Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 36 (всего у книги 52 страниц)
Генерация от ускоренных электронов
В начале 1951 г. физик Ганс Мотц (19091987) 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.
РџРѕРґ действием магнитного поля электрон движется уже РЅРµ РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№, Р° РїРѕ РґСѓРіРµ окружности. РљРѕРіРґР° электрон попадает РІ поле противоположного знака, РґСѓРіР° изгибается РІ противоположном направлении, Рё траектория становится последовательностью полуокружностей, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 48. Рлектроны, движущиеся РїРѕ таким искривленным траекториям, должны испускать излучение согласно законам электромагнетизма. РџСЂРё определенных условиях излучение РѕС‚ отдельных сегментов может стать непрерывным цугом волн. Поскольку электроны РІ пучке движутся СЃ очень высокой скоростью, необходимо учитывать теорию относительности. РћРЅР° показывает, что благодаря ограничениям, следующим РёР· этой теории, длины волн испускаемого излучения связаны СЃ радиусами полуокружностей, РЅРѕ РјРЅРѕРіРѕ короче, попадая РІ область миллиметров или субмиллиметров, Р° РїСЂРё особых конструкциях даже РІ видимый спектр Рё еще короче длин волн. Р�нтересной особенностью такого устройства является то, что РїСЂРё изменении энергии электронов или РїСЂРё изменении расстояния между полюсами магнитов, можно изменять длину волны, С‚.Рµ. получать источник СЃ 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 РџСЂРёСЂРѕРґР°, как часто бывает, показала, что ничто РЅРµ РЅРѕРІРѕ РїРѕРґ Луной! Несколько лет назад РІ радиоастраномии ученые стали проводить наблюдения РЅР° частоте 1420 МГц, которая соответствует испусканию газообразного РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ межзвездных облаках. Рто конкретное радиоизлучение представляет спонтанное испускание определенного перехода РІ атоме РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РїСЂРё термическом равновесии СЃ довольно РЅРёР·РєРѕР№ температурой (менее, чем 100 Рљ). РџСЂРё этом нет никаких особенностей мазерного усиления. Рти исследования были распространены РЅР° РґСЂСѓРіРёРµ частоты Рё привели Рє обнаружению присутствия различных межзвездных газов.
Р’ 1965 Рі. радиоастрономическая РіСЂСѓРїРїР°, руководимая профессором Р“. Вивером РёР· Беркли (Калифорния, РЎРЁРђ), наблюдала радиоизлучение около 1670 МГц, приходящее РѕС‚ молекул РћРќ, расположенных вблизи некоторых звезд. Рто излучение состоит РЅР° самом деле РёР· четырех известных переходов РћРќ РЅР° 1612, 1665, 1667 Рё 1720 МГц. Если излучение РЅР° этих линиях РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РЅР° спонтанных переходах, РѕРЅРё должны иметь интенсивности РІ отношениях 1:5:9:1, как следует РёР· известных вероятностей для этих четырех переходов. Однако наблюдаемые отношения интенсивностей были совершенно РґСЂСѓРіРёРјРё Рё изменялись довольно быстро РІРѕ времени (пределах временной шкалы месяцев). Распределение испускаемых частот этих линий было РЅРµ гладким, РЅРѕ РёРЅРѕРіРґР° содержало очень СѓР·РєРёРµ компоненты. Рти ширины линий были такими, что температуры, соответствующие РёРј, должны были Р±С‹ быть менее 50 Рљ. Р’ то же время, интенсивность была столь высока, что температура источника должна была Р±С‹ быть 1012 Рљ. Было очевидно, что испускание РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ либо РѕС‚ крайне СѓР·РєРёС… точечных источников, либо получается РІ РІРёРґРµ 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, РІ ядрах более чем 50 галактик, были открыты мазеры, которые РІ миллион раз ярче, чем те, что находятся РІ самих галактиках. Рти мега мазеры, как РёС… называют, РІ некоторых случаях, вероятно, накачиваются через механизм инфракрасного излучения, РЅРѕ РІ РґСЂСѓРіРёС… случаях механизм накачки неясен.
