El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología

Presentación del tema: "El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología"— Transcripción de la presentación:

1 El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología
J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

2 CONTENIDO 0. Introducción 1. El efecto Máser 2. Realización de Máseres de hidrógeno 3. Cualidades metrológicas de Máseres de hidrógeno 4. Aplicaciones en Metrología 5. Conclusiones

3 INTRODUCCION

4 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.1913 d.1993

5 MASER icrowave mplification by timulated mission of adiation

6 “Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958
1958 invensión del láser “Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958 Charles H. Townes Bell Labs Arthur L. Schawlow Bell Labs

7 EL EFECTO MASER

8 Sistema cuántico de dos estados
Emisión espontánea Ea Eb Sistema cuántico de dos estados

9 Emisión espontánea Ea Espacio Eb h1 Tiempo
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea

10 Sistema cuántico de dos estados
Emisión estimulada Ea Eb Albert Einstein Sistema cuántico de dos estados

11 Emisión estimulada Eb Ea Espacio h1 h1 Tiempo
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada

12 Efecto Láser E1 E2 E3 Efecto Láser E1 E2 E3 Estado de vida corta
Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser Efecto Láser Estado de vida corta Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Bombeo óptico Decaimiento rápido Luz láser Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser

13 Reacción en cadena -Amplificador de luz-
Efecto Láser Reacción en cadena Amplificador de luz- Estado base Estado excitado Fotón

14 Elementos básicos de un
Máser Máser = Cavidad Resonante + Medio de Ganancia Interfase

15 Niveles de energía en el Láser de helio-neón
Colisiones He-Ne Estado Metaestable E3 E2 20 eV E1 18 eV Luz láser nm Bombeo (descarga eléctrica) Energía Decaimiento rápido Estados base 0 eV Estados del He Estados del Ne

16 Niveles de energía en el Máser de hidrógeno
F=2 P 3/2 23.7 MHz F=1 2P GHz F=1 2S 177.6 MHz F=0 121.6 nm GHz F=1 P 1/2 59.19 MHz F=0 Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno F=1 1S 1.420 GHz F=0 Interacción eléctrica Estructura fina Estructura hiperfina

17 REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

18 Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno
Cámara de vacío Cavidad de microondas Haz de átomos de hidrógeno Bulbo de hidrógeno 27 cm TE011 Selector de estados cuánticos Depósito de Hidrógeno Antena Bobina Blindaje magnético

19 Selección de estados cuánticos
F=1 F=0 0% 25% 0% F=1 F=0 25% F=1 F=0 25% F=1 F=0 0% 25%

20 Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno
Mezclador Amplificador GHz MHz 1.4GHz MHz  250 Sintetizador Detector de fase VCXO 5 MHz Lazo de amarre 5 MHz Frecuencia patrón

21 Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

22 Máser pasivo de hidrógeno
Máser activo de hidrógeno

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

24 Vista interna del Maser activo CH1-75A
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

25 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.

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

27 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.

28 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.

29 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.

30 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.

31 CUALIDADES METROLOGICAS DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

32 Comparación de la estabilidad de un Máser de Hidrógeno con otros patrones de frecuencia
-9 Cuarzo -10 -11 Rubidio Log (y()) -12 -13 Cesio -14 -15 Maser de hidrógeno -16 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes

33 Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno

34 Diferencia de fase Pendiente removida

35 Estabilidad relativa de frecuencia

36 APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO

37 2d Master Clock (Hydrogen Maser)
n-1 “independent” measurements M2 1 2 3 ... n BIPM n clocks CENAM´s clock ensemble of the ETP-1

38 i j x23=x21-x31 2 3 n ... x21 x31 xn1 1 Master clock

39 Estabilidad proyectada del UTC(CNM)
-9 Máser de hidrógeno -10 ETP-1 -11 UTC Log (y()) -12 UTC(CNM) -13 -14 -15 -16 | 2 3 4 5 6 7 8 9 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes

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