میزر

میزر دستگاهی است که امواج الکترومغناطیسی منسجم را از طریق تقویت ناشی از انتشار تحریک شده تولید می‌کند. از لحاظ تاریخی، این واژه از مخفف «microwave amplification by stimulated emission of radiation» (تقویت میکرو ویو به وسیله گسیل اشعه تحریک شده) مشتق شده‌است، هرچند که میزرهای نوین در بخش وسیعی از طیف الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند. همانطور که Townes خاطرنشان ساخته‌است، این امر منجر شده که عده‌ای «میکرو ویو» را از لحاظ مخفف با «مولکولی» جایگزین کنند. زمانی که نوسانگرهای منسجم نوری برای اولین بار بوجود آمدند، میزر نوری نامیده شدند، اما بعدها تحت عنوان لیزر نام گرفتند.
تاریخچه
از لحاظ تئوری، با تامل بر اصولی که قبلا در کنفرانس انجمن مهندسین رادیویی در ماه ژوئن ۱۹۵۲ مورد بحث جوزف وبر قرار گرفت، اصل میزر توسط Nikolay Basov و Alexander Prokhorov عضو انجمن فیزیک Lebedev در کنفرانسی که در رابطه با طیف‌نمای رادیویی توسط انجمن علوم ایالات جماهیر شوروی در ماه مه ۱۹۵۲ برگزار شد شرح داده شد. آن‌ها سپس نتایج خود را در اکتبر ۱۹۵۴ منتشر نمودند. Charles H. Townes, J.P. Gordon و H.J. Zeiger به‌طور جداگانه اولین میزر را در سال ۱۹۵۳ در"دانشگاه کلمبیا ساختند.
این دستگاه از انتشار تحریک شده در طیفی از مولکولهای آمونیاک تقویت شده به منظور تقویت میکروویوها در فرکانس ۲۴ گیگاهرتز استفاده می‌کرد. Townes بعدها برای توصیف اصل میزر نوری یا لیزر، که «تئودور اچ میمن» برای اولین بار در سال ۱۹۶۰ آن را شرح داد، با «آرتور ال شالو» همکاری کرد. در سال ۱۹۶۴ برای تحقیق در این زمینه بهTownes ، Basov و Prokhorov جایزه نوبل فیزیک اعطاء شد.
فناوری
میزر مبتنی بر اصل انتشار تحریک شده که در سال ۱9۱۷ توسط آلبرت اینشتین پیشنهاد شد، می‌باشد. هنگامی که اتم‌ها در وضعیت انرژی محرک قرار داده می‌شوند، می‌توانند تشعشع را در فرکانس مناسب تقویت کنند. با قرار دادن چنین واسطه تقویت‌کننده‌ای در یک حفره طنین‌دار، بازخوردی ایجاد می‌شود که می‌تواند اشعه منسجم تولید کند.
برخی از انواع میزرهای متداول
میزرهای پرتو اتمی
میزر آمونیاکی
میزر هیرروژنی
میزرهای گازی
میزر روبیدیوم
میزرهای حالت جامد
میزر یاقوتی
میزر گازنجیب دوگانه نمونه‌ای از یک masing medium غیرقطبی می‌باشد.
کاربردها
میزرها به عنوان مرجع فرکانس با دقت بالا به کار برده می‌شوند. این «استانداردهای فرکانس اتمی» شکلی از ساعت اتمی می‌باشند. آن‌ها همچنین به عنوان تقویت‌کننده در تلسکوپهای رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
میزر هیدروژنی
امروزه میزر هیدروژنی مهم‌ترین نوع میزراست که در حال حاضر به عنوان یک استاندارد فرکانس اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این میزرهمراه با سایر انواع ساعت اتمی، «Temps Atomique International » یا TAL را تشکیل می‌دهد. این مقیاس زمان بین‌المللی است که توسط اداره بین‌المللی Des Poids Et Mesures یا BIPM هماهنگ می‌شود.
