极低频电磁场指频率在300Hz以下的交变电磁场,主要由电力供应和各类家用电器产生。该频段的波长很长,本质上是一种感应场。电场以V/m为强度单位;磁场来源于电流 ,它们的磁感应强度以特斯拉(T)表示极低频电磁场，我们日常使用的交流电的频率是50Hz，也被称为工业频率(简称工频)，是最典型的极低频。

　　

　　近期，中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室在量子精密测量领域取得重要进展，该实验室彭新华教授研究组及其合作者首次在弗罗凯量子体系上实现微波激射器，为超高精度超低频磁场测量以及暗物质搜寻等研究提供了全新的途径。

　　

　　微波激射器是利用辐射场的受激发射原理制成的微波放大装置。能够产生噪声极低的单色相干的微波辐射。利用电磁波与原子或分子等量子系统的共振相互作用，在微波波段获得放大或振荡的量子器件。对于原子(或分子)的某两个能级，若其布居数是处于粒子数反转的状态，即上能级的布居数大于下能级的布居数，则与入射电磁波相互作用后总的表现为原子辐射相干电磁波，从而使入射电磁波的能量增加，这就是量子放大。如果入射电磁波的频率 为微波频率，则利用这种原理制成的放大器称为微波量子放大器。若再加上适当的反馈装置，则微波量子放大器就可以变成为微波量子振荡器。微波激射器是微波量子放大器和微波量子振荡器的统称。

　　

　　第一台微波激射器是1954—1955年由美国物理学家C.汤斯和苏联物理学家N.巴索夫和A.普罗霍罗夫独立研制的氨分子激射器。其工作原理是，氨分子束先通过一个非均匀电场，使处于两个基态能级中较低能级的分子被偏转掉，处于较高能级的分子被聚焦，进入微波谐振腔，被腔内辐射场激励而跃迁到下能级，发生受激发射。受激发射产生的辐射场激励更多的分子发生受激发射，造成辐射能量的累积。当累积能量超过微波腔(氨分子系统)损耗的能量时，出现自持振荡。将振荡能量导出，就得到一个激射器。氨分子激射器的长期稳定度不高，未能走向实用化。但该技术的工作原理和应用前景从一开始就受到重视。基于其工作原理，美国物理学家N.布洛姆伯根于1956年发明了固体微波量子放大器，A.肖洛和汤斯于1958年提出了激光的原理。

　　

　　在微波激射器中，为了加强原子与电磁波的相互作用，往往把工作物质放在一个微波谐振腔中，谐振腔的谐振频率正好等于原子的跃迁频率。有的微波量子放大器用慢波结构来代替谐振腔。谐振腔本身又是一个反馈装置，原子辐射出的电磁波能量的一部分留在腔内，再次作用于原子上构成正反馈作用。当谐振腔的Q值足够高，原子辐射的功率足够大时，微波量子放大器就变成微波量子振荡器。

　　

　　造成原子某两个能级粒子数反转的方法很多，最常用的是选态法和三能级(或四能级)抽运法。选态法常用在原子束(或分子束)中，当原子束通过一个不均匀磁场(或电场)时，处在不同能级上的原子因受力不同其运动轨迹就不同。这样，就可把处在某一对能级的上能级的原子选出来，然后让它进入一个谐振腔。三能级(或四能级)抽运法常用于气体、液体、固体的工作物质。先用某一频率的电磁波，把原子从最低能级抽运到一个高能级上，从而可以造成该高能级与另一个较低能级之间的粒子数反转，或者造成另一个较低能级与最低能级之间的粒子数反转。

　　

　　微波量子放大器的优点是它具有特别低的噪声。因为在微波波段，可能成为噪声源的自发辐射可以忽略，如果把放置工作物质的谐振腔再放入液氦中，则它的噪声温度只有几开(K)，非常接近于无噪声的理想放大器。微波量子振荡器的优点是振荡频率可以做得非常稳定。因为它决定于原子能级的稳定性，只要选择合适的能级使能级位置对各种外界宏观条件不敏感即可。

　　

　　在微波量子放大器方面，常用的是固体微波量子放大器，适于在极低温度下工作，从而可获得极低的噪声温度。在射电天文方面，微波量子放大器在天线仰角较大(输入噪声小)时，可用于微弱微波信号放大。

　　

　　微波激射器是在共振原子或分子系统中利用激发能量以得到电磁波相干放大或产生电磁波的器件。这种器件利用原子或分子的不稳定粒子系综，该系综受电磁波激励可以辐射出额外的能量，且辐射波与激励波的频率和相位都相同，这样就提供了相干放大。然而，微波激射器不仅局限在微波区域，这种类型的放大已扩展到从声频到红外和光频的频率范围。因为微波激射器涉及分子尺度的过程，还因为某些类型的微波激射器不能用经典力学恰当地描述，而表现出量子力学特有的现象，所以，微波激射器型的放大器与振荡器有时也称为分子或量子放大器与振荡器。

　　

　　微波激射放大器的噪声之低是罕见的，在微波区域接近于有效地放大单个辐射量子，也就是说，这种放大器能达到测不准原理对放大一束波的相位和能量时所确定的精度极限。微波激射振荡器固有的低噪声使得这种利用很窄的原子或分子共振的振荡器单色性非常好，提供了频率标准的基础。因为原子或分子在直至很短波长的很宽的频率范围内，都可以产生共振和有效的放大，因此在老式电路元件不太有效的毫米波、红外、可见光、甚至紫外波段，微波激射器用作相干放大器是十分有用的。

　　

　　新闻来源：中国科学技术大学