Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 20 страниц)
ВЕРОЯТНО ИЛИ НАВЕРНЯКА?
Физики и инженеры во многих случаях считают атомы и молекулы, образующие газ, идеально упругими шарикам. При столкновении такие шарики ведут себя подобно бильярдным шарам. Упругие столкновения играют важную роль при течении газов и при полетах самолетов, если только они не достигают сверхзвуковых скоростей. Но при возникновении электрических разрядов в газах решающую роль играют соударения второго рода, при которых энергия движения сталкивающихся атомов или молекул переходит в их внутреннюю энергию.
Джаван решил использовать именно такие соударения и избрал для этого одну из простейших систем – смесь двух наиболее легких инертных газов гелия и неона.
Если пропускать через разреженный гелий электрический ток высокого напряжения, в нем загорится бледно-голубой разряд. Неон в таких же условиях дает яркое красное свечение. По счастливой случайности нижний из возбужденных уровней гелия почти совпадает с одной из полос возбуждения неона. Это обстоятельство и решил использовать Джаван.
Он заключил в трубку небольшое количество гелия, так что его давление составляло лишь немногим более тысячной доли атмосферного давления, и добавил туда в десять раз меньшее количество атомов неона. Возбудив в трубке электрический разряд, Джаван увидел яркое красное свечение неона, более яркое, чем при отсутствии гелия. Голубоватого свечения гелия почти не было видно. Именно этого он и ожидал. Это он и провоцировал.
Электрический разряд, конечно, возбуждал атомы гелия. Но прежде чем они успевали самопроизвольно излучить свои голубоватые фотоны, с ними сталкивались невозбужденные атомы неона, отбирая у них запасенную энергию. При этом атомы гелия возвращались в невозбужденное состояние без излучения фотона. Это был классический удар второго рода. Атом неона при столкновении отбирал у атома гелия избыточную внутреннюю энергию! При этом атом неона сам оказывался возбужденным, а небольшой избыток внутренней энергии атома гелия уходил на нагревание газа.
Подобные процессы имел в виду Фабрикант, обсуждая вопрос о возможности наблюдения индуцированного излучения. Как теперь выяснилось, и другие ученые еще в тридцатых годах наблюдали, что в газовых разрядах населенности некоторых уровней инвертируются.
Но Джаван первым подошел к этому с позиций радиофизики. Он был хорошо знаком с аммиачным молекулярным генератором и хотел создать что-нибудь подобное на световых волнах. Джаван не только понял, что таким путем можно получить инверсию населенностей энергетических уровней неона, но и знал, что нужно, чтобы прибор загенерировал. Выбор Джавана был удачным потому, что тот уровень неона, который возбуждался при столкновении с возбужденным атомом гелия, входил в группу из четырех уровней, ниже которой, одна под другой, располагаются еще две группы. При переходе с возбужденного уровня на любой уровень верхней из этих групп должен излучаться фотон инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. При дальнейшем переходе на один из уровней нижней группы излучаются фотоны красного света, хорошо знакомые по обычным неоновым рекламам.
Предварительные исследования показали Джавану, что он может действительно надеяться на то, что в его трубке возникнет инверсия населенностей энергетических уровней неона, то есть он, вероятно, получит активную среду. Вероятно, но не наверняка. Еще осенью 1959 года Джаван не был уверен, что его прибор будет работать. Мы знаем, что именно это было темой его бесед с Басовым.
Вернувшись в Москву, Басов со своим молодым сотрудником О. Н. Крохиным построили необычайно прозрачную теорию, из которой было видно, что Джаван избрал верный путь. При некоторых условиях его прибор должен был работать. Сейчас этот расчет Басова и Крохина вошел в учебники, но Джаван обошелся без него. Он полагался на свою интуицию и приближенные, но обнадеживающие оценки.
Получение активной среды – лишь одна часть задачи. Нужно обеспечить и обратную связь. Джаван поместил внутрь своей трубки два плоских зеркала. Расчеты показали ему, что лучшие серебряные зеркала недостаточно «зеркальны». Они отражают не больше 95 процентов падающего света, а вычисления требовали более 98 процентов. Иначе обратная связь оказалась бы недостаточной для возбуждения генерации. Прибор остался на бумаге.
Были изготовлены специальные зеркала, образованные более чем десятком перемежающихся слоев сульфида цинка и фторида магния. Каждый слой толщиной около половины микрона практически прозрачен. Все слои вместе тоже кажутся прозрачными. Они пропускают почти весь свет. Только волну длиной в 1,15 микрона они почти полностью отражают. Для этой волны отражающее действие всех слоев складывается, подобно толчкам от весел хорошо сработавшейся команды гребцов.
Человеческий глаз не видит инфракрасного излучения. Но для коротковолновой части этого диапазона существуют электронно-оптические преобразователи, превращающие инфракрасное излучение в видимое. Поместив такой преобразователь на оси своего прибора, Джаван увидел, как его экран осветился. Это значило, что из прибора выходит инфракрасное излучение. Постепенно увеличивая ток через прибор, Джаван наблюдал увеличение свечения. Потом вдруг на экране ярко засияло небольшое круглое пятно. Остальная часть экрана казалась совсем темной. Так впервые заработал газовый лазер.
В отличие от рубинового лазера Меймана газовый лазер Джавана работал непрерывно все время, пока был включен питающий его источник электроэнергии. Непрерывная работа объяснялась тем, что хаотическое тепловое движение вызывало быстрое перемешивание газа, и активных атомов было достаточно, чтобы генерация не прекращалась.
Большая однородность газа по сравнению с лучшими кристаллами рубина обеспечила существенное преимущество лазера Джавана перед лазером Меймана. Луч света, выходящий из газового лазера, был в сотни раз более узким, чем в случае рубинового лазера.
У газового лазера расхождение луча вызывается только двумя причинами – несовершенством зеркал (их отклонением от идеальной плоскости) и дифракцией, то есть неизбежным загибанием световых волн за край ограничивающего их отверстия. В случае рубинового и других твердотельных лазеров большое дополнительное расхождение луча вызывается неоднородностями среды, возникающими при изготовлении кристалла. Подобные неоднородности, конечно, много большие по величине, можно видеть в оконном стекле, где они иногда вызывают заметные искажения формы предметов, наблюдаемых через стекло.
Исследование свойств излучения, даваемого газовым лазером, подтвердили надежды Джавана. Действительно, спектр излучения газового лазера был очень похож на спектр молекулярного генератора. Он состоял из немногих очень узких спектральных линий. Присутствие нескольких линий вызвано тем, что в генераторе одновременно возбуждались различные типы колебаний, как это бывает в скрипичной струне. Смычок, как правило, одновременно возбуждает множество звуковых тонов, которые, налагаясь друг на друга, обеспечивают характерное звучание скрипки. При известном искусстве скрипач может добиться возбуждения чистого тона. Этого же удается достичь в газовом лазере. Для этого нужно ограничить ток, проходящий через газ, с тем чтоб возбуждение было небольшим, и поставить между зеркалами одну или несколько диафрагм. Диафрагмы будут действовать подобно сурдинке, которую иногда применяют скрипачи с целью подавить нежелательные колебания струны.
МОГИЛЬНАЯ ПЛИТА И НАУКА
Наука – это тоже в большой степени искусство, и от ученых требуется виртуозное владение своим инструментом. Джаван в своей области, несомненно, является виртуозом, и ему удалось заставить газовый лазер генерировать только один тип колебаний. При этом в его спектре остается одна очень узкая спектральная линия, настолько узкая, что она может соперничать со спектральной линией молекулярного генератора. Конечно, достичь этого было нелегко. Пришлось увеличить жесткость конструкции лазера и защитить его от всех внешних воздействий. Для этого эксперименты проводились в глубине заброшенного винного подвала, расположенного вблизи Эм-Ай-Ти, куда к тому времени перешел Джаван.
Первое, что бросалось в глаза входящему, была огромная, многотонная могильная плита, подвешенная к потолку. Джаван заказал ее, чтобы использовать в качестве рабочего стола. До чего же остроумно он поступил! Я вспоминаю, как после окончания института одной из первых моих работ было создание специального камертонного генератора. Обыкновенный камертон, с помощью которого музыканты настраивают свои инструменты, служил колебательным контуром, определяющим частоту моего лампового генератора. Я закрепила ножку камертона на своем лабораторном столе, присоединила его к схеме – и генератор ожил. Все шло хорошо, камертон монотонно звучал, но время от времени он начинал заикаться. Оказывается, ему передавалось сотрясение почвы от проходящих где-то далеко грузовиков! И еще: автоматический самописец, который я оставляла работать и ночью, говорил, что камертон капризничал рано утром. Я долго ломала голову – почему именно по утрам? Товарищи в шутку строили предположения о влиянии Венеры, утренней звезды, пятен на Солнце, на которые валят все непонятное.
Все оказалось гораздо прозаичнее – тетя Нюша, наша уборщица, сметала с камертона пыль!
Тогда я написала устрашающий плакат: «Не трогать! Смертельно!» А тетя Нюша продолжала вносить свой вклад в научное исследование. Не оставалось ничего другого, как застать ее врасплох.
– Тетя Нюша, что же вы со мной делаете?! Плакат читали?
– Ох, милая, я же неграмотная. Плакат видела. Только думала, что ты за звание борешься.
Итак, я тоже работала в подвале, но не додумалась обзавестись могильной плитой! Правда, мой начальник, наверно, упал бы в обморок от такого расхода, зато ни машины, ни тетя Нюша генератора бы не достигли.
Но вернемся к Джавану. В тепличной обстановке его лаборатории лазеры могли показать, на что они способны. И показали! При сравнении световых волн, испускаемых двумя одинаковыми лазерами, оказалось, что их частоты не изменяются больше чем на несколько колебаний в секунду.
Работы Джавана получили дальнейшее развитие.
Уже действуют многочисленные газовые лазеры на смесях других газов.
Впрочем, и лазер на смеси гелия и неона может работать в других режимах, генерируя не только невидимые инфракрасные волны длиной в 1,15 микрона, но и инфракрасные волны других длин и видимый красный свет с длиной волны около 0,63 микрона.
Впоследствии оказалось возможным добиться генерации и в чистых газах, и не только под действием электрического разряда. Инверсия населенностей в некоторых газах может быть достигнута и при их освещении, то есть путем оптической накачки, как это предлагали Таунс и Шавлов.
При оптической накачке атомы газа независимо один от другого поглощают фотоны, хаотически вылетающие из яркой лампы. Но в процессе квантовой генерации все атомы испускают фотоны строго согласованно. Здесь происходит замечательный процесс преобразования хаоса в образцовый порядок. Процесс, еще теперь кажущийся чуть ли не противоестественным.
Газы постепенно открывали перед учеными новые и новые возможности. Выяснилось, что для квантового генератора пригодны не только газы, состоящие из нейтральных атомов, но и плазма – газ, состоящий преимущественно из ионов и свободных электронов. Ионные или, как их иногда называют, плазменные лазеры позволили продвинуться еще дальше в область ультрафиолетовых волн, значительно увеличить число спектральных линий, используемых в квантовых генераторах.
Вслед за ионами наступила очередь молекул. Обычный углекислый газ оказался превосходным активным веществом, при помощи которого удалось получить в непрерывном режиме мощность почти в 200 ватт на волне около 10,5 микрона.
Двести ватт – это мощность большого электрического паяльника. Представьте себе эту мощность сосредоточенной на острие иголки. Трудно предвидеть все технологические возможности, открываемые применением такого луча. Учтите еще, что волна в 10 микрон попадает как раз в «окно прозрачности» земной атмосферы. Этот невидимый инфракрасный свет наиболее слабо поглощается газами, составляющими воздух, сравнительно мало поглощается парами воды и не очень рассеивается каплями дождя. Чего же еще могут желать люди, работающие над системами оптической связи и другими применениями лазеров, связанными с прохождением их лучей через атмосферу!
Но и это не исчерпало возможностей, открываемых газами. Они помогли применить в квантовой электронике давно известное влияние света на химические реакции. Каждый знает о вредных проявлениях фотохимических реакций. Они вызывают выгорание многих красок, порчу резины, старение пластмасс. Есть, конечно, и полезные реакции такого типа. Без них невозможна жизнедеятельность большинства растений. Ведь только солнечные лучи приводят в действие химическую фабрику, скрытую в зеленых листьях.
Химики давно обнаружили, что под действием света распадаются не только плохие краски, но и молекулы некоторых газов. Физики сперва расчетами, а потом и опытами выяснили, как добиться того, чтобы осколки развалившихся молекул оказывались возбужденными. Конечно, этого недостаточно для создания лазера, но появляется надежда. Нужно найти подходящее вещество и поставить его в такие условия, при которых возбужденных осколков больше, чем невозбужденных. Знакомая ситуация: передатчиков должно быть больше, чем приемников!
Так, после тонких и сложных исследований появился новый тип газовых лазеров, основанных на применении фотодиссоциации молекул.
Перед газовыми лазерами открыты широкие перспективы. Уже сейчас они дают тысячи наиболее узких спектральных линий, расположенных в огромном диапазоне от ультрафиолетовых до субмиллиметровых волн. Они успешно соперничают с твердотельными лазерами по мощности и экономичности. Над их усовершенствованием работают в сотнях лабораторий.
ОБЕД ПО ПОЛУПРОВОДНИКАМ
Вернемся к середине сентября 1959 года, когда близ Нью-Йорка собралась первая Международная конференция по квантовой электронике. Там было всего около полутораста пионеров новой науки. Лазеры еще не работали, правда, они уже тревожили воображение, но повестку дня еще не очень перегружали. И тем не менее она была так насыщена, что конференция выплескивалась далеко за стены небольшого зала, в котором происходили заседания. Да и вся обстановка способствовала этому. Хай Вью – тихое местечко, где оазисом была гостиница Шаванга-Лодж, вокруг лес, поля, рядом бассейн. Стояла такая жара, что после заседаний ученые, сбросив костюмы и оставшись в шортах, охотно беседовали на свежем воздухе. Я видела фотографии, простые любительские фотографии. Вот Таунс в трусиках, размахивая полотенцем, во главе таких же несолидных личностей мчится купаться. Они так спешат, что фигуры размыты, как на картинах импрессионистов, пытавшихся передать движение. Вот между Басовым и Прохоровым улыбающийся, добродушный Бонаноми. Все с бокалами в руках. Бонаноми хитро улыбается. Оказывается, он, поднимая тост, сказал, что пьет за Басова и Прохорова – будущих нобелевских лауреатов! Через семь лет в поздравительной телеграмме Бонаноми вспоминает о своем пророчестве.
А вот Джаван и Басов буквально уткнулись друг в друга – дискуссия захлестнула их где-то по дороге. Басов критикует его расчет. Джаван нахохлился, он озабочен.
Вот Блумберхен, наклонившись, пишет что-то на песке. За ним внимательно следит Корниенко из Московского университета и еще кто-то, стоящий спиной к фотоаппарату.
Вся эта непосредственная и непринужденная обстановка в Шаванга-Лодже сделала возможным одно совершенно невозможное обсуждение.
Программа первой квантовой конференции была так перегружена, что самый неожиданный для организаторов конференции доклад не попал в программу. Лишь немногие из делегатов обратили внимание на объявление: «Желающие обсудить перспективы применения полупроводников в квантовой электронике могут сделать это во время обеда. Сообщение за общим столом сделает профессор Н. Г. Басов из института Лебедева в Москве».
Вряд ли кто-либо ожидал, что мест не хватит и придется просить официантов поставить дополнительные приборы. Собралось свыше тридцати человек, более четверти всех участников.
Басов рассказал о расчетах, начатых в 1957 году и выполненных им вместе с Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Формулы показывали, что, пропустив через пластинку, вырезанную из подходящего полупроводника, мощный электрический разряд, можно добиться в ней генерации инфракрасных волн. Это открывало совершенно новый путь.
Так прошла не конференция, не заседание, даже не семинар, а обед по полупроводникам.
Полупроводниковый обед прошел настолько успешно, что Басов остался совсем голодным. В пылу дискуссии ему было не до еды.
Так случилось, что один из наиболее интересных вопросов даже не попал в официальный том трудов конференции.
Теперь, размышляя о странном невнимании к сообщению Басова, приходится объяснять это, пожалуй, тем, что, видно, не назрело время для полупроводниковых лазеров, а главное – трудной судьбой самих полупроводников, которым с таким трудом далось признание.
Издавна так повелось, что ученые применяли либо проводники, либо изоляторы. А полупроводники – «ни рыба ни мясо», были просто какими-то пасынками. Действительно, кому придет в голову применять плохие изоляторы, если можно использовать хорошие?
Полупроводниковые лазеры оказались трудным орешком, и первый прорыв в неосвоенный оптический диапазон произошел по другим направлениям.
Уже в 1960 году заработал рубиновый лазер, а вскоре и его газовый собрат. К марту следующего года, когда собралась вторая конференция по квантовой электронике, к ним присоединились еще несколько лазеров на кристаллах, стекле и различных газах. Темпы развития и достигнутые результаты были так велики, что конференция, которая теперь собралась в университетском городке Беркли в Калифорнии, прошла под знаком лазеров.
О каких только лазерах здесь не говорили! Но суть конференций такого рода не столько в подведении итогов, сколько в обсуждении новых идей. Здесь, пожалуй, наибольший резонанс встретил доклад Р. В. Хеллворса об управляемых импульсах люминесценции. Он проложил путь управлению свойствами резонатора, открыл возможность перехода от хаотической свободной генерации к генерации гигантских коротких импульсов света с мощностями, составляющими десятки миллионов киловатт.
В глубоком докладе Н. Блумберхена и П. Першана старый вопрос о модуляции света нашел новое освещение, созвучное задачам лазерной эры.
Один доклад, посвященный лазерам, следовал за другим. Они заняли две трети программы. На их фоне отступили на второй план квантовые усилители и генераторы радиодиапазона.
И только один доклад на этой конференции был посвящен полупроводникам. Докладчиком был Басов. Он рассказал о трех новых методах, предложенных советскими учеными для приведения в активное состояние различных полупроводников, о различных вариантах одного из методов, разработанных им вместе с О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым.
Доклад, казалось, не встретил резонанса. И не удивительно. В область видимого и инфракрасного излучений уже были проложены широкие дороги. Уже многие десятки лабораторий изучали один кристалл за другим, перебирали всевозможные газовые смеси. В каждом номере физических журналов появлялись статьи о новых и новых лазерах. Кому же при этих условиях хотелось тратить силы на укрощение полупроводников, с которых лишь недавно и далеко не полностью было снято покрывало таинственности? Но полупроводники упорно стучались в двери нашего времени. И их удивительные свойства не могли не привлечь внимание физиков, а затем и инженеров. Теперь, несомненно, наибольшей известностью среди всех полупроводниковых приборов пользуются транзисторы – устройства, во многих случаях вытеснившие электронные лампы. Словом «транзистор» зачастую называют не только полупроводниковый прибор, служащий для усиления и генерации электрических колебаний, но и портативные радиоприемники или магнитофоны, в которых применяются транзисторы. Но специалистов по электронике такое словоупотребление коробит так же, как химиков шокирует применение слова «пластик» к полимерному плащу.
Создание транзистора и наиболее простого полупроводникового прибора – диода стало возможным после того, как физики научились управлять свойствами полупроводников, превращать его по желанию то в изолятор, то в проводник.
Любовь слепа. И я не удивилась, когда в лаборатории полупроводников мне сказали, что диэлектрики – это просто плохие полупроводники. Их электрическое сопротивление не поддается управлению, и поэтому им уготована скромная роль изоляторов. Металлы, говорил мне вполне серьезный ученый, тоже плохие полупроводники. Из них невозможно сделать ничего более сложного, чем электрические провода.
Иное дело полупроводник, продолжал он. Соединив два подходящих полупроводника или даже полупроводник и металл, мы получаем электрический вентиль. Электрический ток легко проходит через это соединение в одну сторону и встречает большое сопротивление в противоположном направлении. Немного усложнив эту конструкцию, можно сделать такой вентиль управляемым. Управляемым при помощи очень слабого электрического тока. Полупроводниковый прибор, при помощи которого слабый ток управляет сильным, и есть транзистор.
Сопротивление некоторых полупроводников, а также переходных слоев между ними сильно изменяется при освещении. Обнаружив это, ученые создали замечательные приемники и преобразователи света, превращающие свет в электрический ток.
Удивительные свойства полупроводников, победно входивших в одну область радиоэлектроники за другой, давно привлекли внимание Басова. Он вспоминает, как в столовой ФИАНа рядом с ним оказался молодой физик Ю. М. Попов. Дело было в 1956 году, вскоре после того, как Басов защитил свою докторскую диссертацию. Кстати, это была первая в мире докторская диссертация, посвященная квантовой электронике. Легко представить себе состояние легкости и душевного подъема, в котором он в то время находился. Попов спросил его о планах на будущее. И Басов рассказал о своих мыслях, еще весьма неопределенных. О возможностях, скрытых в полупроводниках. Они начали работать вместе. Так история полупроводниковых лазеров началась во время обеда. Между этим обедом и тем – в ресторане Шаванга-Лодж – были бесконечные беседы, консультации с одним из опытнейших специалистов в физике полупроводников Б. М. Вулом, а затем и расчеты. Работали и втроем, а больше врозь, собираясь лишь для обсуждения, взаимной проверки и критики. Так, пока на бумаге, родился первый метод создания полупроводникового лазера. Расчет показал, что мощный кратковременный импульс электрического тока должен привести полупроводник в активное состояние.
