به نام خداوند بخشنده مهربان

ليزرها و ميزرهاي اخترفيزيكي

:ارائه دهندهمحمد مهدي مطيعي

ليزر به چه معناست؟ليزر به معناي تقويت نور توسط تابش گسيل القايي اس,ت. کلمه ليزرکوتاه شده عبارت انگليس,ي زير

است:Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation

و ميزر:•Microwave Amplification by

Stimulated Emission of Radiation

تاريخچه، اينشتين پديده گسيل القايي 1917در سال •

اتم به واسطه جذب فوتون را بديهي شمرد. ,Townes اولين ميزر توسط 1954در سال •

Shawlow, Prokhorov.ساخته شد اولين ليزر اپتيكي توسط 1960در سال •

Maiman.ساخته شد ,Townes جايزه نوبل فيزيك به 1964در سال •

Prokhorov, Basov به دليل تحقيقاتشان در زمينه ليزر و ميزر اهدا گرديد.

ليزرها چگونه كار مي كنند؟هر ليزر از بخشهاي اصلي زير تشكيل شده است:

انرژ%ي:1• ي%ک چشمه %ي الکتريسيته - انرژ,ي اغل,ب چشم,ه نور پرقدرت ي ي,ک چشمه مي توان آ,ن جاي ب,ه ول,ي اس,ت، معمول,ي، واکن,ش شيمياي,ي، ي,ا حت,ي ليزري ديگ,ر را ني,ز به کار

برد.ي%ک محي%ط فعال:2• مي - ک,ه اس,ت اي ماده فعال محي,ط

تواند م,ي فعال محي,ط اي,ن کند. آزاد و را جذب انرژ,ي توان,د مثل باش,د، ماي,ع ديگ,ر، بلورهاي ي,ا ياقوت مانن,د باش,د، جام,د رنگينه ه,ا، ي,ا گاز باش,د مث,ل دي اکس,يدکربن. باريکه ي نور ليزر

در واقع در محيط فعال توليد مي شود.اين بخش -اصلي ترين بخش ليزر )س%از و کار تشديد(: 3•

از دو آين,ه ي,ا س,طوح بازتابنده ي ديگ,ر تشکي,ل شده اس,ت که در دو انتهاي محي,ط فعال قرار دارد. يک,ي از آين,ه ه,ا، ب,ه نام جفتگر

خروجي بازتابنده ي جزئي است.

- محيط فعال1- چشمه انرژي2- آينه كامل3- آينه نيمه شفاف )جفتگر 4

خروجي(- پرتو ليزر5

نور ليزر چگونه توليد مي شود؟ - چشمه ي انرژي، يک پرتو نورگسيل مي دارد و محيط فعال آن 1

را جذب م,ي کند. انرژ,ي جذب شده، بعض,ي از اتمهاي محيط فعال را برانگيخت,ه مي كند. اي,ن اتمه,ا ب,ه تراز انرژ,ي باالت,ر جهش مي کنند. پرتوهاي نور گس,يل شده ب,ه برانگيزش اتمهاي محيط فعال ادام,ه م,ي دهد. ب,ه اي,ن عم,ل دم,ش ني,ز م,ي گويند. وقتي ک,ه در محي,ط فعال تعداد اتمهاي برانگيخت,ه ب,ا انرژ,ي زياد بيشتر از تعداد اتمهاي ب,ا انرژ,ي کمت,ر ش,د، وارون,ي جمعي,ت به وجود م,ي آيد. پدي,د آمدن وارون,ي جمعي,ت براي عمل ليزري ضروري اس,ت. ب,ه بيان ديگ,ر دمنده ي,ک چشمهٔ, انرژ,ي خارج,ي اس,ت که وارون,ي جمعي,ت را در محي,ط ليزري ب,ه وجود مي آورد. تقويت موج نور ي,ا ميدان تاب,ش فوتون تنه,ا در ي,ک محي,ط ليزري که در آ,ن وارون,ي جمعي,ت بي,ن دو تراز انرژ,ي وجود داشت,ه باشد روي

N2مي دهد. براي اينک,ه ليزر کار کن,د الزم است تعداد اتم هاي انرژ,ي تراز اتم هاي E2در تعداد از N1 انرژي تراز در E1

( باش,,د جمعيت E2>E1بزرگ ت,,ر وارون,,ي را وضعي,,ت اي,,ن .)محيط در ه,م ب,ا القائ,ي گس,يل و جمعي,ت وارون,ي مي نامند. باع,ث تقوي,ت نور مي شوند. در غي,ر اين ليزري کار مي کنن,د و وضعي,ت موج نور عبور کننده از محي,ط ليزري تضعي,ف خواهد

شد.

