Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 35 (всего у книги 52 страниц)
Р РёСЃ. 44. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЂСѓР±РёРЅР° СЃ его РѕСЃСЊСЋ РїРѕРґ углом θ = 5444' РїРѕ отношению Рє магнитному полю
Рубиновый мазер сделал использование других кристаллов ненужными. �скусственный рубин был доступен, он прочен, удобен в эксплуатации, и с ним легко получалась перестройка частоты. В совершенствовании конструкции рубинового мазера активное участие в работе научного центра Bell Labs принял Жозеф Гёзик.
В течение 1957 г. и 1958 г. много мазеров было построено в нескольких лабораториях, включая Гарвард. В них использовались ионы хрома в кристаллах рубина. Рубины были использованы в большом числе типов мазеров с разными характеристиками. С 1958 г. многие мазеры были построены для использования в радиоастрономии или в качестве компонент приемников радаров. Почти все они были основаны на рубинах.
Мазеры, как только РѕРЅРё появились, вызвали большой интерес военных, которые думали использовать РёС… РІ качестве очень чувствительных приемников СЃ малым уровнем шумов. Растущей областью применений также стала радиоастрономия. Рассматривалось использование РёС… для обнаружения очень слабых сигналов, поскольку мазеры обладают весьма малыми шумами. Однако существовали Рё большие неудобства. Мазер, трехуровневая версия которого обладала наиболее подходящими характеристиками для этих применений, был достаточно мал Рё надежен РІ эксплуатации, РЅРѕ требовал охлаждения РґРѕ температуры жидкого гелия Рё помещался РІ сильное магнитное поле. Рта система охлаждения Рё магнит были РіСЂРѕРјРѕР·РґРєРёРјРё Рё тяжелыми (СЂРёСЃ. 45). Представлялось, что такое устройство РЅРµ годится РЅР° поле Р±РѕСЏ Рё для установки РЅР° самолет. Также Рё для радиоастрономических применений его вес Рё габариты были нежелательны, имея РІ РІРёРґСѓ, что для полного использования его РЅРёР·РєРёС… шумовых характеристик приемник должен был быть смонтирован РІ центре гигантской антенны (СЂРёСЃ. 46). Р’ противном случае пришлось Р±С‹ использовать систему передачи сигнала РѕС‚ антенны Рє мазеру, Р° ее собственные шумы свели Р±С‹ РЅР° нет его преимущества.
Также и для спутниковой связи, где спутники используются для передачи или ретрансляции сигналов от них к Земле, мазеры не оправдали надежд. Были разработаны новые полупроводниковые устройства, параметрические генераторы, которые хотя и не обладали столь малыми шумами, как мазеры, но были легки и компактны и не требовали охлаждения и сильных магнитных полей,
В конце концов применения мазеров ограничилось очень малым числом. Однако бурная активность вокруг них, полученные новые знания, и первые демонстрации практического применения вынужденного излучения содействовали появлению и развитию лазеров со всеми последующими применениями.
Рис. 45. Основные элементы твердотельного мазера
Рис. 46. Типичная параболическая антенна, используемая в радиоастрономии, телеметрии, радиолокации и др., с мазером, установленным в фокальной точке
Тем РЅРµ менее для мазеров был момент славы. Мазер РЅР° СЂСѓР±РёРЅРµ был использован Рђ. Пензиасом Рё Р . Вильсоном РІ РёС… открытии РІ 1965 Рі. излучения черного тела СЃ температурой 3 Рљ, которое является следствием Большого Взрыва Вселенной (реликтовое излучение). РћР±Р° были удостоены Р·Р° СЃРІРѕРµ открытие Нобелевской премии РїРѕ физике РІ 1978 Рі. вместе СЃ Рџ.Р›. Капицей (СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёР№ физик, который получил эту премию Р·Р° СЃРІРѕРё исследования РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах, которые привели его Рє обнаружению необычных свойств жидкого гелия, Р° именно его свертекучести). Рта история интересна тем, что показывает, что Нобелевскую премию можно получить почти случайно.
