Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 33 (всего у книги 52 страниц)

Таунс надеялся отселектировать РІ пучке больше молекул, находящихся РІ верхнем состоянии, РѕС‚ молекул РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии. Ртим СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј РѕРЅ РјРѕРі Р±С‹ реализовать то, что РјС‹ называем инверсией населенности, Рё каждая молекула, переходя РІ нижнее состояние СЃ испусканием кванта, могла Р±С‹ заставить РґСЂСѓРіРёРµ молекулы делать то же самое. Р’ результате резонатор РјРѕРі Р±С‹ испускать излучение РЅР° частоте около 24 000 МГц. Таунс четко понимал необходимость резонатора, который связывает излучение СЃ возбужденной средой.

Таунс осознавал свою ответственность, в частности, перед Гордоном, который выполнял работу своей докторской диссертации в рамках проекта, результат которого не гарантировался. Я не уверен, что работа получится, но даже в этом случае мы сможем сделать другие вещи, в результате Таунс пообещал Гордону, что даже если метод не сработает, он сможет использовать установку для исследований спектров микроволнового поглощения аммиака. Таким образом, Гордон работал в двух направлениях. Он мог изучить сверхтонкую структуру аммиака (разделение энергетических состояний на многие подуровни из-за взаимодействия между электроном и ядром) с большей точностью, чем это удавалось прежде.

Достижения в работе были описаны в квартальных отчетах Факультета и содержали некоторые данные, интересные для тех, кто занимался физикой микроволн. Первая публикация с упоминанием этого мазерного проекта появилась в сообщении Цайгера и Гордона 31 декабря 1951 г., которое было озаглавлено Молекулярный Пучковый Генератор. В нем сообщались предварительные расчеты основных элементов этого генератора.

В течение двух лет группа Таунса продолжала работать. За это временя, два друга Таунса приходили в лабораторию и старались уговорить его бросить эту чепуху и прекратить тратить казенные деньги (Таунс уже потратил 30 000 $, предоставленных военными).

Наконец, РІ РѕРґРёРЅ РёР· дней апреля 1953 Рі., Джеймс Гордон вбежал РЅР° спектроскопический семинар, который РїСЂРѕРІРѕРґРёР» Таунс, СЃ РєСЂРёРєРѕРј: РѕРЅ работает! Р�стория РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что Таунс, Гордон Рё РґСЂСѓРіРёРµ студенты (Цайгер Рє этому времени оставил Колумбию Рё перешел РІ Линкольновскую лабораторию Рё его заменил Рў. Ванг) отправились РІ ресторан, чтобы отметить событие Рё придумать для РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства латинское или греческое название (последнее без успеха). Только несколько дней спустя РѕРЅРё СЃ помощью некоторых студентов придумали аббревиатуру МАЗЕР усиление микроволн СЃ помощью стимулированного излучения (MASER Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Рто название появилось РІ заголовке работы, опубликованной РІ Physical Review, РЅРѕ недоброжелатели расшифровывали это, как СЃРїРѕСЃРѕР±С‹ получения поддержки для дорогостоящих исследований {Means of Acquiring Support for Expensive Research)

Блок-схема аппаратуры показана РЅР° СЂРёСЃ. 42. Через отверстие РІ маленькой печи СЃ точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. Р’ этом пучке содержатся молекулы, находящиеся как РІ нижнем, так Рё РІ верхнем энергетическом состоянии, причем, что вполне естественно, РІ нижнем состоянии находится несколько больше молекул. Пучок РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через систему электродов фокусирующей системы. Рти электроды создают сильное неоднородное электрическое поле, которое разделяет молекулы. Р�С… действие заключается РІ том, что молекулы РІ верхнем состоянии продолжают двигаться, прижимаясь Рє РѕСЃРё системы, Р° молекулы РІ нижнем состоянии выталкиваются РѕС‚ этой РѕСЃРё. Такая конструкция позволяет РЅРµ только разделить молекулы РїРѕ состояниям, РЅРѕ Рё несколько сфокусировать молекулы РІ верхнем состоянии РІ хорошо коллимированный пучок. Ртот пучок РІС…РѕРґРёС‚ РІ объемный резонатор, точно настроенный РЅР° частоту перехода аммиака, С‚.Рµ. РЅР° 23 830 МГц. Если РІ резонатор РІС…РѕРґРёС‚ достаточное число молекул РІ верхнем состоянии, возникает непрерывная генерация, которую можно вывести РёР· резонатора обычной радиочастотной техникой. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, система может быть РІ условиях, РєРѕРіРґР° число молекул недостаточно, чтобы поддержать генерацию, РЅРѕ достаточно, чтобы усиливать внешний сигнал. Р’ этом случае устройство работает как усилитель, разумеется, РЅР° той же частоте. Р’СЃСЏ система помещается РІ кожух (РЅРµ показан РЅР° СЂРёСЃ.), РІ котором поддерживается высокий вакуум, нужный для того, чтобы предотвратить столкновения молекул аммиака СЃ молекулами РІРѕР·РґСѓС…Р°, что могло Р±С‹ привести Рє потере энергии возбуждении РІ результате обмена энергией. Разумеется, реальная система РЅРµ столь проста, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 42.

Рис. 42. Схема аммиачного мазера

Принципиальной характеристикой мазера является крайне РЅРёР·РєРёР№ уровень шумов как РІ режиме генерации, так Рё РІ режиме усиления. Рто означает, что сигнал очень чистый Рё ясный, Рё РІСЃРµ фотоны испускаются когерентно. Лишь очень малое число фотонов испускается хаотически РІ результате спонтанного, Р° РЅРµ вынужденного излучения. Р’Рѕ РјРЅРѕРіРёС… электронных устройствах шумы возникают РёР·-Р·Р° флуктуации числа электронов, которые создают электрический ток. Рти флуктуации пропорциональны температуре Рё РЅРµ зависят РѕС‚ конкретного устройства. Поэтому Сѓ инженеров принято характеризовать шумы устройств, относя РёС… Рє шумам эквивалентной температуры, С‚.Рµ. температуре, РїСЂРё которой через электрическое сопротивление протекает столько электронов, сколько нужно, чтобы получить наблюдаемые флуктуации. Р’ то время, как для сопротивления обычной цепи температура шума практически является комнатной (С‚.Рµ. 300 Рљ), для мазера эквивалентная температура шумов очень низкая, РїРѕСЂСЏРґРєР° нескольких Рљ.

Таунс сразу же РїРѕРЅСЏР», что РѕРґРЅРёРј РёР· важных применений мазеров РЅР° молекулярных пучках должна быть молекулярная спектроскопия. Молекулярные пучки уже РІ начале 1950-С… РіРі. рассматривались спектроскопистами, изучающими газы. Однако была проблема. Специфика получения молекулярного пучка РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє малой плотности молекул РІ ячейке спектрометра. РљСЂРѕРјРµ того, молекулы РІ пучке находятся РІ термическом равновесии или близко Рє нему, Р° это значит, что процессы поглощения Рё излучения РїРѕ отношению внешнего излучения почти равные. Следовательно, сигнал поглощения будет слабым, поскольку число молекул РІ нижнем состоянии лишь слегка превосходит число молекул РІ верхнем состоянии. Р’ пучке, который получал Таунс, РІСЃРµ молекулы селектировались РїРѕ РёС… энергетическим состояниям. Рто РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє тому, что сигнал увеличивается РІ сто раз. Рто позволяло Гордону использовать принцип мазера для спектроскопических исследований.

Мощность первого мазера составляла только 0,01 РјРєР’С‚. Рто очень мало, РЅРѕ испускалась очень узкая линия. Чтобы определить, насколько чиста испускаемая частота, Таунс Рё его РіСЂСѓРїРїР° построили второй мазер, чтобы сравнить частоты, испускаемые РґРІСѓРјСЏ независимыми мазерами. Р’ начале 1955 Рі. РѕРЅРё установили, что РІ течение РѕРґРЅРѕР№ секунды частоты различались только РЅР° 4 части РѕС‚ 10¹², Р·Р° больший интервал около 1 часа частоты различались лишь РІ пределах нескольких частей РЅР° 10¹⁰.

Рти результаты заставляли предполагать, что мазер является оптимальным кандидатом РЅР° роль прецизионного стандарта частоты Рё для создания атомных часов. Р�сследования мазеров стали распространяться среди РґСЂСѓРіРёС… лабораторий РІ университетах, государственных учреждениях Рё промышленности. Последние были РїРѕРґ влиянием военных целей. Однако было только около десятка РіСЂСѓРїРї СЃ малым числом исследователей Рё СЃРѕ СЃРєСЂРѕРјРЅРѕР№ поддержкой.