نور ليزر چگونه توليد مي شود؟ - در حي,ن عم,ل ليزري، اتمهاي ب,ا انرژ,ي باالتر، در حال 2

برگشت,ن ب,ه تراز انرژ,ي پايي,ن، انرژ,ي اضاف,ي خود را به ص,ورت فوتون تاب,ش م,ي کنند. اي,ن فوتونه,ا ب,ه نوبه ي برانگيخته فعال، محي,ط در را ديگري اتمهاي خود، مي كنن,د و همي,ن اتمه,ا ني,ز فوتون آزاد مي کنند. ب,ه اين ترتي,ب اتمهاي بيشت,ر و بيشتري از محيط فعال، فوتون تاب,ش مي کنن,د و واکن,ش زنجيره اي افزاي,ش انرژي راه

مي افتد. اين پديده به گسيل القايي موسوم است. مهم تري,ن الزمهٔ, محي,ط تقوي,ت کننده تواناي,ي آن براي اتم هاي انرژي تراز دو بي,ن جمعي,ت وارون,ي ايجاد دميدن يا برانگيخت,ن ب,ا وضعي,ت اي,ن اس,ت. ليزري اتم هاي بيشتري ب,ه تراز انرژ,ي باالت,ر نس,بت به اتم هاي

موجود در تراز پايين تر تحقق مي يابد.

نور ليزر چگونه توليد مي شود؟

به 3 را گس,يل شده نور ليزر س,ر دو آينه هاي -پر ه,م باز نور و بر مي گردانن,د فعال محي,ط شدت ت,ر مي شود، فرآيندي ک,ه تقويت نام دارد. ب,ا بيشت,ر و بيشتر شدن شدت، نور ايجاد شده جفتگر از ک,ه مي شود قوي قدر آ,ن ليزر در اندود نقره جزئي طور ب,,ه ک,,ه خروج,,ي

)بازتاباننده( اس,ت ب,ه ص,ورت نور ليزر به بيرون مي گريزد.

N3<N2<N1در حالت عادي:

N3>N2 يا N2>N1در حالت واروني جمعيت:

توزيع از اس,تفاده ب,ا ترموديناميك,ي تعادل حال,ت در بولتزمن داريم:

kTE

E

E enn

NN /

1

2

1

2

چرا به وارونگي جمعيت نياز داريم؟

- جذب فوتون1

d N2(t)/dt = K n(t) N1(t):آهنگ جذب

n(t) تعداد فوتونهاي ورودي در واحد حجم:

واكنشهاي مهم بين ماده و تابش را بررسي مي كنيم:

نشر خودبه خودي فوتون -2

d N2(t)/dt = - g21 N2(t) = - N2(t)/ t2

N2(t) = N2(0) exp(-g21t) = N2(0) exp(-t/ t2) :حل

:آهنگ نشر خودبه خودي

g21 .ضريب نشر خودبه خودي است:نكته: فوتونهاي حاصل از نشر خودبه خودي به طور تصادفي در تمام جهات گسيل مي شوند.

نشر واداشته )القايي( يك فوتون -3

d N2(t)/dt = - K n(t) N2(t)

براي نشر القايي و جذب )القايي( يكسان است.Kضريب ثابت

جهت و فركان%س همان القاي%ي نش%ر از حاص%ل القاي%ي فو%تونهاي فوتون ورودي را دارند.

( ات,م به Resonance Response)نش,ر القاي,ي حاص,ل پاس,خ تشدي,د يك سيگنال تحميلي است.

dN2(t)/dttot = dN2(t)/dtabsorp+ dN2(t)/dtStimul+ dN2(t)/dtSpontan = +Kn(t)[N1(t)-N2(t)]-g21N2(t) = - dN1(t)/dttot

dn(t)/dt = -K [N1(t)-N2(t)] n(t)

n(t) = n(0) exp[-K(N1-N2)t] و لذا در ص,ورتي ك,ه تعداد فوتونهاي ورودي در ابتدا را N1>N2در حال,ت عادي

n(0) ،نم,ا بودن منف,ي دلي,ل ب,ه زمان گذش,ت ب,ا بگيري,م نظ,ر در n(t) كاهش باي,د تقوي,ت فوتونه,ا نما وارونگ,ي جمعي,ت) N2>N1مي يابد. پ,س براي ت,ا ( شود

مثبت شده، شاهد رشد تعداد فوتونها باشيم.

در الكترون استقرار زمان ك,,ه آنج,,ا از اتم حال,ت در خود الي,ه از باالت,ر اليه هاي

حدود چيزي ت,,ا 10-8خنث,,ي، ثانيه 9-10 براي بيشتري آنك,ه فرصت براي مي باش,د، ليزر توليد و كردن پمپاژ ي,ا دم,ش عم,ل انرژي تراز چهار ي,ا س,ه از باشي,م، داشت,ه تراز هاي حالت، اي,ن در مي كنيم. اس,تفاده س,وم ي,ا چهارم ب,ه ص,ورت ي,ك واس,طه مياني ايفاي ليزر توليد عم,ل و پمپاژ عم,ل بي,ن نق,ش مي نمايند. همچنين تراز دوم )در مدل مدل )در سوم تراز و س,,,ه ترازي( پايداري نسبتا مدارهاي چهارترازي(،

(Metastable )( هس,تند )بس,ته ب,ه س,اختار اتمچيزي به آنه,ا در الكترون مدت حضور ك,ه

در 10-3حدود خود اين و مي رس,د ثاني,ه مهمي نق,ش جمعي,ت وارونگ,ي ب,ه رس,يدن

ايفا مي كند.

ليزر سه ترازي

قرار داشته باشند.2 درصد اتمها در تراز 50براي واروني جمعيت بايد بيش از در اين حالت در مقايسه با ليزر چهار ترازي )در اساليد بعد( به پمپاژ سريعتري

نياز داريم.

ليزر چهار ترازي

در مقايسه با ليزر سه ترازي پمپاژ مي تواند با آهنگ كندتري صورت پذيرد.

تفاوت نور ليزر با نور معمولينور س,فيد معمول,ي آميزه ي ب,ي نظم,ي از طول موجهاي نوري, بسيار - همدوس%ي: 1•

متفاوت,ي اس,ت ک,ه در ه,م آميخت,ه ان,د، و در جه,ت هاي, مختلف,ي حرک,ت م,ي کنند. ب,ه اين دلي,ل اي,ن نور را ناهمدوس, م,ي گويند. فوتونهاي, گس,يلي از ي,ك ليزر همه طول موج يکس,ان دارن,د و ب,ا ه,م، ه,م فاز هس,تند. قل,ه ي, ه,ر موج ب,ا قل,ه ي موج ديگ,ر م,نطبق

است. با اين دليل نور ليزر منظم است و نور همدوس, ناميده مي شود.چون امواج نوري, گس,يلي از ليزر هم,ه طول موج ي,ا بس,امد يکساني - تکفام%ي%: 2•

دارند اين نور ت,ک رنگ ي,ا تکفام ناميده م,ي شود. يعن,ي نور ليزر با گذشت,ن ز منشور به همان ص,ورت خارج م,ي شود. نور س,فيد تکفام نيس,ت يعن,ي هنگام عبور از منشور به

رنگهاي, تشکيل دهنده ي خود تجزيه مي شود و يک رنگين کمان رنگ بوجود مي آيد.نور ليزر با باريک,ه هاي, مس,تقيم حرک,ت م,ي کند و نظير نور معمولي -جهت% مندي%: 3•

متري 320پخ,ش نم,ي شود. باريک,ه ي نور يك چراغ قوه قوي بر ديواري در فاصله ي 0.3 متر را روش,ن مي کند، ولي باريکه ي ليزر دايره اي به قطر 65دايره اي, به قطر

متر را روشن مي کند. درخشندگ,ي نور ليزر حت,ي ب,ا قدرت ک,م )چن,د ميل,ي وات( چندين - درخشندگ%ي:4•

برابر درخشندگي چشمه هاي معمولي نور است.

همدوسي )cos( iii tAE

تكفامي

P1 = 100 W

P2 = 5 mW

R = 1 m = 1000 mm

R = 1 m = 1000 mm

S = 1 mm2

S = 1 mm2

جهت مندي و درخشندگي

انواع تقويت توسط گسيل القايي در نواحي مختلف طيف الكترو مغناطيس

• Raser (RF maser)

• Maser

• Iraser (IR laser)

• Laser

• Uvaser (UV laser)

• Xaser (X laser)

• Graser (Gamma ray laser)

(MASERميزر )Microwave Amplification by Stimulated Emission of

Radiation

بخش در ك,ه اس,ت ليزر همان ميزر بنابراي,ن توليد الكترومغناطي,س امواج مايكرووي,و طي,ف

مي شود.ميزر مبتن,ي بر اص,ل انتشار القاي,ي اس,ت که در

توس,ط آل,برت اينشتي,ن پيشنهاد شد 1917س,ال شده مطرح ليزر از قبل تاريخ,ي لحاظ از و

است.

تعادل حالت در ك,ه ش,د بيان از استفاده ب,ا ترموديناميك,ي

توزيع بولتزمن داريم:

kTE

E

E enn

NN /

1

2

1

2

نس,بت جمعي,ت حالتهاي ب,ا انرژ,ي باالت,ر ب,ه حالتهاي ب,ا انرژي ويو، مايكرو موجهاي( )طول فركانس, هاي براي پايين ت,ر

است.1 به 1تقريبا E 5-10 براي تولي,د ميزر حدود eV اس,ت در حاليكه E

مي باشد. بنابراين: براي توليد ليزرحدود چند الكترون ولت ELaser >> EMaser

براي مي توان چني,ن اس,تنباط كرد ك,ه در دماهاي معمولي تولي,د ميزر نياز ب,ه انرژ,ي زياد نداري,م و ب,ه طور كل,ي نياز به

.عمل دمش )پمپ كردن( نمي باشد

با ميزر مه%م تفاوتهاي از برخ%ي ليزر:

population ratio

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00E+00 2.00E-01 4.00E-01 6.00E-01 8.00E-01 1.00E+00 1.20E+00 1.40E+00 1.60E+00 1.80E+00 2.00E+00

delta E

n2/n

1

masers lasers

kTE

E

E enn /

1

2

kTroom = 0.0258eVبنابراين در دماي اتاق كه انرژي كافي براي توليد جمعيت فراواني از اتمها در

حالت انرژي باالتر وجود دارد.

