Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 32 (всего у книги 52 страниц)
Р’ 1950-С… РіРі. назрело время для изобретения РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства, Рё, как это часто бывает, фундаментальные принципы его работы были установлены одновременно Рё независимо несколькими разными людьми. Читатель, которого РЅРµ сбили СЃ толку многочисленные отступления, совершенно необходимые для понимания нашей истории, может увидеть точный путь, который РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ нас Рє окончательной цели. После извилистого начала наше путешествие РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ СЃ введением Рйнштейном РІ 1916 Рі. концепции вынужденного излучения, которая сначала, РІ 1920-С… РіРі., была использована теоретиками для объяснения различных явлений, Рё которая позднее была экспериментально подтверждена. Р’ то время, РїРѕРєР° эта концепция была РІ умах исследователей, РІ 1930-С… РіРі. развивались микроволны Рё соответствующая техника, Рё немедленно после интенсивных исследований радаров РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, был открыт ядерный резонанс. Р’ экспериментах РїРѕ ядерному резонансу была получена инверсия населенности. РћРЅР° возникала РЅР° короткое время, как переходное явление, РЅРѕ была достоверно Рё правильно установлена. Точно так же была установлена роль вынужденного излучения Рё его противоположность РїРѕ отношению Рє явлению поглощения. Теперь давайте посмотрим, как вынужденное излучение было использовано для создания мазера.
Предложение Вебера
Первое изложение РІ публичной аудитории РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ принципа, РЅР° котором может работать мазер (однако без самого работающего устройства), было сделано Джозефом Вебером (19192000) РІ Оттаве (Канада) РІ 1952 Рі. РЅР° конференции РїРѕ электронным лампам (Electron Tube Research Conference). Рто была престижная конференция, РІ которой участвовали лишь РїРѕ приглашениям Рё РЅР° которой часто представлялись идеи для прогрессивных устройств.
Вебер был тогда молодым профессором электротехники университета Мэриленда и консультантом Военно-морской лаборатории США. Он получил диплом в Аннаполисе и был первым морским офицером, который был, как квалифицированный инженер в области микроволн, в секции электронного противодействия во флоте. Здесь он имел возможность ознакомиться с технологической важностью усилителей с высокой чувствительностью к микроволновым и миллиметровым волнам, поскольку для целей противодействия вражеским радарам требовались такие усилители для обнаружения слабых волн от радаров. �нформация о длинах волн, на которых работает радар, и их источнике позволяла затем посылать сигналы, ослепляющие вражеские приемники и, и тем самым, не позволяя врагу определять цели.
После демобилизации из флота он поступил в Католический университет Вашингтона. Квантовая механика была частью его занятий, и идея мазера появилась у него после лекции о вынужденном излучении Карла Герцфельда (18921978). Он получил докторскую степень по физике в 1951 г., работая в области микроволновой спектроскопии, и стал профессором в университете Мэриленда. Здесь он продолжал работы по микроволновой спектроскопии. Механизм поглощения и испускания, который имеет место, когда излучение взаимодействует с газом, всегда интересовал его. В типичном эксперименте микроволновой спектроскопии микроволны от некоторого источника попадают на приемник. Если между источником и приемником располагается газ, то можно наблюдать поглощение некоторой части падающего излучения. Какова природа этого поглощения? Оно происходит, если молекулы газа обладают парой уровней и разность энергий между ними, деленная на постоянную Планка, приблизительно равна частоте микроволн.
Чтобы лучше понять, как это происходит, Вебер рассматривал систему только с двумя энергетическими уровнями, E1 и E2 (причем Е2 > Е1), на каждом из которых имеется число атомов или молекул соответственно n1 и n2 (мы будем называть n1 и n2 населенностями энергетических уровней E1 и E2 соответственно). Когда микроволновая частота имеет правильное значение, поглощенная мощность пропорциональна населенности первого уровня, т.е. n1. Частицы, которые находятся на верхнем уровне 2, в свою очередь, испускают вынужденное излучение на той же частоте, мощность которого пропорциональна n2. �тоговая мощность равна разности между поглощенной и испущенной мощностью, т.е. пропорциональна n1 n2. Поскольку при термическом равновесии n1 всегда больше, чем n2, Вебер заключал, что эта итоговая мощность всегда положительная величина. Поэтому при обычных условиях мы получаем поглощение излучения. Однако, добавлял он, мы можем получить усиление, если каким-нибудь способом можно сделать число осцилляторов в верхнем состоянии большим, чем число их в нижнем состоянии и заключал метод осуществить это, предложен в эксперименте Парселла по отрицательной температуре.