Русский подход к мазеру

Р’ то время, РєРѕРіРґР° эти впечатляющие результаты были получены РІ РЎРЁРђ, что же происходило РЅР° РґСЂСѓРіРѕР№ стороне земного шара, РІ Советском РЎРѕСЋР·Рµ, полным военных секретов Рё отгороженным непроницаемым железным занавесом? Р’ РњРѕСЃРєРІРµ, недалеко РѕС‚ центра, располагался РѕРґРёРЅ РёР· самых больших институтов РІ стране Физический институт (существующий Рё поныне), названный именем РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· известнейших СЂСѓСЃСЃРєРёС… ученых, знаменитого Лебедева. Р’ этом знаменитом Физическом институте РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева (Р¤Р�РђРќ) работали тысячи исследователей. Р�нститут находится РІ управлении могущественной Р РѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕР№ Академии наук. РћРЅ был организован РІ начале 1930-С… РіРі. физиком Сергеем Р�вановичем Вавиловым (1891 1951). Вавилов известен СЃРІРѕРёРјРё достижениями РІ оптике РІ области исследований люминесценции, С‚.Рµ. испускания света некоторыми определенными веществами РїСЂРё РёС… освещении. Вавилов сформулировал законы этого явления. Р’ 1934 Рі., РєРѕРіРґР° Павел Алексеевич Черенков (19041990), аспирант, работающий над своей диссертацией, открыл, что электроны, распространяющиеся РІ РІРѕРґРµ, испускают слабое голубое излучение, Вавилов, который был его научным руководителем Рё помогал проводить исследования, пришел Рє заключению, что это РЅРµ люминесценция Рё приписал его Рє действию электронов. РџРѕ его инициативе, РґРІР° исследователя Р�нститута, Р�РіРѕСЂСЊ Тамм (1895 1971) Рё Р�лья Франк (19081990) дали полное теоретическое объяснение этого явления, показав, что заряженные частицы, которые движутся РІ среде СЃРѕ скоростью, превышающую скорость света РІ этой среде, испускают излучение. Ртот результат привел РёС… Рє получению Нобелевской премии РїРѕ физике вместе СЃ Черенковым. Р�нститут РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева дал шесть Нобелевских лауреатов РїРѕ физике, хорошо известных РІРѕ всем РјРёСЂРµ. Вавилов был директором РґРѕ самой своей смерти. Как организатор науки Рё президент Академии наук РѕРЅ внес огромный вклад РІ развитие науки РІ Советском РЎРѕСЋР·Рµ РІ трудный период сразу же после окончания Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. Р’Рѕ время, относящегося Рє нашей истории, РґРІР° сотрудника Р�нститута, Рђ.Рњ. РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІ Рё Рќ.Р“. Басов, интересовались решением спектроскопических проблем, используя молекулярные пучки.

Александр Михайлович Прохоров родился 11 июля 1916 г. в Атертоне (маленький город в Австралии) в семье революционного деятеля, который эмигрировал туда из ссылки в Сибирь в 1911 г. Семья Прохоровых возвратилась в Советский Союз в 1923 г. В 1939 г. А. М. Прохоров окончил Ленинградский университет и поступил в Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР. Он начал свою научную карьеру с изучения распространения радиоволн над поверхностью Земли.

Во время Второй мировой войны воевал, дважды был ранен и возвратился в �нститут в 1944 г. После войны, работая под руководством В.�. Векслера (19071966), он продемонстрировал в своей докторской диссертации, что синхротрон (ускоритель элементарных частиц) можно использовать в качестве источника когерентных электромагнитных колебаний в сантиметровом диапазоне. После получения докторской степени он возглавил коллектив молодых исследователей (среди которых был и Басов), работающих в области радиоспектроскопии.

После своей работы в области мазеров и лазеров (которую мы сразу же рассмотрим) он был в 1960 г. избран член-корреспондентом АН СССР, а в 1966 г. стал академиком. За свои научные заслуги он стал Героем Социалистического Труда, получил Ленинскую премию, а в 1964 г. стал лауреатом Нобелевской премии по физике вместе с Басовым и Таунсом. Он скончался 8 января 2002 г.

Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 г. в Усмани (городок вблизи Воронежа), в 480 км от Москвы на берегу реки того же названия. К началу Второй мировой войны он окончил среднюю школу в Воронеже и был призван на военную службу. Его сначала направили в Куйбышев, а затем в Киев, в училище военных медиков, которое он окончил в 1943 г. в звании лейтенанта медицинской службы. Он служил в войсках химической защиты и был на фронте. Сразу же после войны, после возвращения из Германии, он осуществил свою мечту заниматься физикой, которую стал изучать еще будучи в армии. Он поступил в Московский инженерно-физический институт. Ровно через 20 лет после этого он стал академиком.

В 1948 г. Басов начал работать в лаборатории колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. Лабораторией в то время руководил М. А. Леонтович. В начале 1950-х гг. Басов вошел в группу Прохорова. После работы над мазером он внес важный вклад в развитие целого ряда лазеров. В 1973 г. он стал директором Ф� АН. Он также был членом Президиума Верховного Совета СССР. Н. Г. Басов скончался 1 июля 2001 г.

В это время Прохоров руководил исследованиями синхротронного излучения, т.е. света, который испускается электронами при их ускорении по круговой орбите в этом ускорителе. Басов стал работать над проектом по изучению этого явления. Затем Вавилов, который был директором института, предложил им включиться в радиоспектроскопию. В результате они построили радиоспектроскоп и стали проводить эксперименты, среди которых было изучение некоторых радиоактивных ядер.

Группу интересовала молекулярная спектроскопия колебательных и вращательных состояний. Всех беспокоила малая чувствительность спектроскопа. Дело в том, что населенности верхнего и нижнего уровней почти одинаковы и отличаются всего лишь на одну тысячную, и это дает малый коэффициент поглощения. Группа надеялась изменить такую разность населенностей, что позволило бы увеличить чувствительность в тысячу раз. Они также изучали возможность использовать микроволновые спектры поглощения для создания стандартов частоты и времени. Точность микроволнового стандарта частоты определялась разрешающей способностью радиоспектроскопа. Она, в свою очередь, исключительно зависит от ширины самой линии поглощения. Было найдено, что эффективным способом сужения линии поглощения является использование спектроскопов в сочетании с молекулярными пучками. Однако, как говорилось, чувствительность спектроскопов ограничивалась малой разностью населенностей уровней в микроволновой области. Поэтому на этой стадии работы возникла идея: нельзя ли искусственно существенно изменить населенности уровней. Рассматривалось использование эффектов разделения из-за различного отклонения в неоднородных электрических или магнитных полях. Для этого требуются молекулы с большим дипольным моментом, и они выбрали флюорит цезия (CsF). В то же время они понимали, что для изучения энергетических уровней молекул они могут использовать не только процессы поглощения, которые традиционно используются в спектроскопии, но и излучения возбужденных молекул. Пропускание пучка молекул, находящихся в верхнем состоянии, через резонатор, так, чтобы поле в нем взаимодействовало с молекулами пучка и вызывало генерацию волн, было теоретически описано ими в работе, представленной на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. На эту работу Прохоров и Басов ссылались в своей обзорной статье, написанной в 1955 г. На этой конференции они обсуждали возможность возбуждения таким способом молекул CsF. Во время обсуждения также было предложено использовать аммиак, который был хорошо известен спектроскопистам во всем мире.

Первая опубликованная работа РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІР° Рё Басова была послана РІ Журнал экспериментальной Рё теоретической физики РІ декабре 1953 Рі. Рё напечатана РІ октябре 1954 Рі., С‚.Рµ. после публикации статьи Таунса Рѕ мазере. Задержка РІ публикации получилась РёР·-Р·Р° желания авторов исправить некоторые ошибки РІ формулах. Рта работа РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІР° Рё Басова содержала детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков РІ радиоспектроскопии. Авторы показали, что молекулы РѕРґРЅРѕРіРѕ итого же вещества, находящиеся РІ пучке РІ разных энергетических состояниях, РјРѕРіСѓС‚ быть разделены путем пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. Молекулы, разделенные РїРѕ энергетическим состояниям, затем пропускаются через микроволновый резонатор, РіРґРµ получается поглощение или усиление (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІ Рё Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который РѕРЅРё назвали молекулярным генератором.

Несмотря на изоляцию очень малому числу физиков разрешалось выезжать заграницу, российские ученые получали информацию об исследованиях в мире благодаря научным журналам. Басов, который для своей докторской диссертации активно работал в новой области квантовой радиофизики, как ее назвали в СССР (в США ее называли квантовой электроникой), как только прочел письмо Таунса, сообщающее о создании мазера, сразу же, спустя несколько месяцев, построил первый советский мазер.

Персональные контакты были позднее. Прохоров впервые встретился с Таунсом в Великобритании в 1955 г. на конференции Фарадеевского общества, где представил работу, о которой мы упоминали, а Басов познакомился с Таунсом, [Павловым, Бломбергеном и многими другими на первой Международной конференции по квантовой электронике в Шаванга Лодж (штат Нью-Йорк, США) в сентябре 1959 г.

Как мы можем видеть, в отличие от того, что происходило в США, ни Басов, ни Прохоров не были знакомы с радарами и не занимались его исследованиями. Они пришли к концепции мазера из спектроскопии, и с общим желанием создать новые источники в диапазоне сантиметровых волн, что, кстати говоря, было их главной целью, когда они изучали синхротронное излучение. В этом отношении для них очень полезной была традиция российской научной школы, согласно которой поддерживались новые идеи, не заботясь об их немедленной практической реализации.