لذا براي تولي,د ميزر به حالتهاي سه ترازي يا چهار ترازي و زيرا حالت نيس,ت نيازي ميان,ي واس,طه تراز از اس,تفاده دارد. زيادي دوام ذات,,,,,ا القاي,,,,,ي نش,,,,,ر بن,ا براي,ن تنه,ا چيزي ك,ه مورد نياز اس,ت، جداس,ازي فيزيكي حال,ت انرژ,ي باالت,ر از حال,ت انرژ,ي پايين ت,ر براي رس,يدن به

وارونگي جمعيت مي باشد.

نس,بت ضري,ب گس,يل خود ب,ه خودي ب,ه ضري,ب گسيل •القاي,ي متناس,ب ب,ا توان س,وم فركان,س اس,ت )رابطه

زير(.دليل • ب,ه الكترومغناطي,س، راديوي,ي طي,ف بخ,ش در

كوچك بودن فركانس، اين نسبت بسيار كوچك است.با • مقايس,ه در خودبه خودي نش,ر ي,ا گس,يل بنابراي,ن

گس,يل ي,ا نش,ر القاي,ي بس,يار ناچي,ز و قاب,ل صرفنظر كردن مي باشد.

3

3

21

21 8ch

BA

اولين ميزرساخته • ك,ه ميزري اولي,ن

آمونياك پرتو ميزر ش,د، (.1954بود )در سال

مورد • انرژي تراز دو اس,تفاده: حالتهاي نوساني

ملكول آمونياك.ب,ا توج,ه ب,ه شك,ل مي توان •

اتمهاي كه كرد تص,,ور هيدروژ,ن در حال چرخش نيتروژن ات,,م و هس,,تند وضعيِت دو بي,ن مي توان,د باال و پايي,ن صفحه اتمهاي

هيدروژن نوسان كند.

N

H

HH

N

H

HH

ملكول • وضعيت دو انرژي هاي دقيقا

يكساني ندارند.دو • در ملكول لذا

قرار انرژي وضعي,,ت دارد.

دو • بين انرژ,ي تفاوت حسب بر وضعي,,,ت

23.87فركان,س تقريبا ( 24گيگاهرتز

حسب بر و گيگاهرت,ز( موج 1.25طول

سانتي متر مي باشد.

N

H

HH

N

H

HH

N

H

HH

N

H

HH

24 GHz

Charles Townes and the first manmade NH3-beam maser (1954)

ميزرهاي اخترفيزيكيليزره,ا و ميزرهاي ملكول,ي ميليارده,ا س,ال اس,ت كه در •

طبيعت در حال وقوع هستند. محي,ط ليزري مي توان,د شام,ل محيط هاي بين ستاره اي، •

دنباله داره,ا، ج,و س,يارات و ستارگان و ... نمونه اي از محيط هاي مناسب براي توليد ليزر و ميزر مي باشند.

ليزره,ا و ميزرهاي ملكول,ي ميليارده,ا س,ال اس,ت كه در •طبيعت در حال وقوع هستند.

ميزر • و ليزر د تولي براي ب مناس شامل محيط هاي مي توانن,د و سيارات ج,و دنباله داره,ا، بين س,تاره اي، محيط هاي

ستارگان و ... باشند.بهتري,ن كانديداه,ا ت,ا حال حاض,ر براي تامي,ن انرژي الزم •

پمپاژبراي ا ي يا ،عمل دمش تابشهاي الكترومغناطي,س و برخورد بين ذرات هستند.

ني,ز در س,رتاسر محي,ط ميزري ي,ا ليزري كه تشديدعم,ل •ابعادي از حدود س,ال نوري ت,ا چندي,ن پارس,ك را شامل

مي شود، رخ مي دهد.

فوايد مطالعه ميزرهاي اخترفيزيكي

عددي • چگالي دم,ا، نظي,ر كميات,ي بررس,ي ذرات، ميدان مغناطيس,ي و س,رعت اجسام

در فضا.بررس,ي محيطهاي,ي نظي,ر مح,ل تولد و مرگ •

ستارگان.بررسي مركز كهكشانهايي كه گمان مي رود •

داشته وجود نواح,ي آ,ن در س,ياهچاله هايي باشند.

س,,ال • ستاره اي 1962در بي,,ن ابرهاي از ،موجهاي طول در ملكولي نشري خطوط

راديوي,ي ب,ا شدت بس,يار زياد ثبت شدند. دماي جس,م س,ياه معادل ب,ا اي,ن شدتها چيزي در حدو

كلوي,ن بود!!! حال آ,ن كه پهناي 1015 ت,ا 1012خطوط دوپلري آنه,ا بس,يار باري,ك مي نمود )پهن آنها ب,ا رابط,ه در بس,يار كم,ي دوپلري شدگ,ي مشاهده مي ش,د(. دماي حاص,ل از پهن شدگي

كلوين بود!100دوپلري اين ابرها كمتر وقوع • پديده اين براي قانع كننده توضي,ح ي,ك

ميزر در اين ابرها مي باشد.آشكار • اخترفيزيكي ميزرهاي از زيادي انواع

و OH، SiOشده ان,د ك,ه مهمتري,ن آنها ميزرهاي H2O.هستند

پهن شدگي دوپلري

نزديك • س,,ياهچاله هاي و برخوردي كهكشانهاي در ميزرهاي اخترفيزيك,ي مي توانن,د ميليونه,ا برابر قوي تر از ميزرهاي معمول,ي باشند. ب,ه اي,ن ميزرها مگاميزر

نخستيِن آنها كشف شد.1982مي گويند كه در سال

1.42 GHz

ميزر •ميزر هيدروژن ميزرها، انواع از يك,,ي هيدروژ,ن اس,ت ك,ه ب,ه عنوان يك مورد مي تواند دقي,,ق س,,اعت

استفاده واقع شود.از • استفاده ب,,ا ني,,ز ميزر اي,,ن

اتم وضعي,ت دو انرژ,ي اختالف هيدروژن توليد مي شود.

اتم • الكترون اس,پين ك,ه هنگام,ي با هم جه,ت حال,ت از هيدروژ,ن حالت خالف ب,ه پروتون، اس,پين جه,ت تبدي,ل مي شود، فوتون,ي با

موج توليد 21طول س,انتي متر مي گردد.

هيدروژن • ات,م براي پديده اي,ن بسيار به ندرت اتفاق مي افتد اما قرص در ويژه ب,ه و كيهان در بسيار مقادي,ر ب,ا ك,ه كهكشانه,ا عظي,م هيدروژ,ن مواج,ه هستيم، ذهن از دور پديده اي,,ن وقوع

نيست.برخورد • ميزر اين تولي,د عام,ل

يكديگر ب,,ا هيدروژ,,ن اتمهاي مي باشد.

OHبين ستاره اي جذبي • )راديكال OHخطوط

ي,ا اولين -OHهيدروكس,يل ) يك از راديوي,,ي مشاهده بود ستاره اي بي,,ن ملكول

(1963.)بين • فوق ظري,ف گذار چهار

ملكول اين انرژ,ي ترازهاي شد مشاهده تئوري برطب,ق كه همگي با طول موج حدود

با 18 و س,,,انتي متر ، 1665، 1612فركانسهاي

و 1667 و 1720 مگاهرتز بودند.1:5:9:1به نسبتهاي

Energy level diagram depicting the 18 cm microwave transition and

its hyperfine structure

، خطوط نشري اين OHدو س,ال بع,د از كش,ف خطوط جذب,ي راديوي,ي •ملكول نيز مشاهده شد.

قطبيدگي • درج,ه ك,م، بس,يار خطوط پهناي زياد، بس,يار نش,ر شدت بسيار باال و مقياس زماني تغييرات از مرتبه چند روز بود.

شدت خطوط چنان زياد بودن,د ك,ه اگ,ر قرار بود اي,ن شدت از ي,ك منبع • كلوين مي بود.1012گرمايي حاصل مي شد، دما بايد چيزي از مرتبه

هم اكنون عقيده بر آ,ن اس,ت ك,ه تنه,ا عام,ل تولي,د چني,ن خطوطي ميزر •مي باشد.

ميزرهاي • )OHمدل س,ازي ديرين نمون,ه س,تاره هاي در Late-Type )( بس,يار موفقيت آمي,ز بوده است. S و G، K، M، R، N)رده هاي طيف,ي

در اي,ن س,تاره ها عم,ل دميدن )پمپاژ( توس,ط پرتوهاي مادون قرم,ز كه با ب,ه دلي,ل ذرات غبار برخورد كننده تاب,ش س,تاره ناش,ي از تضعي,ف

بادهاي ستاره اي است، صورت مي پذيرد.

OHبين ستاره اي

طول موج و فركانس برخي ميزرها

• OH– 180mm: 1612, 1665, 1667, 1720 MHz– 63mm: 4750 & 4765 MHz– 50mm: 6035 & 6030 MHz

• H2O– 13mm: 22.235 GHz– 3mm: 96.261 GHz

• CH3OH– 45mm: 6669 MHz– 25mm: 12179 MHz– 13-8mm: 23.1, 28.9, 37.7, 38.2 GHz – 3mm: 85.5, 86.6, 86.9, 93.1, 94.5 GHz– 3mm: 107.0, 108.8 GHz

• SiO– 7mm: 42.820 & 43.122 GHz– 3mm: 86.243 GHz

294 transitions from 800 MHz to 800 GHz

• NH3– 16-12mm: 18.5 – 23.9 GHz

• HCN– 3mm: 88.631 GHz

• H2CO (formaldehyde)– 62mm: 4830 MHz

• Radio recombination lines– 2mm-25m: 147 GHz – 12 THz

به طور خالصه در مورد ميزرهاي اخترفيزيكي مي توان گفت:ثانيه • ميل,ي ح,د )در كوچ,ك بس,يار ميزره,ا دهنده تشكي,ل اجزاي

