Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 37 (всего у книги 52 страниц)
Предложение Фабриканта
Как мы уже видели, первым среди претендентов на идею создать лазер, был Валентин Александрович Фабрикант (19071991), который сделал свое предложение в Советском Союзе в 1940-х гг.
Фабрикант начал СЃРІРѕСЋ научную карьеру студентом физико-математического факультета РњРѕСЃРєРѕРІСЃРєРѕРіРѕ университета Сѓ Р“.РЎ. Ландсберга. После окончания его РѕРЅ поступил РЅР° работу РІРѕ Всесоюзный электротехнический институт (Р’РР�). Р’ 1932 Рі. его внимание было сконцентрировано РЅР° проблемах оптики Рё свойств электрического разряда РІ газах. РћРЅ опубликовал СЂСЏРґ работ, РІ которых РѕРЅ изучал спектральный состав Рё интенсивность излучения, испускаемого РїСЂРё электрических разрядах РІ газах, РІ частности, исследуя процессы столкновений между возбужденными атомами Рё электронами Рё передачи энергии, происходящие РІ этих процессах.
Атом или очень быстрый электрон может столкнуться СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом Рё передать часть своей энергии, которая, если РѕРЅР° достаточная, может возбудить ударяемый атом Рё перевести его РЅР° возбужденный уровень. Рто называется столкновением первого СЂРѕРґР°. Также существует РґСЂСѓРіРѕР№ РІРёРґ столкновения, который называется столкновением второго СЂРѕРґР°. Р’ нем атом, который уже находится РІ возбужденном состоянии сталкивается СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом, который находится РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии, Рё передает ему СЃРІРѕСЋ энергию. Р’ результате первый атом возвращается РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ состояние, Р° второй атом перепрыгивает РЅР° возбужденный уровень. РћР±Р° эти атома необязательно должны быть РѕРґРЅРѕРіРѕ Рё того же РІРёРґР°; существенно, что РѕР±Р° возбужденных СѓСЂРѕРІРЅСЏ имеют РѕРґРЅСѓ Рё ту же энергию. Если РґРІР° атома разного РІРёРґР°, то тогда возможно СЃ помощью этого механизма, что атомы РѕРґРЅРѕРіРѕ РІРёРґР°, скажем Рђ, возбуждают атомы РґСЂСѓРіРѕРіРѕ РІРёРґР°, скажем Р’, РїСЂРё этом возбужденный уровень может иметь больший номер, чем тот, что получился Р±С‹ РІ результате термических столкновений первого СЂРѕРґР°. Р’ результате, для атомов Р’ может получиться распределение РЅР° некоторых СѓСЂРѕРІРЅСЏС…, которое будет отличаться РѕС‚ распределения Максвелла Больцмана. Рта возможность Рё интересовала Фабриканта.
Р’ 1939 Рі. РѕРЅ стал изучать возможность получения населенностей возбужденных атомов, больших, чем следует РёР· распределения Больцмана, Рё старался показать, что РєРѕРіРґР° излучение РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через среду, РІ которой реализована такая инверсия, населенностей, то возможно наблюдать усиление излучения, Р° РЅРµ поглощение. После РѕРЅ предложил СЃРїРѕСЃРѕР± экспериментально реализовать инверсную населенность РїСЂРё разряде РІ смеси газов, РїСЂРё котором используются столкновения атомов. Рти результаты были включены РІ его докторскую диссертацию, которую РѕРЅ защитил РІ 1939 Рі. Р’ это время интересы Фабриканта были связаны СЃ получением экспериментальных доказательств существования вынужденного излучения. Позднее РѕРЅ рассматривал эту проблему более интенсивно, Рё 18 РёСЋРЅСЏ 1951 Рі., РѕРЅ подал вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё сотрудниками заявку РЅР° патент относительно РЅРѕРІРѕРіРѕ метода усиления света, озаглавленную: Метод усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, РІРёРґРёРјРѕРіРѕ, инфракрасного Рё радиоволн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, РІ которой СЃ помощью дополнительного излучения, или РґСЂСѓРіРёРјРё способами, создается избыток концентрации РЅР° верхних СѓСЂРѕРІРЅСЏС… РїРѕ отношению Рє равновесной концентрации атомов, РґСЂСѓРіРёС… частиц, или систем. Р’ патенте идеи использования вынужденного излучения для усиления излучения были развиты более конкретным образом.
Однако патент был опубликован лишь в 1959 г. и нет возможности знать, какая формулировка и описание были в первоначальной заявке. Формулировка 1959 г. очень общая и, практически, покрывает все, что относится к мазерам и лазерам. После подачи заявки Фабрикант и его сотрудники проводили экспериментальные работы в разных условиях, но без успехов. Хотя они и опубликовали экспериментальные подтверждения своих идей, но они были опровергнуты.
