite sont égaux. Il en résulte que l'accroissement de la population du niveau inférieur dN est :

Le bilan énergétique de l'effet de l'absorption et de l'émission induite peut s'établir facilement puisque dN représente aussi l'excès du nombre de photons qui ont été émis par rapport à ceux qui ont été absorbés. L'énergie des photons étant égale à hν, celle de l'onde incidente varie donc de ΔE, donné par :

pendant l'interva [...]

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