از باري,ك هس,تند )كسري آنه,ا از ناش,ي قوس,ي( و خطوط طيف,ي Km/s ) مكان و س,رعت بخشهاي تولي,د كننده ميزر ب,ا دق,ت بااليي

قابل اندازه گيري هستند.نياز • گازي محيط هاي طوالني مس,افتهاي ب,ه ميزره,ا تولي,د براي

اختيار در ليزرها مانن,د اي,ن محيطه,ا كاواك تشدي,د زيرا در اس,ت. نداري,م، بنابراي,ن مس,افتهاي زياد بايد تعداد زياد فوتونهاي همدوس

ميزري را تامين كنند.برخورد، • )تابش، دارن,د نياز پمپاژ براي مكانيزم,ي ب,ه تولي,د براي

ميدانهاي الكتريكي، واكنش هاي شيميايي(.در دماهاي ك,م محيط هاي ميان س,تاره اي ني,ز امكان شكل گيري آنها •

اينك,ه ب,ه )ب,ا توج,ه eV 5-10 براي توليد ميزر حدود Eوجود دارد است(.

شدت خطوط نشري ميزرها به دماي محيط بستگي ندارد.•آن • بلن,د موج دلي,ل طول ب,ه ميزر پرتوهاي واگراي,ي ي,ا پراكندگ,ي

نسبتا كم است.

در جو CO2ليزر مادون قرمز سيارات

براي اولي,ن بار در ج,و س,يارات مريخ و زهره مشاهده •شدند.

كيلومت,ر از س,طح مريخ 80مح,ل تولي,د آنه,ا در ارتفاع • كيلومتر از سطح زهره است.120و

ب,ا طول موج • به 10اي,ن ميزره,ا مت,ر مربوط ميكرو محدوده در ك,ه مي باشن,د كرب,ن واقع IRدي اكس,يد

شده اند.ساز و كار توليد:•

گس,يل تابشهاي حرارت,ي از س,طح س,ياره و جذب آ,ن توسط –جو

آغاز نشر در جو سياره–تشديد تقويت شده نشرهاي خودبخودي در جو سياره–

تنه,ا • ج,و در عمودي تقوي,ت تقويت 0.3ميران و %حدود چيزي كمتر 10افق,ي كم,ي و مري,خ براي %

براي زهره مي باشد.

ميزر آب در جو سيارات بزرگ )غول(

با • شوميكر-لوي دنباله دار برخورد از پ,,س س,ياره مشتري خطوط ميزر آ,ب از اي,ن سياره

گيگاهرتز(.22مشاهده گرديد )با بسامد همچني,ن اي,ن ميزر از برخ,ي ستاره هاي ميزبان •

سيارات فراخورشيدي نيز دريافت شده است.

ميزر در دنباله دارهاكه • هس,تند منجم,د ذرات از توده هاي,ي دنباله داره,ا

مانند ملكولهاي,ي ... H2O, CO2, NH3, CH4شام,ل و مي باشند.

هنگامي ك,ه ب,ه خورشي,د نزدي,ك مي شون,د اي,ن ملكولها •تبخير مي گردند.

برخورد دنبال,ه دار شوميكر-لوي ب,ا سياره مشتري در •ب,ا بسامد 1994س,ال آ,ب ب,ه نش,ر ميزر 22، منج,ر

گيگا هرتز شد.را • از ملكولهاي آب برخ,ي امواج فرابنف,ش خورشي,د

مي شوند.OHمي شكنند و سبب شكلگيري ملكولهاي س,ال • ميزر 1997در نش,ر OH بسامد )ب,ا 1667

مگاهرتز( از دنباله دار هيل-باپ مشاهده گرديد.

ميزرهاي • ديگر نوع ميزرهاي SiOنجومي،

هستند.با • همراه ميزره,,ا اي,,ن

و OHميزرهاي H2O در ،خارجي اليه هاي

حال در ستارگان انبساط شكل مي گيرند.

پمپاژ • براي الزم انرژي اين H2Oميزرهاي در

برخورد توسط محيط ه,ا كنترل ذرات بين

مي شود.

SiOميزرهاي اطراف در در ستارگان حال انبساط

Image courtesy Jessica Chapman

، در اليه هاي خارجي ستارگان در حال H2O و SiO ، OHآشكارسازي ميزرهاي انبساط

Movie courtesy ofPhil Diamond,Jodrell Bank

SiO masers in TX Cam

شكل گيري محيط هاي% در ميزرها ستارگان

و ب,ه ويژه متانول )ميزر OH، H2Oميزرهاي • ت,ا چن,د هزار واح,د نجومي 1متانول در ابعاد

در عرض و از دي,د ناظ,ر زمين,ي( در نزديكي مشاهده محيط ها اي,ن پرجرم ت,ر نواح,ي

شده اند.س,تارگان پرجرم جوان در اي,ن خص,وص حائز •

اهميت مي باشند.نواح,ي پيش س,تاره اي ني,ز در اي,ن بي,ن قابل •

توجه هستند.(، يكي از OMC1ابر ملكول,ي س,حابي جبار )•

مهمترين اين منابع است.

Orion Nebula's hydroxyl masers were the first identified by physicists. (Courtesy Anglo-Australian Observatory)

Greenhill etal, 1998, Nature, 396, 650

Orion BN/KL در SiOميزر

BN: Becklin-Neugebauer Object

ساير ميزرهاي كهشكشاني

ميزر • ابرنواختري انفجارات باقيمانده هاي OH مگاهرتز توليد مي كنند.1720 با بسامد

وOH, H2Oميزرهاي • SiO پيش در سحابي هاي سياره نما ظاهر مي شوند.

نواح,ي پيش س,تاره اي ني,ز در اي,ن بي,ن قابل •توجه هستند.

illustrates a composite image of IC 443 (Jellyfish Nebula), a Supernova Remnant (SNR) in the constellation Gemini.  IC 443 is also host to at least three strong OH MASER emission regions as indicated by the

PSR B1641-45: Pulsed OH Maser Emission Stimulated by a Pulsar

                                                                        

Discovery of Pulsed OH Maser Emission Stimulated by a Pulsar

Here we demonstrate that photons from pulsar B1641-45 stimulate pulses of excess 1720 MHz line emission in an interstellar OH cloud. As this stimulated emission is driven by the pulsar, it varies on a few millisecond timescale, orders of magnitude shorter than the quickest OH maser variations previously detected.

Authors: Joel M. Weisberg, Simon Johnston, Baerbel Koribalski, Snezana StanimirovicScience 309 (2005) 106 [astro-ph/0505231]

برون كهشكشانيOHميزرهاي

مادون • درخشان كهكشانهاي نزديكي در ميزرهاي بسامد OHقرم,,ز ب,,ا 1667

مگاهرتز آشكارسازي شده اند. كه:آنه,ا • يكرون,د تابندگ,ي تا 103 برابر 106

تابنده ترين ميزرهاي كهكشاني است. قرمزگرايي • ب,ا فاص,له اي در آنه,ا بيشت,ر

z0.3.قرار دارند اجزاي اي,ن ميزره,ا ه,م ب,ه صورت پراكنده و •

هم به صورت فشرده مي باشند.

H2Oميزرهاي برون كهكشاني

مشاهده • آب ميزرهاي نزدي,ك كهكشانهاي در شده اند.

فعال • كهكشانهاي هس,ته شاهد AGN)در (ه,ا وقوع نشرهاي مگاميزري هستيم:

- در شوكهاي تولي,د شده توس,ط جتها و بادهاي اين محيطها.

اطراف برافزايشي قرص,,,,هاي در -در احتماال كه جرم پ,ر بس,يار س,ياه چاله هاي مرك,ز اي,ن كهكشانه,ا واقعن,د )با ابعادي در حدود

نيم پارسك(.

The Bear Claw Nebula, where a strong methanol maser was detected

Eta Carinae Parameters

Spectral type WR peU−B color index -0.45B−V color index 0.61Radial velocity (Rv) −25.0 km/sProper motion (μ) RA: −7.6 mas/yr Dec.: 1.0 mas/yrAbsolute magnitude (MV) -5.45 to -5.74Mass 100–150 M☉Radius 85–195 [R☉Luminosity 5 × 106(bolometric) L☉Temperature 36–40,000 KAge ~ <3 × 106 years

Laser emission in Eta Car -1

Observations with HST have identified a gas cloud that acts as a natural ultraviolet laser (FeII), near Eta Carinae. The interstellar laser may result from Eta Carinae's violently chaotic eruptions, in which it blasts parts of itself out into space, like an interstellar geyser.

Laser Emission in Eta Carinae - 2See the Papers:

S. Johansson, V.S. Letokhov: - Possibility of Measuring the Width of Narrow Fe II Astrophysical Laser Lines in the Vicinity of Eta Carinae by means of Brown-Twiss-Townes Heterodyne Correlation Interferometry.

- Astrophysical laser operating in the OI 8446-Å line in the Weigelt blobs of η Carinae, MNRAS, Volume 364, Issue 1, pp. 731-737, 2005

Images of the MASER source IRC+10420.  Left: Low resolution image taken with the MERLIN array.Right:  High resolution image taken with the EVN.   Image courtesy of Magarrett via Wikipedia.

The hypergiant IRC+10420 is of interest in that it appears to be an unique example of a star undergoing rapid transition from red supergiant to the Wolf-Rayet phase.  Its effective temperature has increased by 1000-2000K within only 20 years. 