�зучение этих мазеров, интересное само по себе, обещает быть полезным для понимания астрофизических процессов эволюции звезд.
ГЛАВА 11
ПРЕДЛОЖЕН�Е ОПТ�ЧЕСКОГО МАЗЕРА
Таунс РІ СЃРІРѕРёС… исследованиях собирался построить аммиачный мазер РЅР° длине волны около 0,5 РјРј, Р° затем обратился Рє РјРЅРѕРіРѕ большей длине волны 1,25 СЃРј, ради упрощения конструкции. Р’СЃРµ РґСЂСѓРіРёРµ мазеры, построенные после этого, работали РІ сантиметровом диапазонах. РќРµ было генератора, основанного РЅР° вынужденном излучении, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРіРѕ испускать излучение РІ миллиметровом Рё субмиллиметровом диапазоне. Хотя РґСЂСѓРіРёРµ типы традиционных генераторов, таких, как клистроны, магнетроны Рё лампы бегущей волны, улучшались Рё позволяли дойти РґРѕ чуть более, чем 1 РјРј, эта длина волны была самая короткая для этих устройств, Р° РёС… мощности были очень РЅРёР·РєРё. Фактически РЅРµ было реальных запросов РЅР° когерентные излучатели РІ миллиметровом Рё инфракрасном диапазон. РћРґРЅРѕ РёР· важных применений ночное видение использовало инфракрасные лучи, испускаемые самими нагретыми предметами, Рё требовало лишь хороший приемник, РЅРѕ РЅРµ нуждалось, РІ каком Р±С‹ то РЅРё было излучателе. Для РґСЂСѓРіРѕРіРѕ важного применения, спектроскопии, обычные инфракрасные лампы уже обладали достаточной мощностью. Поэтому РЅРµ было никакого смысла разрабатывать новые источники. Однако, исследователи любопытны Рё любят расширять границы знания. Так что, даже без какой-либо поспешности, как только был запущен мазер, стали думать, Р° нельзя ли принцип его действия использовать для создания генератора света, который стали называть оптическим мазером. Ртой задачей занялись независимо РІ РЎРЁРђ Рё РІ бывшем Советском РЎРѕСЋР·Рµ.
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 Рё РІ микроволновой области, Рё РІ области существенно более коротких длинах волн. Микроволновые резонаторы имеют размеры, сравнимые СЃ длиной волны, С‚.Рµ. РїРѕСЂСЏРґРєР° сантиметра. РЎ помощью существующей технологии изготовления таких резонаторов РЅРµ представляет труда. Р’ случае света, длина волны РїРѕСЂСЏРґРєР° 1 РјРєРј или даже меньше. Поэтому изготовление резонатора таких размеров представлялось невозможным. Без резонатора невозможно получить существенное взаимодействие между частицами Рё излучением, вынужденное излучение слабо, Рё теряются принципиальные особенности устройства. Однако были рассмотрены альтернативные методы, способствующие эффективному взаимодействию между возбужденными частицами Рё излучением. Рто была система, состоящая РёР· РґРІСѓС… полупрозрачных плоских зеркал, параллельных РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіСѓ. Такая система уже использовалась РІ спектроскопии для измерений длин волн СЃ высокой точностью. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј далее, эта система является настоящим резонатором, хотя РґСЂСѓРіРѕР№ РІРёРґ ее использовался для микроволновой области частот[6]. РћРЅР° была придумана РІ 1899 Рі. РґРІСѓРјСЏ французскими учеными РЎ. Фабри (18671945) Рё Рђ. Перо (1863-1925). Сегодня эту систему РґРІСѓС… зеркал называют интерферометром ФабриПеро, или просто Фабри-Перо. Если излучение распространяется взад Рё вперед между зеркалами, то РёР·-Р·Р° интерференции внутри резонатора имеются лишь определенные длины волн. РџСЂРё пропускании излучения через такую систему зеркал получается система концентрических колец, радиусы которых зависят РѕС‚ длины волны. Ртот интерферометр СЃРѕ времен Фабри Рё Перо используется для прецизионного исследования спектров (например, тонкой Рё сверхтонкой структуры).
С другой стороны, если внутри резонатора ФабриПеро 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.
