Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 20 страниц)
ПИЧКИ-ЗАГАДКИ
Во многих городах в различных странах ученые включились в эти исследования. Еще больше было таких, которые применяли их результаты для своих весьма разнообразных целей.
В области квантовой электроники редкоземельные элементы позволили создать множество различных типов оптических квантовых генераторов. Наиболее широкое применение среди всех редких земель здесь нашел неодим.
Добавка нескольких процентов неодима в стекло позволила получить генерацию инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. Человеческий глаз не видит этого излучения, но тем поразительнее его действие. Здесь нет даже огненного луча, вылетающего из рубина, но в пластинке, изготовленной из сверхтвердого сплава, появляется одно отверстие за другим. Невидимый инфракрасный луч пробивает тончайшие аккуратные отверстия с гладкими оплавленными краями.
Первые оптические квантовые генераторы, работавшие на кристаллах рубина, на стекле, на некоторых других кристаллах излучали электромагнитную энергию короткими мощными импульсами. Они не могли работать непрерывно. Главным образом из-за несовершенства применявшихся материалов.
Рубин и другие кристаллы, а также стекла в оптическом квантовом генераторе приводятся в активное состояние при помощи оптической накачки. Здесь работает ставшая классической схема трех уровней, предложенная для получения активного состояния еще Басовым и Прохоровым. Энергетические уровни рубина, участвующие в генерации, принадлежат ионам хрома. Правда, в рубине верхний из рабочих уровней хрома имеет сложную структуру. Это даже не уровень, а сочетание множества уровней, слившихся в две отдельные полосы. Для того чтобы перебросить электроны хрома из основного состояния в нижнюю из этих полос, на них нужно воздействовать фотонами зеленого света. Для того чтобы перебросить электроны в верхнюю полосу, рубин нужно осветить сине-фиолетовым светом. Лампы-вспышки, служащие для накачки оптических квантовых генераторов, излучают белый свет. Это значит, что в их спектре присутствуют все частоты видимого света. Поэтому во время вспышки внешние электроны части ионов хрома поглощают зеленый свет и переходят в нижнюю из полос возбуждения, а электроны остальных ионов хрома, поглощая синий и фиолетовый свет, поднимаются в верхнюю из этих полос.
Приобретя таким путем избыточную энергию, ионы хрома в кристалле рубина не могут сохранить ее дольше, чем несколько стомиллионных долей секунды. За это время часть поглощенной энергии рассеется по решетке кристалла, вследствие чего электроны опустятся на более низкий энергетический уровень, обладающий всеми свойствами, необходимыми для того, чтобы стать стартовым уровнем для генерации света. На этом уровне связь между электроном и решеткой кристалла оказывается много меньшей, и он может прожить на нем десятитысячную и даже тысячную долю секунды. Поэтому значительная часть электронов, поглотивших свою долю энергии света лампы-вспышки, практически мгновенно оказывается на этом стартовом энергетическом уровне. Некоторые из них, прежде чем успеют отдать остатки своей избыточной энергии решетке кристалла, самопроизвольно высвечивают ее, испуская фотон. Такое испускание фотона называется люминесценцией и происходит в каждом ионе независимо от других. Моменты самопроизвольного испускания фотона и его направление подчиняются только законам случая.
Самопроизвольная люминесценция была известна давно. В обычных условиях она сопровождается и вынужденной люминесценцией. Но если в веществе не достигнута инверсия населенностей энергетических уровней, то есть ионов-приемников, как всегда, больше, чем ионов-передатчиков, вынужденная люминесценция маскируется более сильным резонансным поглощением.
Для того чтобы достичь в рубине инверсии, то есть состояния, в котором ионов-передатчиков больше, чем приемников, требуются лампы-вспышки, дающие очень большую световую энергию. Если же инверсия достигнута, то достаточно обеспечить нужную обратную связь и вынужденная люминесценция, вызовет генерацию света.
Процесс начнется в тот момент, когда один из фотонов, появившихся в результате самопроизвольной люминесценции, вылетит вдоль оси кристалла по направлению к одному из зеркал. Если длина кристалла достаточно велика, этот фотон имеет шанс вызвать излучение точно такого же фотона, летящего в том же направлении. Отразившись от зеркала, оба фотона вызовут излучение новых, и так при каждом прохождении кристалла. Интенсивность вынужденного излучения будет увеличиваться, пока, как во всякой квантовой системе, не наступит насыщение, при котором число электронов на стартовых и на нижних энергетических уровнях всей совокупности ионов хрома не сравняется.