نورمن رمزی و همکارانش اولین کسانی بودند که اولین بار این دستگاه را شناسایی کردند. میزرهای امروزی شبیه طرح اصلی هستند. نوسان‌گر میزر بر انتشار تحریک شده بین دو سطح فوق ظریف هیدروژن اتمی تکیه دارد. شرح مختصری از نحوه عملکرد آن در زیر آمده‌است:
ابتدا، پرتویی از هیدروژن اتمی تولید می‌شود. این کار با تحریک گاز در فشار پایین به تخلیه RF انجام می‌شود. (عکس این صفحه را ملاحظه فرمایید)
مرحله بعدی «انتخاب حالت»، به منظور رسیدن به انتشار تحریک شده، است که برای ایجاد وارونگی جمعیت اتم‌ها الزامی می‌باشد. این کار به طریقی انجام می‌شود که بسیار مشابه آزمایش معروف Stern-Gerlach است. پس از عبور از یک روزنه و یک میدان مغناطیسی، بسیاری از اتم‌های موجود در پرتو در سطح فوقانی انرژی انتقال lasing باقی می‌مانند. اتم‌ها می‌توانند از این حالت به حالت پایین‌تر تنزل یابند و مقداری اشعه میکرو ویو منتشر کنند.
عامل باکیفیت حفره میکروویو، میکروویوها را محدود می‌کند و آن‌ها را به‌طور مکرر در پرتو اتم تزریق می‌کنند. انتشار تحریک شده میکروویوهایی را که پرتو از آن‌ها می‌گذرد تقویت می‌کند. این ترکیب تقویت و بازخورد همان چیزی است که همه نوسان‌گرها را محدود می‌کند. فرکانس طنین‌دار حفره میکروویو دقیقا با ساختار فوق ظریف هیروژن تنظیم می‌شود: ۱٫۴۲۰۴۰۵۷۵۱
بخش کوچکی از سیگنال در حفره میکروویو درون یک کابل دومحوری جفت می‌شود و سپس به یک گیرنده منسجم ارسال می‌گردد.
این سیگنال میکروویو که از میزر خارج می‌شود بسیار ضعیف است (چند pW) و فرکانس به شدت ثابت می‌باشد اما نمی‌تواند تغییر کند. گیرنده منسجم به منظور تقویت سیگنال و تغییر فرکانس مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار با استفاده از یک سری حلقه فاز-قفل و یک نوسان‌گر کوارتز باکیفیت صورت می‌پذیرد.
میزرهای اخترفیزیکی
انتشار میکروویوهای تحریک شده و موج رادیویی در نجوم مشاهده می‌گردد و معمولا «masing» نامیده می‌شود، حتی در فقدان بازخورد طنین‌دار که برای یک میزر واقعی مورد نیاز می‌باشد. از لحاظ فنی این نوع انتشار تحریک شده انتشار فوق متشعشع (Superradiant emission) نامیده می‌شود و تقریبا به Lasing و masing وابسته می‌باشد. چنین انتشاری از مولکولهایی مانند مولکولهای آب (H۲O)، رادیکالهای هیدروکسیل (OH)، متانول (CH۳OH)، فرم آلدیید (CH۲O) و مونوکسید سیلیکون (SiO) مشاهده می‌شود.
انتشار تحریک شده شبه میزر در طبیعت در محیط میان‌ستاره‌ای نیز اتفاق می‌افتد. مولکولهای آب در نواحی‌ای که ستاره شکل می‌گیرد می‌توانند متحمل وارونگی جمعیت می‌شوند و در GHz ۲۲ اشعه منتشر می‌کنند و درخشان‌ترین خط طیفی را در عالم رادیو ایجاد می‌کنند. برخی از میزرهای آب از حالت نوسانی در GHz۹۶ اشعه منتشر می‌کنند.
واژگان
مفهوم اصطلاح میزر از زمان معرفی آن تاکنون تغییر یافته‌است. در ابتدا این واژه به‌طور کلی به عنوان «microwave amplification by stimulated emission of radiation» (تقویت میکرو ویو به وسیله گسیل اشعه تحریک شده) مسلم فرض می‌شد، که توصیف‌کننده دستگاههایی است که در ناحیه میکروویو طیف الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند. اصل انتشار فعال شده تاکنون به دستگاه‌ها و فرکانس‌های بیشتری بسط یافته‌است و بنابراین واژه اصلی گاهی اوقات، به گفته Charles H. Townes، به تقویت مولکولی به وسیله گسیل اشعه تحریک شده تعدیل می‌گردد. برخی ادعا کرده‌اند که تلاشهای Townes به منظور عمومیت بخشیدن به این واژه به این شیوه اصولا موجب اشتیاق برای افزایش اهمیت اختراع او و شهرت وی در انجمن علمی شده بود.