Molecules that exhibit maser action in celestial objects

molecule name frequency (GHz) characteristics*

OH hydroxyl 1.612 O, M

" 1.667 O, M

" 1.720 O

H2CO formaldehyde 4.829 O

CH3OH methanol 12.178 O

SiS silicon sulfide 18.155 C

H2O water 22.235 O, M

NH3 ammonia 23.870 O

SiO silicon oxide 43.122 M, S, O

" 86.243 M, S

HCN hydrogen cyanide 89.087 C

*O means that the maser emission is frequently found in star-forming regions; M, in M stars; S, in S stars; C, in carbon stars

خصوصيات برخي از ميزرهاي مهم

ابعاد محيط/ابر)ساير

خصوصيات(

سازوكار توليد دوره (GHz)بسامد ناحيه توليد نوع ميزر

200-500 R*داراي دو خط طيفي است )دورشونده و نزديك شونده(

دوران OHملكول

10 سال

180mm: 1612, 1665, 1667, 1720 MHz63mm: 4750 & 4765 MHz50mm: 6035 & 6030 MHz

نواحي تشكيل ستاره ها،

باقيمانده هاي انفجارات

ابرنواختري ، پيش سحابي هاي

سياره نما ، دنباله دارها

OH

1013cm20-50 R*

)خطوط طيفي آن در اطراف

AGN ها شديدتراست(

دوران و نوسان ملكول

)دوراني( GHz 22.2 سال2 96 GHz)نوساني(

نواحي تشكيل ستاره ها و

هاAGNاطراف و محيطهايي كه

وجود HIIدر آنها دارد، پيش سحابي هاي سياره نما

H2O

<20 R*

)داراي يك خط طيفي است و شدت آن به

آهنگ از دست دادن جرم

ستاره بستگي دارد(

ماه17mm: 42.820 & 43.122 GHz3mm: 86.243 GHz

در نواحي نزديك به ستارگان تحول يافته،

پيش سحابي هاي سياره نما

SiO

ابعاد محيط/ابر)ساير

خصوصيات(

سازوكار توليد دوره طول موج /

بسامدناحيه توليد نوع ميزر

؟ - ؟

45mm: 6669 MHz25mm: 12179 MHz13-8mm: 23.1, 28.9, 37.7, 38.2 GHz 3mm: 85.5, 86.6, 86.9, 93.1, 94.5 GHz3mm: 107.0, 108.8 GHz

اطراف ستارگان

تحول يافته و اطراف نواحي پرجرم تشكيل ستارگان

CH3OH)متانول(

100حدود كيلومتري جو مريخ و ناهيد

پمپاژ توسط تابش

غيرمستقيم خورشيد كه از سطح سياره

منعكس مي شود و جذب و نشر تابش در جو

سياره

؟ 10 m جو سيارات CO2

؟ چرخش ملكول آمونياك ؟ 16-12mm: 18.5 –

23.9 GHzنواحي تشكيل ستاره ها

NH3

!ارتباط%ات بين ستاره اي(Sherwood et al., 1992)

شدت نسبتا زياد نشرهاي ليزري و ميزري•)واگرايي( • پراكندگ,,ي و زياد جهت مندي

نسبتا كم ميزرها وجود محيطهاي مناس,ب براي توليد ميزر و •

ليزر در آسمانامكان همگرا شدن پرتوهاي ميزر و ليزر بر •

اثر پديده لنزهاي گرانشيدر • اخترفيزيكي ميزرهاي تولي,,د امكان

آزمايشگاههاي زميني

Letokhov, V. S.Astrophysical LasersQuant. Electr. 32, 1065 )2002( = Kvant. Elektron. 32, 1065 )2002(

Various laboratory and astrophysical masers and lasers on the diagram: “activemedia particle density – active medium size”.

An overall vision of astrophysical lasers ضريب تقويت در واحد طول :

:منابع- Astrophysical Lasers, Vladilen LETOKHOV, Sveneric JOHANSSON,Oxford Univ. Press,

2009- Astrophysical Masers, Proceedings of a Conference, Held in Arlington, Virginia, USA, 9-11

March 1992-Astrophysical Concepts, Martin Harwit, Fourth Edition, 2006- Quantum Physics, of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, R. Eisberg, R.

Resnik,1974- http://www.galaxyzooforum.org/index.php - http://en.wikipedia.org/wiki/Maser - http://en.wikipedia.org/wiki/OH_masers - http://laserstars.org/history/ammonia.html - http://laserstars.org/history/hydroxyl.html - http://laserstars.org/history/masers.html - http://en.mimi.hu/astronomy/maser.html - http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/ESSAYS/Elitzur/elitzur.html - http://laserstars.org/references/survey.html - http://laserstars.org/references/survey.html - http://www.galaxyzooforum.org/index.php - http://www.sciencedirect.com/science - http://einstein.stanford.edu/content/faqs/maser.html - http://physic-new.blogfa.com/post-2.aspx - http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php

يك مقدماتي- ، جلد دوم، زيليك-گرگوري، ترجمه دكتر جمشيد قنبري، چاپ ششم )ويرايش نجوم و اخترفيز1387چهارم(،