Конечно, первый фотон может поглотиться в самом кристалле или в зеркале, прежде чем он вызовет начало лавины. Это дело случая. Но как говорится – не один, так другой! В действительности, конечно, речь идет не об одиночном фотоне, а о целой массе их. Нужно только, чтобы игра законов случая привела к возникновению фотонной лавины. Важно, чтобы поступление энергии от активной среды превосходило все имеющиеся в системе потери энергии.
В работе оптического квантового генератора одновременно участвуют миллиарды фотонов. При этом отчетливо выступает волновая сторона природы света. Световые волны, бегающие туда и обратно между зеркалами резонатора, образуют стоячую волну, длина которой автоматически подбирается так, чтобы на расстоянии между зеркалами укладывалось целое число длин волн или же целое число и еще одна половина. Здесь все происходит почти так же, как в обычной струне, закрепленной на обоих концах. Концы струны должны оставаться неподвижными. Поэтому, проводя по ней смычком или возбуждая ее ударом молоточка или просто щипком, мы можем возбудить только такие колебания, которым не мешают закрепленные концы.
По мере развития процесса генерации интенсивность световой волны быстро возрастает. Соответственно возрастает и вероятность вынужденного испускания, в то время как вероятность самопроизвольной люминесценции остается неизменной. Очень быстро вынужденное испускание приобретает решающую роль, и большая часть энергии, запасенной в кристалле, преобразуется в яркий узкий луч света.
Оптический квантовый генератор Меймана работал импульсами. Собственно, только на это и можно было рассчитывать. Ведь кристалл возбуждался импульсным светом лампы-вспышки. Поэтому он приходил в активное состояние только на время вспышки. Мейман не имел в своем распоряжении источника света, который мог бы непрерывно давать энергию, необходимую для возбуждения рубина. Впрочем, если бы он и имел такой источник, генератор вряд ли мог работать непрерывно. Подсчеты показывали, что не менее 97 процентов световой энергии лампы бесполезно растрачивались на нагрев рубина. При непрерывном освещении температура рубина должна была быстро возрасти настолько, что генерация стала бы невозможной.
После естественного торжества, последовавшего за первыми импульсами генерации, ученые, подобно внимательным врачам, начали исследовать новорожденного. И он сразу преподнес им сюрприз.
Оказалось, что каждый импульс излучения рубинового генератора не похож ни на один из последующих импульсов. Более того. Его, строго говоря, нельзя называть импульсом. То, что глаз воспринимал как вспышку излучения, на экране осциллографа представилось в виде последовательности отдельных очень коротких пичков, хаотически следующих один за другим. Каждый пичок излучения длился всего миллионную долю секунды, затем генератор угасал или по крайней мере уменьшал свою яркость, чтобы через краткий миг вновь на миллионную долю секунды засиять с необыкновенной яркостью.
Загадка пичкового режима твердотельных лазеров вот уже пять лет тревожит умы физиков. В основных чертах этого явления они уже разобрались. Но многие детали не ясны до сих пор. Пичковый режим может возникнуть из-за того, что активность кристалла не одинакова по его длине или сечению. Но даже в идеальном кристалле такой режим возможен из-за того, что длина генерируемых световых волн в невообразимое число раз меньше, чем размеры кристалла. Поэтому в кристалле возможны многочисленные резонансы на близких частотах и генерация может хаотически перескакивать с одной частоты на другую.
Короткое сообщение Меймана всколыхнуло ученых и инженеров – сразу возникло множество вопросов. Какие практические применения получит новый прибор? Можно ли существенно увеличивать даваемую им энергию? Удастся ли заставить его работать непрерывно? Как отыскать другие вещества, способные приходить в активное состояние, позволяющее генерировать свет?
Мало кто из читавших заметку Меймана знал, что на пороге рождения находится еще один оптический генератор, ничуть не похожий на меймановский.
«КУШАЙТЕ ЛУЧШЕ МОРОЖЕНОЕ!»
В августе 1957 года Соединенные Штаты посетила первая делегация советских радиоспециалистов. Они ехали на XII Генеральную ассамблею Международного научного радиосоюза. Айсберги «холодной войны» таяли медленно, как те айсберги, которые в бескрайних просторах северной части Атлантического океана караулили, не рухнет ли в воду четырехмоторный самолет, несущий в своем чреве пятнадцать советских ученых. Реактивные самолеты в тот год еще не возили пассажиров через океан.
После короткой остановки в Нью-Йорке, уже в сопровождении целой свиты опекунов, руководимых представителями госдепартамента и Пентагона, советские ученые отправились в Сан-Франциско. Американские коллеги пригласили их перед ассамблеей участвовать в конференции Общества радиоинженеров США.
На рассвете руководители конференции и заспанные фотокорреспонденты собрались на аэродроме. Горячая дружеская встреча сгладила воспоминание о сухом официальном приеме в Нью-Йорке.
Конечно, и госдепартамент знал приезжих, но для него это были пришельцы из другого мира, а для ученых академик В. А. Котельников, руководитель делегации, был одним из создателей теории связи, а член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров уже давно стал популярен как крупнейший специалист во всех видах радиоприема, теории кодирования и многих других вопросов. Профессора Прохорова знали далеко не все. Квантовая электроника только развивалась. Старшее поколение радиоинженеров считало, что это лишь одно из многих ответвлений могучего ствола радиотехники.
На следующий день все газеты оповестили читателей о приезде советской делегации. Не обошлось и без курьезов. Репортеры сообщили, что среди делегатов находится советский Министр связи А. И. Калинин, и Анатолия Ивановича, совсем молодого сотрудника одного из связных институтов, потом еще долго величали министром.
Эта поездка позволила советским и американским ученым произвести первое после встречи Прохорова с Таунсом в Англии сравнение достижений в области квантовой электроники. Уже в огромном Коровьем дворце – построенном когда-то для сельскохозяйственной выставки, – в котором теперь происходила конференция и была устроена большая радиотехническая выставка, обнаружилось, что советские ученые впереди. Они привезли с собой оттиски статьи о разработанной в Институте радиотехники и электроники системе, жестко привязывающей фазу лампового генератора к молекулярному генератору Американцы противопоставили этому краткий доклад о только что законченной аналогичной работе. Опережение было примерно на год. Теория молекулярного генератора, существенно развитая к тому времени Басовым и Прохоровым, была с большой точностью подтверждена ими на опыте.
Деловые контакты, установленные в Сан-Франциско, еще больше укрепились в маленьком университетском городке Болдер, расположенном у самых склонов Скалистых гор в штате Колорадо. День за днем в течение двух недель заседала ассамблея, на которой Академия наук СССР была официально принята в Международный научный радиосоюз. Прохоров вновь встретился с Таунсом. Здесь он познакомился и с доктором Эссеном, и они подолгу обсуждали сравнительные достоинства молекулярного генератора и цезиевой атомно-лучевой трубки.
Но не только научные доклады поставили советскую делегацию в центр внимания. В эти дни весь мир был поражен сообщением ТАСС о первых пусках советских межконтинентальных ракет, с большой точностью попавших в намеченный район Тихого океана. В одну из немногих свободных минут журналисты атаковали академика Котельникова. Их волновало, как Советский Союз использует свое новое оружие, чем это грозит Америке.
На следующее утро газеты напечатали большую фотографию с подписью «Советский Союз никому не угрожает. Не волнуйтесь, господа, кушайте лучше мороженое!» На фотографии Котельников, улыбаясь, держал в руках стаканчик с мороженым.
В перерывах между заседаниями делегатов возили в лаборатории Национального бюро стандартов. Эти лаборатории примерно за год до того торжественно открыл президент Эйзенхауэр.
Новое современное здание. Длинные коридоры, слабо освещенные люминесцентными лампами. По обе стороны плотно закрытые двери. Среди десятков затворенных дверей вдруг попадается одна, открытая настежь. Против нее указатель со стрелкой. На стрелке надпись: «Для визита». Группа делегатов входит в полупустую комнату. Сотрудник включает магнитофон и под монотонный голос диктора молча водит указкой по диаграммам и таблицам. Иногда и по шкалам прибора. Магнитофон замолкает. Сопровождающий говорит: «Пойдемте, господа. Наше время истекло. Мы задерживаем следующую группу».
Некоторые делегаты благодарят сотрудника с указкой. Другие обсуждают услышанное. Третьи пожимают плечами. На прощанье сопровождающий раздает брошюрки с описанием лабораторий, отчет о их деятельности.
– А можно ли получить отчеты о тех работах, о которых нам рассказывали?
– Конечно, пожалуйста, это предусмотрено, заполните эти карточки, укажите ваш адрес, начальство распорядится, и отчеты будут высланы.
И действительно, некоторые отчеты были высланы. Правда, соответствующие работы уже оказались опубликованными в журналах, но было приятно получить их на память о посещении и о том, что лед все-таки тает. Медленно, но тает.
Впрочем, научные сотрудники лабораторий старались по мере возможности сгладить шероховатости парадного приема. В аудиториях и коридорах университета, ставших на время как бы нейтральной территорией Международного научного радиосоюза, они охотно участвовали в обсуждении сложных проблем радио. Все вместе питались в студенческом кафетерии с самообслуживанием. Все получали стандартный рацион, допускавший минимум вариаций. На всех столиках стояли картонные плакатики с изображением человечка, несущего гору тарелок, сильно возвышающуюся над его головой, и надписью: «Помогайте нам помогать вам. Уносите грязную посуду к мойке! Благодарим вас». И все уносили свою посуду. И это еще более сближало разноязыкую толпу, объединенную не только самообслуживанием, но и служением науке.
После закрытия ассамблеи советские ученые провели день в НьюЙорке. Их пригласили посетить знаменитый Колумбийский университет. Здесь работал И. Раби с сотрудниками. Здесь Таунс, Гордон и Цайгер создали свой молекулярный генератор. Здесь советским радиоспециалистам подробно показывали электростатический генератор, интересный физикам, работающим в совершенно других областях, и немного старомодные аудитории и лаборатории, в которых работали знаменитые профессора. Правда, они еще отсутствовали. Ведь каникулы не кончились! И большинство приборов было законсервировано.
Впрочем, некоторые усердные аспиранты работали и во время каникул. И они показывали гостям свои радиоспектроскопы. И молекулярный генератор, сквозь боковое стекло которого можно было видеть сортирующую систему и резонатор. Здесь, в лаборатории профессора Таунса, с советскими гостями беседовал молодой ученый Али Джаван. Он хотел познакомиться с Прохоровым, он хотел обсудить с ним свои последние работы и свои планы и очень жалел, что Прохорова не было среди гостей.
Прохоров и еще один из членов советской делегации в это время был в Кембридже. Нет, он не успел перелететь океан. Ведь и в Америке есть Кембридж.
Кембридж, штат Массачусетс, в котором расположен Массачусетский технологический институт. Может быть, зная, о чем хотел поговорить с ним молодой ученый, Прохоров пренебрег бы поездкой в знаменитый Эм-Ай-Ти. Но он этого не знал, и беседа не состоялась. Только на следующий день он смог прочитать текст работы Джавана, переданный ему через одного из членов делегации.
Работа называлась «Теория трехуровневого мазера». В науку входил большой ученый.
ГАЗЫ, ГАЗЫ
Еще в первую треть нашего века американская наука занимала весьма скромное место. Главные центры научной мысли находились в Европе. Сюда ездила учиться американская молодежь. Здесь появились первые работы Оппенгеймера и других выдающихся американских ученых, которых теперь уже относят к старшему поколению. Конечно, не следует думать, что в Америке в те годы совсем не было крупных ученых. Достаточно назвать имена Р. Вуда и А. Комптона. Но это были полководцы без армии, за ними шли лишь небольшие отряды. А развитие науки в XX веке определяется коллективной мощью.
Захват власти фашистами привел к массовой эмиграции ученых и талантливой молодежи из Италии, Германии, Австрии и других европейских стран. Они ехали в США. Ферми и Сигети, Эйнштейн и Теллер, наконец, Бор, всех не перечесть. Лишь немногие, как Жолио-Кюри, остались, чтобы в подполье бороться с нацизмом. Еще меньше крупных ученых сотрудничали с Гитлером.
Результаты не замедлили сказаться. Американские университеты и исследовательские организации, получившие массированную инъекцию интеллекта, расцвели. После войны этот расцвет продолжался. Молодежь из Европы и Азии, не имея возможности учиться в опустевших университетах старых капиталистических стран, все еще тянулась за океан. Многие, окончив учебу, оставались в Америке. В США интенсивно трудились ученые десятка национальностей. Пожалуй, реже всего среди них можно было встретить представителей коренного населения континента – индейцев или представителей семнадцатимиллионного негритянского населения.
Джаван приехал из Ирана, не зная английского языка, но, проработав несколько лет в окружении таких ученых, как Раби, Таунс, Куш, составивших славу Колумбийскому университету, не только акклиматизировался, но и освоил тончайшее искусство физического эксперимента. Вместе с тем он вполне овладел и математическим аппаратом физической теории, без которого научный эксперимент скатывается к ползучему эмпиризму.
Квантовая электроника, одной из точек роста которой был Колумбийский университет, привлекала способных молодых ученых бескрайними перспективами своих возможностей, головоломными задачами, возникавшими на каждом шагу, трудностями, поджидающими тех, кто идет впереди.
Джаван решил посвятить себя созданию газового лазера. Газовый лазер должен был иметь ряд преимуществ перед твердотелым. Именно тех преимуществ, которые казались недостатками при сравнении усилителя на пучке молекул аммиака с твердотелым парамагнитным усилителем.
Молекулы газов имеют узкие спектральные линии. Это должно было сделать излучение будущего газового лазера очень узкополосным. Как сказали бы оптики, очень монохроматическим, то есть очень одноцветным. Именно этого недоставало лазерам на рубине, хотя они были очень и очень одноцветными по сравнению со всеми известными ранее источниками света.
Несмотря на то, что в первой статье Таунса и Шавлова речь шла именно о газовом лазере, сначала, как известно, родился лазер на рубине – твердотелый лазер. Это объясняется трудностью осуществления того варианта газового лазера, который обсуждался Таунсом и Шавловым. Авторы предлагали применить в качестве активного вещества пары щелочных металлов и использовать оптическую накачку. Впрочем, такой вариант все же был осуществлен, однако значительно позже.
Джаван решил отказаться от лобовой атаки и использовать для получения активной среды обходный путь. Правда, в некотором смысле этот путь должен был быть более прямым. Ведь при оптической накачке требуется очень яркий свет. В рубиновом лазере это свет лампы-вспышки, получаемый за счет мощного электрического разряда в трубке, наполненной ксеноном. Энергия света, даваемого такой лампой, составляет только малую долю от затраченной электрической энергии. Да и получаемый свет используется очень плохо. Лишь очень небольшая часть его попадает в две сравнительно узкие полосы поглощения рубина. Остальной свет бесполезно поглощается в арматуре и переходит в тепло.
Так нельзя ли, подумал Джаван, использовать электрический разряд в газе непосредственно для получения активного инверсного состояния, избежав таким способом промежуточной стадии превращения электрической энергии в световую и связанных с этим потерь?
Электрические разряды в газах уже давно интересовали ученых. Еще Ломоносов и Рихман в России и Франклин в США изучали природу и свойства молний. Рихман трагически погиб во время одного из своих опытов, когда молния, которую он при помощи железного прута завлек в лабораторию, отклонилась от предначертанного для нее пути. С тех пор прошло много времени. Исследования разнообразных свойств электрических разрядов в газах позволили глубоко проникнуть в их механизм. Появились и технические применения таких разрядов. Это и мощные выпрямители, в которых разряд в парах ртути превращает переменный ток мощных энергосистем в постоянный ток, движущий электровозы на железнодорожных магистралях и троллейбусы и трамваи в городах. Это и яркие огни газосветных реклам и целебное сияние «горного солнца» ртутного разряда, горящего внутри трубок из плавленого кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей.
Но все, что добыли поколения ученых, исследовавших свойства газового разряда, говорило о крайней трудности получения в нем инверсионной населенности. Рассчитывать на получение активной среды таким путем было очень трудно. Нижние энергетические уровни газов заселялись под действием электрического разряда сильнее, чем верхние. А инверсия, как мы знаем, – это состояние, при котором хотя бы один из верхних уровней заселен сильнее, чем один из нижних.
К этому и был направлен обходный путь Джавана.