زمانی که لیزر بوجود آمد، Townes و Schawlow و سایر همکاران آن‌ها در آزمایشگاه Bell Labs کاربرد واژه میزر نوری را الزامی کردند اما این واژه عمدتا به طرفداری از لیزر، که توسط رقیب آن‌ها Gordon Gould ابداع شده بود، کنار گذاشته شد. در کاربرد نوین، دستگاههایی که در ناحیه میکروویو و زیر آن گسیل می‌شوند، صرفنظر از اینکه میکروویو یا سایر فرکانس‌ها را منتشر کنند، معمولا میزر نامیده می‌شوند.
Gould در اصل نامهای متمایزی برای ابزاری که در هر بخش از طیف منتشر می‌شوند پیشنهاد کرد که عبارت‌اند از: گریزر (لیزر اشعه گاما)، زیزر (لیزر اشعه ایکس)، یوویزر (لیزر اشعه فرابنفش)، لیزر (لیزرهای مرئی)، ایریزر (لیزرهای مادون قرمز)، میزر (میزرهای میکروویو) و ریزر (میزرهای RF). ما با اکثر این اصطلاحات هرگز برخورد نکرده‌ایم اما اکنون همه آن‌ها به استثنای میزر و لیزر منسوخ شده‌اند.
میزرها در داستان‌ها و فیلم‌های علمی-تخیلی
میزرها در داستان‌ها و فیلم‌های علمی-تخیلی اغلب به صورت اسلحه ظاهر می‌شوند. ویژگی‌های آن‌ها اغلب با ویژگی‌های میزرهای واقعی تفاوت دارد اما جای تردید است که آیا می‌توان چنین اسلحه‌های میزری کاربردی‌ای ساخت.
برخی از جلوه‌های علمی-تخیلی قابل توجه میزرها:
میزرها قابل شناسایی‌ترین اسلحه در سریال گودزیلا و سایر فیلم‌های هیولایی Toho می‌باشند. «تانکهای میزری» اغلب در مقابل هیولاها به کار گرفته می‌شوند. این تانکها تیر الکتریسیته را، که احتمالا توسط میکروویوهای تقویت شده ایجاد شده‌اند، شلیک می‌کنند. تانکهای میزری در بازی‌های کامپیوتری مختلف و فیلم‌های علمی-تخیلی دیگر نیز ظاهر شده‌اند.
میزرها در انیمیشن‌ها و انیمیشن‌های الهام گرفته از داستان‌های علمی-تخیلی ژاپنی متداول هستند. آن‌ها در انیمیشن‌های Trasformers، Gundam SEED، Code Geass و سایر انیمیشن‌ها نمایان شده‌اند. در انیمیشن Gundam SEED، میزرها به عنوان امواج صوتی تمرکز یافته به شکل لیزر توصیف می‌شوند، نه به صورت دستگاه‌های میکروویو.
میزرها در فیلم Nights Down universe اثر «پیتر اف همیلتون» به‌طور کلی به عنوان اسلحه، هم از سفینه‌های فضایی و هم توسط سربازان زمینی، به کار گرفته می‌شوند و همچنین در حماسه Commonwealth (جمهور) او ظاهر می‌گردند.
میزرها غالبا به عنوان سلاح انتخاب حمله توسط نیروهای نظامی در سریال داستانی «Quest for Tomorrow» اثر «ویلیام شاتنر» مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در فیلم جنگ ستارگان، میزرها اسلحه اصلی برای رقابت Chiss هستند، هم روی جنگنده‌های آن‌ها و هم برای تفنگهای دسته‌دار آنها.
میزر DANGI اسلحه‌ای مهم و مرگبار در سناریوی عمومی (و رایگان) به مناسبت Marathon تحت عنوان Maraton Rubicon است.
در داستان Contact (تماس) اثر «کارل سیگان»، شخصیت اصلی یعنی «الی ارووی» پروژه پایان‌نامه خود را در مورد توسعه یک «میزر یاقوتی» انجام می‌دهد.
اختراع‌ها در ایالات متحده (۱۹۴۶–۱۹۹۱)
سامانه بازدارنده فعال
سیزر