Работа Фабриканта имеет исторический интерес, поскольку он к своей концепции шел со стороны оптики, без прохождения фазы мазера. Работа не оказала никакого влияния на развитие и мазера и лазера, поскольку она стала известной, после того как оба устройства были реализованы. Даже в России отношение его коллег к его идее было, вероятно, не слишком серьезным, он сам не опубликовал свои результаты. Только после того, как были построены первые мазеры и лазеры, Правительство вспомнило о нем. В 1965 г. Академия наук СССРнаградила его Золотой медалью С.�. Вавилова за важные работы по оптике и газовому разряду. Он получил Государственную премию СССРза разработку люминесцентных ламп.
Оптическая бомба
Р’ Америке Роберт Дике (19161997) опубликовал РІ 1953 Рі. работу, РІ которой РѕРЅ ввел РЅРѕРІСѓСЋ концепцию, которую назвал сверхизлучением. Рто было стержнем обсуждения метода получения излучения СЃ характерной когерентностью. Поскольку РІ 1953 Рі. названий мазер Рё лазер еще РЅРµ существовало, Дике назвал СЃРІРѕРµ устройство оптической Р±РѕРјР±РѕР№, предсказывая, что РѕРЅРѕ СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕ испустить крайне короткий Рё интенсивный импульс света.
Дике был профессором физики в Принстонском университете и консультантом RCA. Он интересовался основными проблемами физики и сделал важный вклад в изучение гравитации, но также не был чужд изобретательства. Должность консультанта помогала ему облекать некоторые из своих идей в патенты или в проекты для лабораторий фирмы. Он интересовался методами сужения линии излучения атома водорода, чтобы изучить взаимодействие электрона с ядром, и это привело его к исследованию общих свойств когерентного излучения и к концепции сверхизлучения. Узкие линии были важны для создания стандартов частоты, и RCA имела контракт с военными, основанный на идее Дике получения когерентного излучения. Позднее, в 1960 г. он стал интересоваться гравитацией, а в 1964 г. теорией Большого Взрыва и побудил своего коллегу Пиблса рассчитать температуру излучения черного тела, оставшегося как память об этом великом взрыве. В начале февраля 1956 г. Дике описал в своей записной книжке три изобретения. Одно касалось исследований переходов в аммиаке для получения излучения в миллиметровой области. Второе было методом получения большей мощности за счет формирования источника молекул аммиака в виде кольца вокруг микроволнового резонатора. Третье предлагало использовать такой кольцевой мазер, чтобы генерировать волны в диапазоне от 0,25 до 0,03 мм, т.е. вплоть до инфракрасной области. Чтобы сделать свой мазер работающим в этой части спектра, Дике заменил микроволновый резонатор парой параллельных зеркал, т.е. эталоном ФабриПеро. На основе этой идеи в 1958 г. был выдан патент под названием: Молекулярные системы и методы усиления и генерации. Однако эта идея не получила развития.
Предложение Таунса и Шавлова
Тем временем в Советском Союзе Басов и Прохоров в Физическом институте им. П.Н. Лебедева исследовали, как продвинуть свойства мазера в видимый диапазон, а Гордон Голд (г. р. 1920), работал в США над своим собственным проектом, о котором мы расскажем после.
Но Чарльз Таунс и Артур Шавлов были первыми, кто опубликовали детальное и исчерпывающее предложение, которое и привело впоследствии к конструкциям лазеров разного типа.
В 1957 г. Чарльз Таунс приступил к рассмотрению проблем, связанных с созданием устройств, подобных мазеру, работающих на оптических длинах волн. Таунс проводил эту работу в тесном сотрудничестве с Артуром Шавловым, физиком, работающим в то время в Bell Labs.
Артур Шавлов родился РІ Маунт Верной (РќСЊСЋ-Йорк, РЎРЁРђ) 5 мая 1921 Рі. Сначала РѕРЅ хотел стать радиоинженером, РЅРѕ после окончания школы ему было всего лишь 16 лет, Р° РІ Канаде, РіРґРµ РѕРЅ жил РІ то время, РІ университет принимали СЃ 17 лет. РљСЂРѕРјРµ того, его семья РЅРµ могла поддержать его. Р’ конце концов РѕРЅ сумел получить стипендию для занятий РїРѕ физике Рё математике Рё СЃРјРѕРі учиться РІ университете Торонто, окончив его РІ 1941 Рі. Его увлекала исследовательская работа Рё РІ 1949 Рі. РѕРЅ получил РІ этом университете степень доктора. Р—Р° несколько месяцев РґРѕ этого РІ Оттаве РїСЂРѕС…РѕРґРёР» Конгресс Канадской Ассоциации Физиков, РІ котором РїСЂРёРЅСЏР» участие Р�. Раби, рассказав РѕР± удивительных открытиях Виллиса Лэмба Рё Поликарпа Куша, Р·Р° которые РѕРЅРё получили Нобелевскую премию. Молодой Шавлов загорелся Рё старался сделать РІСЃС‘, чтобы попасть РІ Колумбийский университет. Р�так, РѕРЅ написал Раби РІ Колумбийский университет, который предложил ему стипендию для работы РїРѕРґ руководством Таунса. Рта стипендия, как РјС‹ уже говорили, была назначена корпорацией Юнион Карбайд для поддержки прикладных исследований РІ области микроволновой спектроскопии для органической С…РёРјРёРё. Шавлов совсем РЅРµ интересовался органической химией, РЅРѕ очень интересовался микроволнами Рё работал СЃ клистроном. РџРѕ условиям стипендии РѕРЅ должен был работать СЃ человеком РїРѕ имени Чарльз Таунс, Рѕ котором РѕРЅ ничего РЅРµ слышал, РЅРѕ поскольку РѕРЅ хотел попасть РІ этот университет, РѕРЅ согласился.
В то время там работали не менее восьми будущих лауреатов Нобелевской премии: ядерный физик Хидеки Юкава (1907-1981), который получил Нобелевскую премию, спустя несколько месяцев после появления Шавлова, за предсказание существования мезона, элементарной частицы, необходимой для объяснения взаимодействия протонов и нейтронов в атомных ядрах; сын Бора Ог (г. р. 1922) который стал лауреатом в 1975 г. вместе с Моттельсоном и Рейнвотером за изучение атомных ядер; Раби, Таунс, Куш, Лэмб, о которых уже говорилось.
Шавлов был очень взволнован и постарался получить финансирование на 19491950 гг. В следующем году он остался в Колумбийском университете как научный сотрудник. Шавлов и Таунс стали друзьями и часто вместе обедали в профессорском клубе факультета. В течение этого периода Шавлов познакомился с младшей сестрой Таунса и женился на ней. После женитьбы он не мог работать с Таунсом (правила университета запрещали семейственность) и должен был найти работу. Его жена хотела оставаться вблизи Нью-Йорка, где она обучалась пению. Поэтому Шавлов поступил в 1951 г. в Bell Labs. Там работал Джон Бардин (1908-1991), один из изобретателей транзистора и дважды лауреат Нобелевской премии по физике. Одну он получил в 1956 г. с У. Шокли и У. Браттейном за их исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора. Вторую он получил в 1972 г. с Л. Купером и Дж. Шриффером за их совместную разработку теории сверхпроводимости. Бардин проводил исследования по сверхпроводимости и ему нужен был помощник. У Шавлова не было опыта работы с низкими температурами и с полупроводниками, тем не менее, он согласился. Но, когда он появился в Bell Labs, Бардин решил перейти в университет �ллинойса, и Шавлов остался один на один с тематикой, о которой он знал немного. В это время он также писал с Таунсом книгу по микроволновой спектроскопии и проводил почти каждую субботу в Колумбийском университете.
После изобретения лазера Шавлов переехал в Стэнфордский университет (Калифорния, США) профессором физики. Одна из причин была в том, что старший из его трех детей был аутизматиком, а лучшие институты по аутизму были в Калифорнии. В Стэнфорде он разработал много новых спектроскопических методик, основанных на использовании лазеров, в частности для высокого спектрального разрешения и прецизионной точности. Вместе с Теодором Хэншем, который в 1970 г. поступил в его лабораторию, он разработал новые методики для лазерной спектроскопии и предложил охлаждать атомарный газ с помощью лазерного излучения. За свои заслуги в области лазерной спектроскопии он был награжден в 1981 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Бломбергеном и К. Сигбаном.
Шавлов обладал хорошим чувством СЋРјРѕСЂР° Рё комедийным талантом. РћРґРЅР° РёР· его шуток заключалась РІ следующем. РћРЅ вытаскивал СЃРІРѕР№ знаменитый красный игрушечный пистолет, РІ котором был установлен маленький рубиновый лазер. Затем РѕРЅ шумно начинал надувать большой прозрачный шар, внутри которого также надувался голубой шарик СЃ большими ушами РњРёРєРєРё Мауса. Там мышь, внутри шарика РіРѕРІРѕСЂРёР» Шавлов. Р’С‹ знаете, это ужасно, что мыши проникают РІСЃСЋРґСѓ, Нам нужно использовать наш лазер. РћРЅ стрелял лучом пистолета, который прожигал внутренний шарик, оставляя внешний шар без повреждений. Рто очень важный эксперимент, РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР» Шавлов РѕРЅ показывает, что СЃ помощью лазера РјС‹ имеем свет, который РЅРµ только можем видеть, РЅРѕ которым можем воздействовать РЅР° вещи, которые РјС‹ РІРёРґРёРј, РЅРѕ Рє которым РЅРµ имеем РїСЂСЏРјРѕРіРѕ доступа. Артур Шавлов умер 28 апреля 1999 Рі.
