El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología

J. Mauricio López R.División de Tiempo y Frecuencia

CONTENIDO

1. El efecto Máser

2. Realización de Máseres de hidrógeno

0. Introducción

3. Cualidades metrológicas de Máseres de hidrógeno

4. Aplicaciones en Metrología

5. Conclusiones

INTRODUCCION

The Nobel Prize in Physics 1989

"for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks"

"for the development of the ion trap technique"

                         

      

                         

      

                         

      Norman F. Ramsey Hans G. Dehmelt Wolfgang Paul

    1/2 of the prize     1/4 of the prize     1/4 of the prize

USA USA Federal Republic of Germany

Harvard University Cambridge, MA, USA

University of Washington Seattle, WA, USA

University of Bonn Bonn, Federal Republic of Germany

b.1915 b.1922 b.1913d.1993

MASER

mplification by

mission of

adiation

timulated

icrowave

1958 invensión del láser

Charles H. Townes

Arthur L. Schawlow

Bell Labs

Bell Labs

“Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958

EL EFECTO MASER

Emisión espontánea

Sistema cuántico de dos estados

Ea

Eb

Emisión espontánea

Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea

Eb

Ea

h1

Esp

acio

Tiempo

ba EhE 1

Emisión estimulada

Sistema cuántico de dos estados

Albert Einstein

Ea

Eb

Emisión estimulada

Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada

Esp

acio

Tiempo

Eb

h1

Ea

h1

h1

11 2 hEhE ab

Efecto Láser

Estado de vida corta

Estado metaestable

Estado baseE1

E2

E3

Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser

Bombeo óptico

Decaimiento rápido

Efecto Láser

Estado de vida corta

Estado metaestable

Estado baseE1

E2

E3

Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser

Luz láser

Efecto Láser

Reacción en cadena -Amplificador de luz-

Estado base

Estado excitado

Fotón

Elementos básicos de un

= Cavidad Resonante + Medio de Ganancia

Interfase +

Máser

Máser

Ene

rgía

Estados base

Estados del He Estados del Ne

E2

E1

E3

Colisiones He-Ne

Estado Metaestable

Bombeo

(descarga eléctrica) Decaimiento rápido

Luz láser 632.8 nm

0 eV

20 eV

18 eV

Niveles de energía en el Láser de helio-neón

F=2

F=1

F=1

F=0

F=1

F=0

F=1

F=01S

2S

2P

P 1/2

P 3/2

121.6 nm

10.969 GHz

1.0578 GHz

1.420 GHz

59.19 MHz

177.6 MHz

23.7 MHz

Interacción eléctrica

Estructura fina Estructura hiperfina

Niveles de energía en el Máser de hidrógeno

Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno

REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Blindaje magnético

Bobina

Cavidad de microondas Bulbo de hidrógeno

Antena

Haz de átomos de hidrógeno

Depósito de Hidrógeno

Selector de estados cuánticos

Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno

Cámara de vacío

27 cm

27 c

m

TE011

F=1

F=0

0%0%

25%25%

0%

F=1

F=0

0%25%

25%

F=1

F=0

0%0%

0%25%

Selección de estados cuánticos

F=1

F=0

25%25%

25%25%

Mezclador Amplificador

Detector de fase

Sintetizador

250

5 MHz Frecuencia patrón

1.420 405 752 GHz

1.4GHz20.405 752 MHz

20.405 752 MHz

VCXO

5 MHz

Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno

Lazo de amarre

Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

Máser activo de hidrógeno

Máser pasivo de hidrógeno

Maser Actido de hidrógeno modeo CH1-75A con “Auto tunning Cavity System”.

Vista interna del Maser activo CH1-75A. Puede observarse la electrónica en la puerta y el sistema físico cubierto por el blindaje magnético en

forma de cilíndro

La parte mas baja del sistema físico de maser CH1-75A se muestra en esta fotografía. La parte cilindrica contiene la bomba iónica. Los elemntos adiconales

son usados para disociar las moléculas de hidrógeno.

El pequeño cilíndro oscuro en la parte baja de la fotografía es el depósito de hidrógeno

Sobre la bomba de vacío y el depósito de hidrógeno se encuentra una serie de blindages magnéticos anidados en forma de cilindros. En la fotografía se muestra

solamente la parte baja del blindage magnético.

En esta fotografía se muestra otro ángulo de la parte baja del blindaje magnético. En el disco de radio menor va montada la cavidad resonante.

Cavidad resonante. Esta cavidad está fabricada en un vidrio especial que tiene un coeficiente de expación (como función de la temperatura) extremadamenmte bajo. Para la fabricación de esta cavidad se usan

herramientas con filos de diamante.

En esta fotografía se muestra el bulbo que contiene a los átomos de hidrógeno que son usados para producir el efecto Máser. El bulbo tiene una

película interna (recubrimiento) muy delgada de teflón con el objeto de redicir los efectos sistemáticos por colisiones.

CUALIDADES METROLOGICAS DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Lo

g ( y

())

Log (), segundos

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

1 día 1 mes

-9

-10

-11

-12

-13

-14

-15

-16Maser de hidrógeno

Rubidio

Cuarzo

Cesio

Comparación de la estabilidad de un Máser de Hidrógeno con otros patrones de frecuencia

Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno

Diferencia de fasePendiente removida

Estabilidad relativa de frecuencia

APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO

1 2 3 n...

BIPM

n-1 “independent” measurements

n clocks

CENAM´s clock ensemble of the ETP-1

M2

2d Master Clock (Hydrogen Maser)

1

...

Master clock

2

x21

3

x31

n

xn1

x23=x21-x31

jjiiiiij xxxx ,12,11, ...

)(...)()( 1,1,11,21,11,11, jjiiii xxxxxx

)( 1,1

1

1,

1

1,

k

j

ikk

j

ikkk xxx

i j

Lo

g ( y

())

Log (), segundos

0 | 2 3 4 5 6 7 8 9 7.0

1 día 1 mes

-9

-10

-11

-12

-13

-14

-15

-16

Estabilidad proyectada del UTC(CNM)

Máser de hidrógeno

ETP-1

UTC

UTC(CNM)

Mauricio López R.

mauricio.lopez@cenam.mx

+ 52 (442) 211 0543

El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología