Молекулярный генератор

Молекуля́рный генера́тор, квантовый генератор электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения молекул в молекулярном пучке. Исторически первым генератором этого типа был молекулярный генератор на пучке молекул аммиака ${\displaystyle {\text{NH}}_{3}}$ (Ч. Таунс с сотрудниками, Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, 1954–1955). Для получения генерации использовались индуцированные переходы между уровнями энергии инверсионных состояний молекул ${\displaystyle {\text{NH}}_{3}}$. Инверсия населённостей уровней создавалась при пропускании молекулярного пучка через неоднородное электрическое поле квадрупольного конденсатора. Молекулы ${\displaystyle {\text{NH}}_{3}}$, обладающие электрическим дипольным моментом, имеют две пространственные конфигурации, поэтому при прохождении через неоднородное электрическое поле по-разному отклоняются им (см. рисунок), происходит их сортировка. Молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, оказываются на оси квадрупольного конденсатора (их траектории на рисунке изображены сплошными линиями), а молекулы, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, отклоняются от оси конденсатора (штриховые линии на рисунке). На выходе конденсатора пучок содержит лишь молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии. При дальнейшем прохождении через объёмный резонатор эти молекулы совершают вынужденные (индуцированные) переходы в нижнее состояние, сопровождающиеся излучением.

Основной характеристикой молекулярного генератора является стабильность его частоты ${\displaystyle {\nu }}$. Она определяется как внутренними, так и внешними факторами: монохроматичностью спектральной линии используемого квантового перехода и зависимостью ${\displaystyle {\nu }}$ от величины приложенного электрического поля сортирующего устройства (квадрупольного конденсатора) вследствие эффекта Штарка. Монохроматичность спектральной линии инверсионного перехода молекул ${\displaystyle {\text{NH}}_{3}}$ в молекулярном пучке оказывается высокой (в отличие от газов) благодаря отсутствию столкновений, приводящих к уширению линий вследствие эффекта Доплера.

Нестабильность частоты молекулярного генератора, обусловленную внешними факторами, можно снизить за счёт усовершенствования конструкции сортирующего устройства, температурной стабилизации резонатора и др. В практических разработках молекулярных генераторов на пучке молекул аммиака (длина волны излучения 1,24 см) нестабильность частоты не превышает 10^–11 . Благодаря высокой стабильности частоты молекулярные генераторы применяются в качестве стандартов частоты. Созданы молекулярные генераторы и на других дипольных молекулах, генерирующие излучение в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн; они используются как радиоспектрометры высокого разрешения.