Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 31 страниц)

Был проект зафиксировать все еще не обнаруженное излучение межзвездных молекул ОН, и ученые из MIT добились успехов в этом. Пензиас отправился со своей аппаратурой в Гарвард, чтобы провести наблюдения. В середине 1962 г. Bell System запустила спутник TELSTAR. Опасаясь, что Европейские специалисты не смогут вовремя закончить оборудование своих приемных станций, они сами создали в Холмделе (в одном из отделений Bell Labs) такую станцию. Она была оборудована новым мазером с ультранизким уровнем шумов, работающем на длине волны 7,35 см. В конце концов это оборудование не потребовалось, поскольку европейцы сдали свои станции вовремя. Поэтому Пензиас и Р. Вилсон, радиоастроном из Калтеха, могли использовать систему, разработанную в Bell Labs.

Роберт Вилсон родился в 1936 г. в Хьстоне (Техас, США), где его отец работал на нефтяных скважинах. С ранних лет он интересовался электроникой. Он окончил университет Раиса и поступил в Калтех для получения ученой степени по физике. Там он заинтересовался радиоастрономией и после написания и защиты диссертации, поступил в 1963 г. в Bell Labs, где он начал долгую и плодотворную работу с Пензиасом.

Монтаж приемной системы для радиоастрономии Пензиас и Вилсон начали с серии астрономических наблюдений, имеющих целью оптимизировать антенну и мазер, при этом они измеряли интенсивность излучения, испускаемого нашей галактикой. Были проведены очень точные калибровочные измерения. В 1963 г. был установлен мазер на длину волны 7,35 см и они выполнили серию операций по калибровке всей системы, все было под контролем, за исключением того факта, что входной шум всей системы был на 3,5 К больше значения, который они рассчитали. Пензиас и Вилсон начали аккуратное исследование возможных причин этого противоречия, и после рассмотрения и отбрасывания альтернативных гипотез, пришли к заключению, что на антенну поступает шумовое излучение, превышающее на 3,5 К рассчитанного значения шума всей приемной системы, причем это излучение приходит на антенну равномерно изо всех направлений в пространстве.

Однажды Пензиас обсуждал эту проблемы шумового излучения с Бернардом Бурке из MIT, который вспомнил о теоретических исследованиях излучения во Вселенной, проводимых П. Пиблесом из группы профессора Р. Дике в Принстоне. Пензиас позвонил Дике, и он прислал ему работу Пиблеса. В ней, Пиблес, следуя предположениям Дике, рассчитал, что Вселенная должна быть наполнена реликтовым излучением черного тела с минимальной температурой около 10 К, остатком первобытного взрыва Вселенной (Большой Взрыв). В 1948 г. Джордж Гамов уже выполнил расчеты первоначальных условий во Вселенной. Модель Большого Взрыва предполагает, что Вселенная родилась в результате гигантского взрыва. Сразу же после него температура должна была быть исключительно высокой, порядка 10 тысяч миллионов градусов, а может быть и выше. При таких температурах, разумеется, никакие вещества не существуют, но имеется некий бульон протонов, нейтронов, электронов, фотонов и других элементарных частиц. Эти частицы, взаимодействуя друг с другом, начинают образовывать легкие элементы, и в то же время испускается огромное количество излучения с очень большой энергией, а расширяющаяся Вселенная начинает охлаждаться. За период, меньший чем несколько сотен тысяч лет, материя во Вселенной все еще остается ионизованной и сильно взаимодействует со светом. В это время общая температура опускается до 3000 К и электрические заряды материи начинают рекомбинировать, образуя нейтральное вещество. На этом этапе взаимодействие фотонов с элементарными частицами прекращается, и электромагнитное излучение, заполняющее Вселенную, начинает охлаждаться из-за расширения Вселенной, причем длина волны сдвигается в сторону увеличения, и число фотонов в единице объема (т.е. их плотность) уменьшается. Одним из следствий этого расширения, является уменьшение температуры пропорционально размерам Вселенной. А температура, согласно распределению Планка, определяет спектральный состав излучения. Малые изменения в интенсивности приводят к малым пертурбациям плотности первоначальной материи, которые, усиливаясь гравитационными силами, образуют галактики.