В сентябре 1957 г. Таунс написал проект с общей идеей, согласно которой, впервые могла бы быть работа мазера на оптических частотах, т.е. так называемого оптического мазера. Он мог быть состоять из системы, в которой активная среда облучалась излучением подходящей длины волны (этот метод называется оптической накачкой). Она помещалась в полость, имеющей форму коробки с размерами около 1 см, т.е. много большими, чем длина волны света (~ 0,5 мкм). . Часть стенок удалялась, так, чтобы свет накачки мог попадать на активную среду, а другие серебрились, чтобы иметь высокий коэффициент отражения. Таунс уже видел недостатки своего устройства, но полагал, что оно способно работать. Активным веществом предполагался газ, и он первоначально думал о парах таллия, которые предполагалось освещать подходящим источником света.
14 сентября Таунс попросил аспиранта из Колумбии, Дж. Джормейна, расписаться в записной книжке, в которой описывался световой резонатор. Он состоял из стеклянного ящика с четырьмя отражающими стенками. Для возбуждения газа таллия внутри полости использовалась талливая спектральная лампа. Подпись требовалась для подтверждения приоритета изобретения.
В октябре того же года Таунс посетил Bell Labs, где он помогал в работе над мазерами, и встретился с Шавловым, которому изложил свои попытки сконструировать инфракрасный или оптический мазер. Шавлов заинтересовался, и Таунс пообещал дать ему копию своих записей. Они договорились сотрудничать. Шавлов предложил убрать все стенки резонатора, оставив только две, которые образуют интерферометр ФабриПеро. Будучи студентом в Торонто он использовал этот интерферометр для изучения сверхтонкой структуры атомных спектров. Позднее Шавлов писал: Я сразу вспомнил о интерферометре ФабриПеро, с которым имел дело. Я понимал, даже не рассматривая подробно теорию его действия, что он является, в некотором роде, резонатором, поскольку пропускает одни длины волн и не пропускает другие.
В заметках, которые Таунс дал Шавлову, он выполнил расчеты возбуждения атомов таллия ультрафиолетовым светом таллиевой лампой. Такие лампы использовались в лаборатории Курша в Колумбийском университете, для оптического возбуждения атомов таллия в экспериментах по резонансным явлениям в атомных пучках. Между 25 и 28 октября Таунс обсуждал с Гордоном Голдом, студентом Куша, который работал с атомными пучками и использовал талливые лампы, какую мощность можно получить с их помощью.
Шавлов быстро показал, что таллий не годится в схеме Таунса, и начал поиск других материалов. В итоге они выбрали калий по простой причине его линии лежат в видимой области, которые Шавлов мог измерять своим спектрометром. Он получил его для своей работы по полупроводникам, и это был единственный спектральный прибор, которым он располагал. Между тем Таунс рассчитал необходимое число возбужденных атомов и провел некоторые эксперименты. Затем они снова обратили внимание на резонатор. В конце концов, Шавлов понял, что выбор по длинам волн, мог бы быть сделан, если рассмотреть направления распространения различных длин волн в полости. Вместе с Таунсом они сообразили, что свет должен распространяться вдоль оси, перпендикулярной плоскости двух взаимно параллельных зеркал, а свет, распространяющийся под углами к этой оси, быстро теряется. На основе этих соображений они решили использовать в качестве резонатора систему ФабриПеро, и 29 января 1958 г. Таунс попросил другого аспиранта, С. Миллера, расписаться в книжке, где описывались эти соображения.
В течение весны Шавлов и Таунс решили опубликовать свою работу. По правилам Bell Labs, с которой у них были договоры о найме, следовало до публикации распространить рукопись среди коллег, для того, чтобы получить технические замечания и улучшения. Копия также представлялась в патентный отдел компании, чтобы определить, не содержит ли она материала, стоящего патентования. В результате этой процедуры коллеги попросили их подробнее описать соображения о модах резонатора, поскольку они не верили, что ФабриПеро может выбирать нужные длины волн, они также хотели видеть расчеты, которые в то время Шавлов не мог сделать. Патентный отдел сначала отказался патентовать и их усилитель, и генератор оптических частот, так как оптические волны никогда не будут важны для связи, и, следовательно, изобретение имеет малое отношение для Bell System. Однако, по настоянию Таунса, запрос на патент был зарегистрирован в марте 1960 г., а сама статья 26 августа 1958 г. была послана в Physical Review, где была напечатана в декабре того же года. Ее авторы позднее получили Нобелевскую премию; Ч. Таунс в 1964 г., как мы увидим, за изобретение мазера и предложение лазера, а А. Шавлов в 1981 г. за сходную заслугу: лазерную спектроскопию.