РђСЂРЅРѕ Рлан Пензиас родился РІ Мюнхене РІ 1933 Рі. Рё РІ возрасте шести лет был вместе СЃРѕ всей семьей депортирован РІ Польшу, откуда РѕРЅРё эмигрировали сначала РІ Англию, Р° затем прибыли РІ 1940 Рі. РІ РЎРЁРђ. Здесь РѕРЅ стал инженером-С…РёРјРёРєРѕРј, Рё после женитьбы Рё службы РІ американской армии поступил РІ 1956 Рі. РІ Колумбийский университет, РіРґРµ РѕРЅ занимался физикой СЃ Раби, Кушом Рё Таунсом. Р’ качестве темы диссертации Таунс дал ему задание построить мазерный усилитель для эксперимента РїРѕ его собственному выбору РІ радиоастрономии.
В 1961 г. Пензиас после завершения диссертации пытался получить работу в Bell Labs, предполагая использовать ее уникальное оборудование для завершения своих наблюдений, которые он получил в своей диссертации. Директор радиолаборатории предложил ему постоянное место с условием, что он может уйти, когда пожелает. Таким образом, он стал сотрудником Bell Labs, и оставался там до своей отставки в 1998 г.
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 СЃ Бернардом Бурке РёР· MIT, который РІСЃРїРѕРјРЅРёР» Рѕ теоретических исследованиях излучения РІРѕ Вселенной, проводимых Рџ. Пиблесом РёР· РіСЂСѓРїРїС‹ профессора Р . Дике РІ Принстоне. Пензиас РїРѕР·РІРѕРЅРёР» Дике, Рё РѕРЅ прислал ему работу Пиблеса. Р’ ней, Пиблес, следуя предположениям Дике, рассчитал, что Вселенная должна быть наполнена реликтовым излучением черного тела СЃ минимальной температурой около 10 Рљ, остатком первобытного взрыва Вселенной (Большой Взрыв). Р’ 1948 Рі. Джордж Гамов уже выполнил расчеты первоначальных условий РІРѕ Вселенной. Модель Большого Взрыва предполагает, что Вселенная родилась РІ результате гигантского взрыва. Сразу же после него температура должна была быть исключительно высокой, РїРѕСЂСЏРґРєР° 10 тысяч миллионов градусов, Р° может быть Рё выше. РџСЂРё таких температурах, разумеется, никакие вещества РЅРµ существуют, РЅРѕ имеется некий бульон протонов, нейтронов, электронов, фотонов Рё РґСЂСѓРіРёС… элементарных частиц. Рти частицы, взаимодействуя РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј, начинают образовывать легкие элементы, Рё РІ то же время испускается РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ количество излучения СЃ очень большой энергией, Р° расширяющаяся Вселенная начинает охлаждаться. Р—Р° период, меньший чем несколько сотен тысяч лет, материя РІРѕ Вселенной РІСЃРµ еще остается ионизованной Рё сильно взаимодействует СЃРѕ светом. Р’ это время общая температура опускается РґРѕ 3000 Рљ Рё электрические заряды материи начинают рекомбинировать, образуя нейтральное вещество. РќР° этом этапе взаимодействие фотонов СЃ элементарными частицами прекращается, Рё электромагнитное излучение, заполняющее Вселенную, начинает охлаждаться РёР·-Р·Р° расширения Вселенной, причем длина волны сдвигается РІ сторону увеличения, Рё число фотонов РІ единице объема (С‚.Рµ. РёС… плотность) уменьшается. РћРґРЅРёРј РёР· следствий этого расширения, является уменьшение температуры пропорционально размерам Вселенной. Рђ температура, согласно распределению Планка, определяет спектральный состав излучения. Малые изменения РІ интенсивности РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє 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. �менно 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.