Во времена нашей истории проблема этого излучения, забытая на некоторое время, снова обсуждалась астрофизиками, и группа Дике очень заинтересовалась. После первого контакта Дике и его сотрудники посетили Пензиаса и Вилсона и убедились в реальности их измерений. После этого в Astrophysical Journal были направлены два письма: одно за подписью Пензиаса и Вилсона объявляло об открытии, а второе, подписанное Дике, Пиблесом, Роллом и Вилкинсоном, давало теоретическое объяснение.

Рис. 47. Спектр космического фонового радиоизлучения, измеренного спутником СОВЕ в 1989 г. Точками показаны экспериментальные значения, а сплошная кривая относится к спектру при 2,735 К, рассчитанному по формуле Планка для черного излучения

За это открытие Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 г. Совсем нет необходимости говорить, что это открытие стало возможным благодаря использованию мазера, обладающего крайне малыми собственными шумами. Именно это обстоятельство позволило измерить температуру реликтового излучения. Более точные современные измерения дают 2,735 К, и это является частью экспериментальных доказательств модели Большого Взрыва (рис. 47). Но почему именно 2,735 К, а не другое значение, является одной из наиболее важных проблем современной космологии, относящейся к фундаментальным аспектам строения и эволюции Вселенной. Все это ждет своего ответа.

Атомные часы

Было установлено, что наиболее интересным применением мазеров на атомных пучках является создание атомных часов. Очень точные часы можно использовать, чтобы установить, являются ли астрономические «константы» действительно постоянными или они изменяются со временем. Также можно проверить справедливость общей теории относительности. Кроме своей научной значимости, атомные часы имеют важное военное и экономическое значение. В 1950-х – 1960-х гг. прецизионные стандарты частоты потребовались для навигационных систем. Высокостабильные стандарты частоты, не подверженные вибрациям, стали частью систем управляемых снарядов. Естественно, что военные финансировали эти исследования.

Мазер является оптимальным стандартом частоты, который обеспечивает лучшую точность по сравнению с уже существовавшими атомными часами. Для этой цели водородный мазер стал особенно полезен. Он был создан Рамси и его сотрудниками в 1961 г. и был первым атомным мазером. Его очень точная испускаемая частота была использована для стабилизации микроволнового генератора в системе двух полей Рамси.

Водородный мазер (работает на частоте 1420 МГц) был использован в 1976 г. для проверки положений общей теории относительности. Его также использовали для управления полетом «Вояджера-2» в его исторической миссии к Нептуну.

Генерация от ускоренных электронов

В начале 1951 г. физик Ганс Мотц (1909—1987) предложил новый способ получения излучения на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн, который не включал явного упоминания процессов инверсии населенности или вынужденного излучения, даже если эти концепции неявно использовались в принципе работы. Позднее это устройство превратилось в один из многих путей получения лазерного излучения, получившего название лазер на свободных электронах. Сегодня это один из немногих лазеров, генерирующих очень короткие длины волн.

Мотц сделал свое предложение в 1951 г., когда он был в Стенфордском Университете (Калифорния, США). Его идея заключалась в том, чтобы пропустить пучок электронов через набор магнитов с переменной полярностью.

Под действием магнитного поля электрон движется уже не по прямой, а по дуге окружности. Когда электрон попадает в поле противоположного знака, дуга изгибается в противоположном направлении, и траектория становится последовательностью полуокружностей, как показано на рис. 48. Электроны, движущиеся по таким искривленным траекториям, должны испускать излучение согласно законам электромагнетизма. При определенных условиях излучение от отдельных сегментов может стать непрерывным цугом волн. Поскольку электроны в пучке движутся с очень высокой скоростью, необходимо учитывать теорию относительности. Она показывает, что благодаря ограничениям, следующим из этой теории, длины волн испускаемого излучения связаны с радиусами полуокружностей, но много короче, попадая в область миллиметров или субмиллиметров, а при особых конструкциях даже в видимый спектр и еще короче длин волн. Интересной особенностью такого устройства является то, что при изменении энергии электронов или при изменении расстояния между полюсами магнитов, можно изменять длину волны, т.е. получать источник с непрерывной перестройкой длины волны.

Мотц дал экспериментальную демонстрацию в 1953 г. в Стенфорде, используя линейный ускоритель, и получил излучение мощностью в несколько ватт на длине волны 1,9 мм.

Рис. 48. Мазер или лазер на свободных электронах. Пучок электронов проходит через ряд магнитов с противоположной ориентацией поля (N и S обозначают северный и южный полюса). В результате электрон совершает движение по полуокружностям в плоскости, ортогональной полям, и излучает электромагнитные волны (на рисунке не показаны)

Космические мазеры

Здесь читатель может подумать, что мазер это человеческое изобретение. Однако Природа, как часто бывает, показала, что ничто не ново под Луной! Несколько лет назад в радиоастраномии ученые стали проводить наблюдения на частоте 1420 МГц, которая соответствует испусканию газообразного водорода в межзвездных облаках. Это конкретное радиоизлучение представляет спонтанное испускание определенного перехода в атоме водорода при термическом равновесии с довольно низкой температурой (менее, чем 100 К). При этом нет никаких особенностей мазерного усиления. Эти исследования были распространены на другие частоты и привели к обнаружению присутствия различных межзвездных газов.

В 1965 г. радиоастрономическая группа, руководимая профессором Г. Вивером из Беркли (Калифорния, США), наблюдала радиоизлучение около 1670 МГц, приходящее от молекул ОН, расположенных вблизи некоторых звезд. Это излучение состоит на самом деле из четырех известных переходов ОН на 1612, 1665, 1667 и 1720 МГц. Если излучение на этих линиях происходит на спонтанных переходах, они должны иметь интенсивности в отношениях 1:5:9:1, как следует из известных вероятностей для этих четырех переходов. Однако наблюдаемые отношения интенсивностей были совершенно другими и изменялись довольно быстро во времени (пределах временной шкалы месяцев). Распределение испускаемых частот этих линий было не гладким, но иногда содержало очень узкие компоненты. Эти ширины линий были такими, что температуры, соответствующие им, должны были бы быть менее 50 К. В то же время, интенсивность была столь высока, что температура источника должна была бы быть 10 ¹²К. Было очевидно, что испускание происходит либо от крайне узких точечных источников, либо получается в виде хорошо направленных пучков.

Единственным разумным объяснением этих результатов было, что такое излучение возникает из-за спонтанного излучения в некоторой части облака, содержащего ОН, а затем сильно и направленно усиливается мазерным усилителем, проходя остальные части облака. Такое усиление могло бы объяснить аномальное отношение интенсивностей, высокую интенсивность и направленность излучения.

Также представлялось разумным, что свойства мазерного усиления могут быстро изменяться во времени, причем за такие времена, что не могут измениться как общее количество ОН, так и связанное с ними спонтанное излучение. Механизм накачки, ответственный за инверсную населенность, теперь понятен. Молекулы возбуждаются инфракрасным излучением, испускаемым космической пылью, и при соответствующих условиях создается инверсная населенность.

В 1968 г. были найдены другие субстанции, излучающие подобным образом, и сегодня в нашей галактике открыто более тысячи мазеров, в которых задействованы более чем 36 молекул и почти 200 переходов. Среди этих молекул, кроме ОН, – вода, метанол, аммиак и SiO.

Сегодня полагают, что эти космические мазеры существуют в областях, где формируются звезды или где звезды близки к концу своего жизненного цикла. Оба типа звезд обычно сопровождаются сильными потоками вещества в окружающее пространство. Типичные струи имеют скорости около 30 км/с, а наиболее энергичные достигают 300 км/с. Вещество, испущенное в пространство, быстро конденсируется и может быть накачено инфракрасным излучением, испускаемым самой звездой.

Механизм излучения различных молекул может быть в некоторых случаях обусловлен накачкой струй инфракрасным излучением, как утверждалось, но в других случаях это может быть возбуждением за счет столкновений. Например, в случае SiO были получены результаты, подтверждающие эту идею. Большинство SiO мазеров находятся во внешней атмосфере звезд-гигантов и супергигантов, сильно эволюционирующих звезд. Звезды этого типа теряют большую часть своей атмосферы в виде ветра, который обогащает межзвездное вещество галактики. Во время этого сильного ветра молекулы SiO могут быть возбуждены за счет столкновений с другими молекулами, которые обладают высокими скоростями, будучи веществом ветра.

Более недавно, в ядрах более чем 50 галактик, были открыты мазеры, которые в миллион раз ярче, чем те, что находятся в самих галактиках. Эти мега мазеры, как их называют, в некоторых случаях, вероятно, накачиваются через механизм инфракрасного излучения, но в других случаях механизм накачки неясен.

Изучение этих мазеров, интересное само по себе, обещает быть полезным для понимания астрофизических процессов эволюции звезд.

ГЛАВА 11
ПРЕДЛОЖЕНИЕ «ОПТИЧЕСКОГО МАЗЕРА»

Таунс в своих исследованиях собирался построить аммиачный мазер на длине волны около 0,5 мм, а затем обратился к много большей длине волны 1,25 см, ради упрощения конструкции. Все другие мазеры, построенные после этого, работали в сантиметровом диапазонах. Не было генератора, основанного на вынужденном излучении, способного испускать излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Хотя другие типы традиционных генераторов, таких, как клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, улучшались и позволяли дойти до чуть более, чем 1 мм, эта длина волны была самая короткая для этих устройств, а их мощности были очень низки. Фактически не было реальных запросов на когерентные излучатели в миллиметровом и инфракрасном диапазон. Одно из важных применений – ночное видение – использовало инфракрасные лучи, испускаемые самими нагретыми предметами, и требовало лишь хороший приемник, но не нуждалось, в каком бы то ни было излучателе. Для другого важного применения, спектроскопии, обычные инфракрасные лампы уже обладали достаточной мощностью. Поэтому не было никакого смысла разрабатывать новые источники. Однако, исследователи любопытны и любят расширять границы знания. Так что, даже без какой-либо поспешности, как только был запущен мазер, стали думать, а нельзя ли принцип его действия использовать для создания генератора света, который стали называть оптическим мазером. Этой задачей занялись независимо в США и в бывшем Советском Союзе.

Чтобы сделать оптическое устройство этого типа, следует рассмотреть другие энергетические уровни по сравнению с микроволновым мазером. Микроволновые частоты настолько низкие, что зазор энергии между уровнями, нужный для генерации, можно найти во вращательно-колебательных состояниях молекул или в тонкой структуре атомов в магнитном поле, как мы уже об этом говорили. В оптическом случае испускаемые фотоны должны иметь энергию, по крайней мере, в сто раз большую, и поэтому требуются переходы между электронными уровнями атомов.

Другим существенным элементом является резонатор, который необходим для работы генератора и в микроволновой области, и в области существенно более коротких длинах волн. Микроволновые резонаторы имеют размеры, сравнимые с длиной волны, т.е. порядка сантиметра. С помощью существующей технологии изготовления таких резонаторов не представляет труда. В случае света, длина волны порядка 1 мкм или даже меньше. Поэтому изготовление резонатора таких размеров представлялось невозможным. Без резонатора невозможно получить существенное взаимодействие между частицами и излучением, вынужденное излучение слабо, и теряются принципиальные особенности устройства. Однако были рассмотрены альтернативные методы, способствующие эффективному взаимодействию между возбужденными частицами и излучением. Это была система, состоящая из двух полупрозрачных плоских зеркал, параллельных друг другу. Такая система уже использовалась в спектроскопии для измерений длин волн с высокой точностью. Как мы увидим далее, эта система является настоящим резонатором, хотя другой вид ее использовался для микроволновой области частот [6]6
  А.М. Прохоров впервые предложил и экспериментально продемонстрировал использование микроволнового резонатора нового типа, состоящего из двух параллельно расположенных пластин. – Прим. пер.


[Закрыть]. Она была придумана в 1899 г. двумя французскими учеными С. Фабри (1867—1945) и А. Перо (1863-1925). Сегодня эту систему двух зеркал называют интерферометром Фабри—Перо, или просто Фабри-Перо. Если излучение распространяется взад и вперед между зеркалами, то из-за интерференции внутри резонатора имеются лишь определенные длины волн. При пропускании излучения через такую систему зеркал получается система концентрических колец, радиусы которых зависят от длины волны. Этот интерферометр со времен Фабри и Перо используется для прецизионного исследования спектров (например, тонкой и сверхтонкой структуры).

С другой стороны, если внутри резонатора Фабри—Перо поместить инвертированную среду, то на этих резонансных частотах получается увеличенное взаимодействие между излучением и возбужденными атомами. В результате испускается излучение на определенных оптических длинах волн. Хотя размеры этого резонатора теперь много большие, чем длина волны, в нем происходит хорошая селекция возможных типов колебаний (мод), так как только излучение, которое распространяется взад и вперед между зеркалами, может генерироваться. Другое излучение, распространяющее даже под малым углом к поверхности зеркал, покидает резонатор после нескольких отражений.

Предложение Фабриканта

Как мы уже видели, первым среди претендентов на идею создать лазер, был Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991), который сделал свое предложение в Советском Союзе в 1940-х гг.

Фабрикант начал свою научную карьеру студентом физико-математического факультета Московского университета у Г.С. Ландсберга. После окончания его он поступил на работу во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). В 1932 г. его внимание было сконцентрировано на проблемах оптики и свойств электрического разряда в газах. Он опубликовал ряд работ, в которых он изучал спектральный состав и интенсивность излучения, испускаемого при электрических разрядах в газах, в частности, исследуя процессы столкновений между возбужденными атомами и электронами и передачи энергии, происходящие в этих процессах.

Атом или очень быстрый электрон может столкнуться с другим атомом и передать часть своей энергии, которая, если она достаточная, может возбудить ударяемый атом и перевести его на возбужденный уровень. Это называется столкновением первого рода. Также существует другой вид столкновения, который называется столкновением второго рода. В нем атом, который уже находится в возбужденном состоянии сталкивается с другим атомом, который находится в основном состоянии, и передает ему свою энергию. В результате первый атом возвращается в основное состояние, а второй атом перепрыгивает на возбужденный уровень. Оба эти атома необязательно должны быть одного и того же вида; существенно, что оба возбужденных уровня имеют одну и ту же энергию. Если два атома разного вида, то тогда возможно с помощью этого механизма, что атомы одного вида, скажем А, возбуждают атомы другого вида, скажем В, при этом возбужденный уровень может иметь больший номер, чем тот, что получился бы в результате термических столкновений первого рода. В результате, для атомов В может получиться распределение на некоторых уровнях, которое будет отличаться от распределения Максвелла– Больцмана. Эта возможность и интересовала Фабриканта.

В 1939 г. он стал изучать возможность получения населенностей возбужденных атомов, больших, чем следует из распределения Больцмана, и старался показать, что когда излучение проходит через среду, в которой реализована такая инверсия, населенностей, то возможно наблюдать усиление излучения, а не поглощение. После он предложил способ экспериментально реализовать инверсную населенность при разряде в смеси газов, при котором используются столкновения атомов. Эти результаты были включены в его докторскую диссертацию, которую он защитил в 1939 г. В это время интересы Фабриканта были связаны с получением экспериментальных доказательств существования вынужденного излучения. Позднее он рассматривал эту проблему более интенсивно, и 18 июня 1951 г., он подал вместе со своими сотрудниками заявку на патент относительно нового метода усиления света, озаглавленную: «Метод усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиоволн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, в которой с помощью дополнительного излучения, или другими способами, создается избыток концентрации на верхних уровнях по отношению к равновесной концентрации атомов, других частиц, или систем». В патенте идеи использования вынужденного излучения для усиления излучения были развиты более конкретным образом.

Однако патент был опубликован лишь в 1959 г. и нет возможности знать, какая формулировка и описание были в первоначальной заявке. Формулировка 1959 г. очень общая и, практически, покрывает все, что относится к мазерам и лазерам. После подачи заявки Фабрикант и его сотрудники проводили экспериментальные работы в разных условиях, но без успехов. Хотя они и опубликовали экспериментальные подтверждения своих идей, но они были опровергнуты.

Работа Фабриканта имеет исторический интерес, поскольку он к своей концепции шел со стороны оптики, без прохождения фазы мазера. Работа не оказала никакого влияния на развитие и мазера и лазера, поскольку она стала известной, после того как оба устройства были реализованы. Даже в России отношение его коллег к его идее было, вероятно, не слишком серьезным, он сам не опубликовал свои результаты. Только после того, как были построены первые мазеры и лазеры, Правительство вспомнило о нем. В 1965 г. Академия наук СССР наградила его Золотой медалью С.И. Вавилова «за важные работы по оптике и газовому разряду». Он получил Государственную премию СССР за разработку люминесцентных ламп.