Рти рассмотрения были сделаны Вебером РІ 1951 Рі. Рё представлены РЅР° конференции РІ 1952 Рі. Вебер позднее РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР», что РѕРЅ намеревался опубликовать СЃРІРѕРё результаты РІ широко читаемом журнале. Вместо этого, профессор Р“. Рейх РёР· Йельского университета написал ему, что РѕРЅ, будучи председателем конференции РІ 1952 Рі., является также редактором журнала (РЅРµ широко читаемого, РїРѕ мнению Вебера) Рё предполагает опубликовать РІ нем материалы конференции. Р’ результате краткое сообщение РІ РІРёРґРµ абстракта доклада было опубликовано РІ РёСЋРЅСЊСЃРєРѕРј номере 1953 Рі. Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices.
В своей работе Вебер подчеркивал факт, что усиление является когерентным. Метод, который он предлагал для получения инверсной населенности, фактически никогда не был осуществлен на практике и даже казался маловероятным быть реализованным. Более того, Вебера интересовал только усилитель. �дея обратной связи, столь существенная в мазере Таунса, как мы увидим, не представляла важности для Вебера, и он не обсуждал ее. Вебер также оценил количественно возможности своего устройства, но расчеты, которые он получил при вычислениях, показали столь малые характеристики, что он решил оставить это и не старался построить что-либо. Однако идея вызвала определенный интерес, и после представления своей работы на конференции, Вебер был приглашен RCA провести семинар по его идее. За это он получил гонорар 50$. После этого семинара Таунс написал ему, с просьбой прислать копию статьи. Однако Таунс не ссылался на работу Вебера в своих первых работах, но ссылался на нее позже.
Попытки Вебера были отмечены IRE, когда он был удостоен членством в 1958 г. за его раннее установление концепции, приводящей к мазеру. Он провел 1955/56 академический год, как член �нститута передовых исследований в Принстоне и включился в изучение общей теории относительности. В течение начала 1960-х гг. он заинтересовался гравитационными волнами, и построил детекторы, которые, однако, не дали определенных доказательств существования гравитационных волн.
Таунс и первый мазер
Между тем была выполнена наиболее известная работа, РІ которой было создано работающее устройство. Рта работа была проведена РІ Колумбийском университете, РІ котором проводились значительные исследования РІ области радиоспектроскопии, поддержанные дальновидным сотрудничеством СЃ военными организациями. Результатом РіСЂСѓРїРїС‹ исследователей, возглавляемой Р§. Таунсом, стало создание Рё запуск первого мазера. Чарльз Таунс родился РІ 1915 Рі. РІ Гринвилле, Южная Каролина (РЎРЁРђ). Р’ возрасте всего лишь 16 лет РѕРЅ поступил РІ университет. Хотя РѕРЅ РІСЃРєРѕСЂРµ обнаружил СЃРІРѕРµ пристрастие Рє физике, также изучал греческий, латинский, англо-саксонский, французский Рё немецкий языки Рё получил степень бакалавра РїРѕ современным языкам после 3-летнего обучения РІ университете. Р’ 4-Р№ РіРѕРґ РѕРЅ получил Рё степень РїРѕ физике. Затем РѕРЅ преподавал Рё РІ возрасте 21 РіРѕРґР° закончил работу над диссертацией, продолжая изучать французский, СЂСѓСЃСЃРєРёР№ Рё итальянский языки. Затем РѕРЅ поступил РІ Калифорнийский технологический институт, РіРґРµ РІ 1939 Рі. получил докторскую степень Рё получил назначение РІ Bell Telephone Laboratories. Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹ работал над проектом радара для бомбардировщиков. Хотя Таунс предпочитал теоретическую физику, РѕРЅ тем РЅРµ менее работал над этим практическим проектом
В то время старались увеличить рабочую частоту радаров. Военно-воздушные силы просили спроектировать радар с частотой 2400 МГц. Такой радар работал бы в неосвоенном диапазоне и обещал более точное бомбометание.
Однако Таунс, прочитав неопубликованный меморандум ван Флека по теории поглощения в водяных парах, отметил, что излучение на такой частоте сильно поглощается водяными парами. Тем не менее военные заказчики настаивали попробовать это. �так, Таунс построил такой радар и убедился, что он не работает. В результате этой работы Таунс стал интересоваться микроволновой спектроскопией (радиоспектроскопия).
Р’ 1947 Рі. Р�СЃРёРґРѕСЂ Раби предложил Таунсу перейти РёР· Bell Labs РІ Колумбийский университет для работы РІ его РіСЂСѓРїРїРµ. Рта РіСЂСѓРїРїР° продолжала исследования программы военных лет РїРѕ магнетронам для генерации миллиметровых волн, Рё эти исследования поддерживались военными. Таунс быстро стал авторитетом РІ области радиоспектроскопии Рё РІ использовании микроволн для изучения свойств веществ. Р’ эти РіРѕРґС‹ Таунс интересовался созданием атомных часов СЃ использованием поглощения микроволн РІ аммиаке для стабилизации частоты.
В 1950 г. он стал профессором физики. В это же время военные организовали специальный исследовательский комитет по изучению миллиметровых волн и предложили Таунсу быть председателем. Таунс проработал на этом посту почти два года и не был удовлетворен его деятельностью. В один из дней, когда он был по делам комитета в Вашингтоне, как он вспоминал:
По совпадению, я был в номере отеля с моим другом и коллегой Артуром Шавловым, который позднее занялся лазером. Я проснулся рано и, чтобы не беспокоить его, вышел, сел на скамейку в парке и стал ломать голову над тем, почему мы терпим неудачи (в создании генератора миллиметровых волн). Было ясно, что требуется найти способ сделать очень маленький, прецизионный резонатор с возможностью связать энергию, заключенную в нем, с электромагнитным полем. Но это наводило на мысль о молекуле, а техническая трудность создания такого маленького резонатора и обеспечения его энергией означала, что надо найти способ использовать молекулы! Пожалуй, свежий утренний воздух побудил меня внезапно увидеть, как это можно сделать. За несколько минут я набросал схему и рассчитал требования к молекулярно-пучковой системе, с помощью которой можно отделить молекулы с высокой энергией от молекул с низкой энергией, и затем пропустить их через резонатор, в котором заключено электромагнитное излучение, стимулирующее дальнейшее излучение от молекул. Тем самым обеспечивалась обратная связь и непрерывная генерация[5].
РћРЅ думал, что был малый шанс РЅР° успех, Рё РЅРµ РіРѕРІРѕСЂРёР» РѕР± этом РЅРёРєРѕРјСѓ РЅР° собрании комитета. Осенью 1951 Рі., РІ Колумбии, Рє нему обратился Джеймс Гордон Р·Р° темой для своей диссертации. Рљ проекту, связанному СЃ темой диссертации Гордона, Таунс РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» присоединиться Херба Цайгера, поскольку Таунс понимал, что будет полезным участие эксперта РїРѕ молекулярным пучкам, который уже закончил диссертацию. Обучение Рё работа Цайгера РІ Колумбийском университете финансировалось корпорацией Юнион Карбайд. Двумя годами РґРѕ начала работы над мазером, РѕРґРёРЅ сотрудник компании, обладающий пророческим даром, СѓРіРѕРІРѕСЂРёР» руководство дать 10 000 $ тому, кто сможет установить, как получить интенсивное Р�Рљ-излучение, СЃ целью выяснить возможности использования этого излучения для иницирования специфических химических реакций. Несмотря РЅР° то, что Таунс настаивал, что РѕРЅ РЅРµ знает, как это сделать, хотя это Рё очень интересно, корпорация предоставила ему деньги для оплаты ассистентов (РїРѕСЃС‚-РґРѕРєРѕРІ). Рто дало возможность для работы Шавлова Рё Цайгера РІ РіРѕРґС‹ перед запуском мазера. Таким образом, Цайгер присоединился Рє проекту, предложенному Таунсом.
Р’ конструкции Таунса резонатор был очень важен. Действительно, требовалось удерживать РІ нем электромагнитную энергию как можно большее время для взаимодействия СЃ молекулами (С‚.Рµ. потери РІ нем должны быть минимальными). Детальные расчеты, сделанные осенью 1951 Рі., показали, что очень трудно сделать резонатор для длин волн РІ половину миллиметра, как первоначально полагал Таунс, надеясь использовать дейтерированный аммиак. Поэтому РѕРЅ решил сосредоточить СЃРІРѕРµ внимание РЅР° излучении СЃ длиной волны 1,25 СЃРј обычного аммиака, поскольку для такой длины волны уже существовали компоненты (резонатор), требуемые для успеха. Рто решение означало, переключить проект СЃ цели добиться успеха РІ области миллиметровых волн РЅР° демонстрацию РЅРѕРІРѕРіРѕ принципа генерации РІ уже известной спектральной области.
Основная идея представляется очень простой, теперь, РєРѕРіРґР° РјС‹ подготовлены Рє ней Рё можно только удивляться, почему никто РЅРµ додумался РґРѕ этого прежде. Если РјС‹ рассматриваем системы СЃ РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как это делал Вебер, то РјС‹ знаем, что мощность, излучаемая Р·Р° счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n2 РІ верхнем состоянии, Р° поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n2 РІ нижнем состоянии. Р�тоговая мощность, которая является разностью поглощенной Рё испущенной мощности, как РјС‹ видели, пропорциональна разности n1 n2. РџСЂРё термическом равновесии, n1 всегда больше, чем n2 Рё, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. РќРѕ давайте рассмотрим, что случиться, если РјС‹ каким-РЅРёР±СѓРґСЊ СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј отберем частицы так, что отправим РІ РѕРґРЅСѓ сторону только те, которые находятся РІ верхнем состоянии. Теперь число n2 будет больше, чем n1 Рё поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, РјС‹ получаем устройство, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРµ испускать излучение СЃ частотой, соответствующей разности энергий между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Рто устройство является генератором, Рё над РЅРёРј-то Рё размышлял Таунс.
Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ атома азота Рё трех атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, NH3) представляет треугольную пирамиду (СЂРёСЃ. 41, Р°) СЃ тремя атомами РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ углах основания Рё атомом азота РЅР° вершине. Рти три атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° можно рассматривать лежащими РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости, Р° атом азота лежащим РІ РґСЂСѓРіРѕР№ плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Потенциальная энергия атома азота РІ зависимости РѕС‚ его расстояния РѕС‚ плоскости атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° показана РЅР° СЂРёСЃ 41, Р±. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет РјРёРЅРёРјСѓРј РїРѕ РѕР±Рµ стороны РѕС‚ этой плоскости СЃ потенциальным барьером, имеющим максимум РІ плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль РѕСЃРё, перпендикулярной этой плоскости, Рё может переходить РёР· положения вверху плоскости РІ положение ниже ее, Рё обратно. Такой переход обозначается как инверсия. РљСЂРѕРјРµ того, молекула вращается РІРѕРєСЂСѓРі взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, РІСЃРµ колебательные Рё вращательные движения квантованы, Рё поэтому РёС… энергии представляются дискретными энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 41, Р±.
Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)
Гордон, Цайгер Рё Таунс, после некоторой модификации РёС… идеи, решили наблюдать переход между нижней колебательной парой РІРѕ вращательном состоянии СЃ тремя числами углового момента около каждой РёР· осей, который обозначается 3-3 состояние. Ртому переходу соответствует частота 23 830 МГц.
Р�дея Таунса заключалась РІ том, чтобы получить некоторым СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј пучок молекул, например нагревом, Р° затем отделить тех, которые РІ возбужденном состоянии, РѕС‚ тех, которые РЅР° нижнем состоянии. Рто можно было сделать, учитывая интересное свойство молекулы: РїСЂРё приложении электрического поля молекула деформируется Рё возникает малый дипольный момент для РѕР±РѕРёС… чисел вращательной пары, РЅРѕ противоположного знака. Если электрическое поле неоднородно, получается тот же эффект, который наблюдался Штерном Рё Герлахом, Рё РЅР° молекулу будет действовать сила СЃ противоположным направлением для каждого числа пары. Проект предусматривал использовать сильное электростатическое неоднородное поле, действующее РЅР° пучок молекул аммиака, Рё сфокусировать возбужденные молекулы этого пучка РІ малое отверстие полости резонатора, настроенного точно РЅР° 23 830 МГц.
В 1950-е гг. Вольфганг Поль (1913-1993) вместе с Хельмутом Фридбургом и Гансом Беневитцем спроектировали специальные электрические и магнитные линзы (квадрупольные) для фокусирования атомных и молекулярных пучков. Таунс думал об использовании таких линз для разделения молекул. Поля таких линз и были использованы в аммиачном мазере и в водородном мазере. Позднее Поль разработал трехмерную версию, способную удерживать ионы в малой области (ловушка Поля). С помощью этого устройства можно исследовать одиночные атомы, что было невозможно раньше. За это Поль был награжден в 1989 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Рамси и Гансом Демельтом, которые также построили подобную ловушку, но другой конструкции.
