Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 31 (всего у книги 52 страниц)
Ркспериментальное доказательство инверсии населенности
Вернемся Рє экспериментам РїРѕ ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом Рё его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. Р’ некоторых экспериментах РѕРЅРё нашли, что время релаксации РІРѕРґС‹ было между половиной секунды Рё РѕРґРЅРѕР№ минуты. Чтобы определить это значение более точно, был задуман замечательный эксперимент. Образец РІРѕРґС‹ помещался РІ постоянное магнитное поле, достаточно высокой напряженности. РџСЂРё приложении осциллирующего поля СЃ изменяемой частотой наблюдался типичный резонансный РїРёРє. Затем, Р·Р° очень короткое время, направление постоянного поля, вдоль которого прецессируют магнитные моменты, изменяло знак (поле инвертировалось). Вначале наблюдался резонансный РїРёРє, затем РІ течение нескольких секунд этот РїРёРє исчезал Рё СЃРЅРѕРІР° начинал расти, РЅРѕ СЃ отрицательным значением. Рто поведение можно объяснить следующим образом. Первоначально магнитные моменты выстраиваются вдоль направления поля, Р° слабое переменное поле, поглощаясь, индуцирует переходы РІ направление уровней СЃ большей энергией (это РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє РїРёРєСѓ поглощения). РљРѕРіРґР° постоянное поле изменяет СЃРІРѕРµ направление, СЃРїРёРЅС‹ первоначально оказываются ориентируемыми почти антипараллельно, Рё теперь переменное поле индуцирует вынужденные переходы СЃ верхнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° нижний уровень. Рто РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РЅРµ будет достигнуто равновесие РІ этом РЅРѕРІРѕРј направлении поля.
В эксперименте Блоха время, необходимое для достижения этого нового равновесия, было около нескольких секунд, и это было как раз то значение релаксации воды, которое и интересовало исследователей. В течение нескольких секунд, необходимых для достижения нового равновесия, населенность спинов была в состоянии инверсной населенности, т.е. с большим числом частиц на более высоком магнитном уровне, чем число частиц на уровне с меньшей энергией.
Блох не обратил внимания на эту особенность, сосредоточившись на проблеме определения времени релаксации и измерения его точного значения. �нверсная населенность, получаемая таким способом, получившим название быстрого адиабатического прохождения, была позднее, в 1958 г., использована, чтобы создать инверсную населенность в двухуровневом твердотельном мазере.
Р’ следующем РіРѕРґСѓ Рќ. Бломберген, молодой голландский физик, Рѕ котором РјС‹ более РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕ РїРѕРіРѕРІРѕСЂРёРј позднее, вместе СЃ Парселлом Рё Паундом продолжал изучать времена релаксации. РћРЅ ввел РІ теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся РЅР° разных энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС…. Рти уравнения сыграли фундаментальную роль РІ описании действия мазеров Рё лазеров.
Отрицательная температура
Р’ 1951 Рі. Парселл Рё Паунд РІ короткой заметке РІ Physical Review ввели понятие отрицательной температуры Рё показали существование отрицательного поглощения. РћРЅРё рассматривали эксперимент РїРѕ ядерному поглощению Рё рассуждали следующим образом. РџСЂРё напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести Рє намагничиванию, которое противоположно РЅРѕРІРѕРјСѓ направлению поля. Рто обращение должно осуществляться Р·Р° такое короткое время, чтобы намагничивание РЅРµ могло мгновенно следовать Р·Р° полем. РћРЅРё выполнили эксперимент СЃ образцом флюорида лития, помещаемого РІ магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Рто время инверсии делалось короче, чем СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация, Рё, таким образом, конфигурация ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ имела достаточно времени, чтобы измениться РІ течение инверсии поля. Р’ пределах короткого интервала времени, РІ течение которого СЃРїРёРЅС‹ остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, С‚.Рµ. испускание.
Ртот эффект показан РЅР° СЂРёСЃ. 40, причем частота периодически варьировалась взад Рё вперед через значение резонансной частоты. РџРёРє, крайне слева, представляет нормальную резонансную РєСЂРёРІСѓСЋ, перед тем как поле инвертируется. Как раз справа РѕС‚ этого положения поле было инвертировано, Рё следующий РїРёРє направлен РІРЅРёР·, что соответствует отрицательному поглощению. Рти отрицательные РїРёРєРё становятся слабее, вплоть РґРѕ состояния, РіРґРµ исчезают Рё положительное Рё отрицательное поглощения (ноль РїРёРєР°). Р’ этом состоянии населенности верхнего Рё нижнего уровней равны. Последующее увеличение положительных РїРёРєРѕРІ показывает РЅРѕРІРѕРµ установление термодинамического равновесия населенностей.
Рис. 40. Типичная регистрация обращения ядерной намагниченности
Если РјС‹ теперь РІСЃРїРѕРјРЅРёРј, что РІ случае молекул, которые РјРѕРіСѓС‚ находиться РЅР° РґРІСѓС… энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС…, число молекул, находящихся РІ верхнем состоянии, равно числу молекул, находящихся РІ нижнем состоянии, умноженному РЅР° экспоненциальный фактор, который является отрицательным отношением разности энергий РґРІСѓС… уровней Рє kT, то РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, что для положительного значения температуры экспоненциальная функция всегда отрицательна, Рё поэтому экспоненциальный член всегда меньше единицы. Рто означает, что населенность частиц РІ верхнем состоянии всегда меньше, чем населенность РІ нижнем состоянии. Ситуация, РїСЂРё которой населенность верхнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ больше, чем нижнего, соответствует случаю, РїСЂРё котором экспоненциальный множитель больше единицы. Рто получается, если kT является отрицательным, С‚.Рµ. температура отрицательна.
Отрицательная температура просто означает, что занятие состояний СЃ большей энергией более вероятно, чем состояния СЃ меньшей энергией. Рто получается РІ РѕРґРЅРёС… Рё тех же уравнениях. РќРѕ дело РЅРµ только РІ формулах, отрицательная температура имеет глубокий физический смысл. Через семь лет после введения этого понятия, полное объяснение его значения было дано РґРІСѓРјСЏ исследователями, Абрагамом Рё Проктором. Парселл прокомментировал РёС… работу, РіРѕРІРѕСЂСЏ: Рто как получение свидетельства Рѕ браке через семь лет после рождения ребенка.
Н. Рамси, который в нескольких работах (даже философских) обсуждал смысл отрицательной температуры, писал:
Паунд, Парселл и Рамси выполнили серию экспериментов с кристаллами LiF, которые имеют очень большое время релаксации. Они обнаружили, что спиновая система существенно изолирована в течение времени, которое изменяется от 15 с до 15 мин, и что за времена, короткие по сравнению с этим временем, спиновая система может находиться в состоянии с отрицательной температурой. В этом состоянии уровни с более высокой энергией заселены более полно по сравнению с уровнями с низкой энергией. Такая система характеризуется тем, что когда на нее падает внешнее излучение, то вынужденное излучение превосходит поглощение.
В эксперименте Парселла и Паунда они наблюдали сигнал, который получался из-за распада инверсной населенности зеемановских уровней. Никто не придал значения тому, что это метод, который позволяет получить инверсию, или тому факту, что система с отрицательной температурой, связанная с микроволновым резонатором или волноводом, может дать когерентное усиление благодаря процессу вынужденного излучения. Вероятно, это было из-за того факта, что этот метод получения инверсии давал только краткосрочное существование инверсной населенности. Лишь позднее методы получения инверсии были использованы для создания мазеров.
Глава 10
РњРђР—Р•Р
Теперь мы готовы рассказать, как был изобретен мазер или, лучше сказать, как он был открыт, имея в виду, что во Вселенной существуют звездные мазерные источники, и поэтому человек эффективно воспроизвел в лаборатории то, что уже существовало в природе.
Чтобы сделать ярче картину, окружающую создание сперва мазера, Р° потом Рё лазера, полезно рассмотреть состояние исследований РїРѕ физике Рё РґСѓС…, СЃ которым эти исследования выполнялись РІ РіРѕРґС‹ после Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. Перед Первой РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅРѕР№ исследования проводились персонально или малыми группами, РЅРµ имеющими связей СЃ промышленностью Рё РЅРµ предвидящих каких-либо применений. Ученые старались удовлетворить СЃРІРѕРµ любопытство путем открытия Рё объяснения новых явлений. Открытие радия Марией РљСЋСЂРё (18671934) СЏСЂРєРёР№ пример. РћРЅР° начала СЃ наблюдения, что некоторые минералы, РёР· которых извлечен уран, элемент, радиоактивность которого была открыта РђРЅСЂРё Беккерелем (18521908), показывают радиоактивность большую, чем можно было приписать содержанию урана. Поэтому внутри этих минералов должны быть РѕРґРЅР° или более субстанций СЃ радиоактивностью большей, чем Сѓ урана. Рто заставило ее изучить эти субстанции. Рти исследования были проведены РІ сарае СЃ огромными трудностями, без какой-либо помощи, РєСЂРѕРјРµ ее мужа Пьера (18591906). Финальным результатом было открытие полония Рё радия (1898). Р’СЃРєРѕСЂРµ было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, обладает биологическими эффектами, Рё РёС… стали использовать РІ Р±РѕСЂСЊР±Рµ СЃ раком. Таким образом, открытие радия привело Рє важному практическому применению, хотя этого никто РЅРµ предполагал вначале исследования
Во время Второй мировой войны ситуация изменилась радикально, особенно в США, где были получены самые важные результаты, относящиеся к нашей истории. Разработка радара, который существенно повлиял на исход войны, ядерные исследования, кульминацией которых явилось создание атомной бомбы всё это показало огромные возможности, заключенные в физических исследованиях, и сколь экстраординарные применения могут быть получены. К концу войны физика предстала как важнейшая наука для будущего.
В 1948 г. изобретение транзистора и последующая революция в электронике предстали еще одним революционным шагом. Теперь исследования не кончались сами по себе с единственной целью получить чистые знания, но они стали способом получить новые знания, ведущие к конкретным применениям со значительным социальным последствием.
Оказалось, что физика не является абстрактной наукой для немногих избранных, но представляет инструмент, способный дать существенные элементы для развития общества или, в зависимости от того, что желают иметь, для его уничтожения. Ядерные исследования и разработка ядерных реакторов для получения энергии (сегодня рассматриваемое с некоторым скепсисом) после Второй мировой войны рассматривались с огромной благосклонностью как средство решения энергетической проблемы для человечества.
Р’ это же время началась СЃРІСЏР·СЊ СЃ промышленностью, научно-исследовательских отраслевых лабораторий Рё развитие самой промышленности, основанное РЅР° результатах физических исследований. Внезапно физики стали значительными Рё популярными, Рё большие деньги стали предоставляться РёРј РёР· правительственных источников. Р’ этой атмосфере РІСЃСЏРєРёР№, кто имел хорошую идею СЃ потенциальными применениями, РјРѕРі, почти наверняка, рассчитывать РЅР° поддержку. Рти идеальные условия РІ период РІРѕР№РЅС‹ продолжались Рё РІ течение холодной РІРѕР№РЅС‹ между РЎРЁРђ Рё РЎРЎРЎР , вплоть РґРѕ ее окончания. Р’ этот период разработка мазеров Рё лазеров получила невиданную финансовую поддержку РІ Америке, благодаря интересу СЃРѕ стороны военных агентств Рё промышленности. Р’ РґСЂСѓРіРёС… странах РЅРµ было такого счастливого состояния, хотя РєРѕРµ-что Рё получалось.
В бывшем Советском Союзе Академия наук рассматривалась как важная часть государства и была богатой и сильной. В институтах, разбросанных по всей стране, работали тысячи исследователей, положение которых было значительно лучше, чем у тех, кто работал в других областях. Также существовали секретные лаборатории для военных целей, которые работали вместе с прекрасными академическими лабораториями, так как только с их помощью можно было получить необходимые приборы и методики.
Р’ Европе были организованы большие международные исследовательские центры, такие как ЦЕРН РІ Женеве. Рта огромная лаборатория была организована РїСЂРё финансовой поддержке Р�талии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландов Рё Бельгии. Были построены огромные ускорители Рё установки для исследований РІ области физики высоких энергий. РќРё РѕРґРЅР° РёР· стран РІ одиночку РЅРµ смогла Р±С‹ профинансировать это. Ускорители ЦЕРН дают РІ СЂСѓРєРё исследователям хорошо организованных международных РіСЂСѓРїРї большое количество частиц СЃ высокой энергией. Р’ довоенные РіРѕРґС‹ исследования СЃ такими частицами проводились РІ лабораториях, которые ожидали случайного появления малого числа таких частиц РІ РІРёРґРµ космических лучей, РёС… естественного источника. Разработка ускорителей означала, что такие частицы можно получать РІ большом количестве Рё работать СЃ РЅРёРјРё приемлемым лабораторным образом.
Большая финансовая поддержка со стороны Европы, и особенно �талией, исследований в области частиц высоких энергий имеет свои корни, заложенные престижем Ферми, Амальди и др. Такая финансовая поддержка направлена в хорошо определенном направлении.
Тот факт, что разработка новых устройств, мазеров и лазеров произошла в США и в прежнем Советском Союзе, единственных странах, где исследования проводились в широких областях, можно рассматривать, как основную стратегию не концентрировать исследования лишь на определенных направлениях.
Огромные изменения роли физики и физиков в исследованиях, которые проводились во время войны, можно рассматривать для того, чтобы понять, как дорогостоящие исследования, без гарантии успеха и часто с сомнительными перспективами, могли быть поддержаны без особых проблем. Мазер означал появление техники усиления, столь радикально отличающейся от тех, что обычно используются; она не могла появиться как простое улучшение уже известной электронной техники. Потребовались разработки в новых областях, таких как магнитный резонанс, микроволновая спектроскопия, которые принципиально проводились в США и были описаны нами в предыдущих главах. Более того, в то время электромагнитные волны генерировались и принимались, используя лампы (диоды, триоды и др. которые ныне совсем оставлены), в которых использовались электроны, испускаемые нитями, нагреваемыми электрическим током. Действие этих устройств, а также магнетронов, клистронов и др., было совершенно понятно на основе законов классической электродинамики Максвелла. �нженерам не нужно было изучать квантовую механику, которая совершенно необходима для понимания работы мазера, вплоть до 1948 г., когда был открыт транзистор. Для понимания принципа работы этого устройства необходимо рассматривать электронные состояния в твердых телах, которые описываются законами квантовой механики. С этого времени инженеры открыли для себя квантовую механику и стали изучать ее.
Сразу же после РІРѕР№РЅС‹ работы РїРѕ микроволновой спектроскопии стали, РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј развиваться РІ Америке РІ лабораториях прикладных исследований. Четыре независимые РіСЂСѓРїРїС‹ стали изучать газы СЃ помощью этой методики: Bell Labs, лаборатории Вестингауз, лаборатории RCA Рё Колумбийский университет, единственный РёР· университетов. После нескольких лет активности, которая была признанной экономически мало эффективной Рё прекращенной РІ промышленных лабораториях, исследования переместились РІ университеты, РіРґРµ физики Рё С…РёРјРёРєРё заинтересовались использованием микроволн для изучения молекул. Однако большинство молекул имеют наиболее интенсивные спектральные линии РЅР° длинах волн РІ миллиметровой области Рё слабо взаимодействуют СЃ излучением СЃ длинами волн около сантиметра, которое производилось генераторами радаров. Рто вызвало сильное желание спектроскопистов, занимающихся молекулярной спектроскопией, разрабатывать источники РІ миллиметровой Рё субмиллиметровой области. Военные были также заинтересованы РІ миллиметровых системах, поскольку РѕРЅРё были более компактны Рё более легкими для военных применений.
Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹ самые знаменитые американские ученые сотрудничали СЃ военными, Рё теперь, РєРѕРіРґР° РІРѕР№РЅР° окончилась, это сотрудничество естественно продолжалось Рё желательным были взаимные контакты. Р’ этой атмосфере, РІ 1946 Рі., Военно-РјРѕСЂСЃРєРѕРµ министерство, Сигнальный РєРѕСЂРїСѓСЃ армии Рё Военно-воздушные силы образовали Объединенные службы программ РїРѕ электронике (JSEP), чтобы поддержать РґРІРµ лаборатории, которые проводили исследования РїРѕ электронике РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹ Рё которые продолжались. Рто Лаборатория радиации MIT, которая была реорганизована РІ Р�сследовательскую лабораторию электроники, Рё Колумбийская лаборатория радиации физического факультета Колумбийского университета. Рљ концу 1946 Рі. Рє этой программе присоединился Гарвардский университет, Р° РІ 1947 Рі. Рё Стэнфордская лаборатория электроники РІ Калифорнии.
Министерство обороны США одобрительно относилось к этим лабораториям, которые продвигали науку и технологию, которые могли бы оказаться полезными в военном деле. Более того, они поддерживали высококвалифицированных ученых, стремясь привлечь их к военным задачам и заботясь о появлении нового поколения исследователей. Таким образом, и ученые, и военные работали в области генерации миллиметровых волн с большой взаимной заинтересованностью.
