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

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

El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología

J. Mauricio López R.División de Tiempo y Frecuencia

Page 2: 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

Page 3: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

INTRODUCCION

Page 4: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 5: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

MASER

mplification by

mission of

adiation

timulated

icrowave

Page 6: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

1958 invensión del láser

Charles H. Townes

Arthur L. Schawlow

Bell Labs

Bell Labs

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

Page 7: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

EL EFECTO MASER

Page 8: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Emisión espontánea

Sistema cuántico de dos estados

Ea

Eb

Page 9: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Emisión espontánea

Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea

Eb

Ea

h1

Esp

acio

Tiempo

ba EhE 1

Page 10: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Emisión estimulada

Sistema cuántico de dos estados

Albert Einstein

Ea

Eb

Page 11: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Emisión estimulada

Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada

Esp

acio

Tiempo

Eb

h1

Ea

h1

h1

11 2 hEhE ab

Page 12: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 13: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Efecto Láser

Reacción en cadena -Amplificador de luz-

Estado base

Estado excitado

Fotón

Page 14: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Elementos básicos de un

= Cavidad Resonante + Medio de Ganancia

Interfase +

Máser

Máser

Page 15: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 16: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 17: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Page 18: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 19: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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%

Page 20: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 21: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

Page 22: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Máser activo de hidrógeno

Máser pasivo de hidrógeno

Page 23: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 24: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 25: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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.

Page 26: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 27: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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.

Page 28: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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.

Page 29: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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.

Page 30: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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.

Page 31: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

CUALIDADES METROLOGICAS DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Page 32: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 33: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno

Page 34: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Diferencia de fasePendiente removida

Page 35: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

Estabilidad relativa de frecuencia

Page 36: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO

Page 37: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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)

Page 38: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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

Page 39: El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

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)

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Mauricio López R.

[email protected]

+ 52 (442) 211 0543

El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología