Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 38 (всего у книги 52 страниц)

В своей работе, озаглавленной �нфракрасные и оптические мазеры, Шавлов и Таунс утверждали, что хотя, в принципе, и возможно распространить технику мазеров в инфракрасный и оптический диапазоны и генерировать высокомонохроматическое и когерентное излучения, но возникает ряд новых аспектов и проблем, которые требуют количественного анализа и теоретических обсуждений, а также существенной модификации экспериментальных методик.

Декларированная цель работы состояла в том, чтобы обсудить теоретические аспекты устройства, подобного мазеру, для видимых или инфракрасных длин волн и соответственно, дать наброски конструкций, т.е. содействовать реализации мазера нового типа, названного ими оптическим мазером (позднее названный лазером, с заменой на l, обозначающей свет). Принципиальными моментами были: выбор резонатора и его свойства выделения мод, выражение для усиления устройства и некоторые предложения активных материалов.

Хотя можно было предположить, что многие материалы могут усиливать, Таунс отмечал, что возбуждение атомов и молекул с помощью пучков света, электрическими разрядами и другими способами изучалось годами, но никто не наблюдал усиления в оптической области. Поэтому он предполагал, что получение усиления может оказаться очень трудным и все эксперименты следует спланировать с большой тщательностью. По этим соображениям они сосредоточились на газах простых атомов, несмотря на то, что твердотельные материалы и молекулы могут иметь преимущества.

Самой насущной проблемой была реализация резонатора. В случае мазера использовался обычный объемный резонатор с металлическими стенками. При соответствующей конструкции такого резонатора получалась одна резонансная мода, осциллирующая вблизи частоты, соответствующей излучатель-ному переходу активной системы. Для того чтобы получить такую одиночную, изолированную моду, линейные размеры резонатора должны быть порядка длины волны. В случае инфракрасного излучения эти размеры оказываются слишком малыми, чтобы быть практически реализованными. Следовательно, необходимо рассматривать резонаторы, размеры которых большие по сравнению с длиной волны и которые могут, поэтому, поддерживать большое число мод в нужной области частот.

Таунс Рё Шавлов понимали, что нужно найти СЃРїРѕСЃРѕР± выделения только некоторых РёР· этих РјРѕРґ, РІ противном случае испускаемая энергия была Р±С‹ очень мала Рё недостаточна, чтобы превзойти РІСЃРµ потери. Рто так же, как РІРѕРґСЏРЅРѕР№ поток: если РѕРЅ делится РЅР° тысячи ручейков, то РІРѕРґР° разбрасывается РїРѕ земле Рё РЅРµ достигает определенного места. После некоторых общих рассмотрений, выбором стал интерферометр ФабриПеро, состоящий РёР· РґРІСѓС… высокоотражающих плоскопараллельных стенок. РћРЅРё показали, что благодаря этому получается открытый резонатор, лишенный боковых стенок Рё состоящий только РёР· РґРІСѓС… параллельных зеркал. Р’ нем захватываются только те волны, которые распространяются параллельно РѕСЃРё Рё длины которых кратны длине резонатора (С‚.Рµ. расстоянию между зеркалами). Чтобы извлечь свет РёР· такого резонатора, РѕРЅРё предположили, что РѕРґРЅРѕ РёР· зеркал будет частично прозрачным, так чтобы позволить пучку, падающему РЅР° это зеркало, частично выходить РёР· резонатора. Р�дея иметь резонатор СЃ размерами РјРЅРѕРіРѕ большими, чем длина волны, предполагалась РЅРµ только РёР·-Р·Р° практической невозможности сделать резонатор СЃ размерами РїРѕСЂСЏРґРєР° длины волны, РЅРѕ также РёР·-Р·Р° того факта, что резонатор должен содержать достаточное количество активного материала.

Другой проблемой, рассматриваемой в статье, было определение минимального числа молекул или атомов активного материала, которые должны быть на верхнем энергетическом уровне, чтобы обеспечить генерацию света за счет вынужденного излучения.

Монохроматичность такого мазерного генератора также рассматривалась, и Шавлов и Таунс понимали, что это свойство очень тесно связано со свойствами шумов такого устройства, как усилитель. В лазере шум возникает из-за спонтанного излучения активного материала. Они модифицировали вычисления, которые предварительно были проведены для мазеров, и нашли, что ширина линии была порядка одной миллионной от ширины линии, соответствующей спонтанному излучению.

В работе был также раздел, посвященный обсуждению некоторых специфических примеров. В числе газовых систем они рассмотрели атомные пары калия, накачиваемые на 4047 А, и пары цезия. Шавлов даже предварительно провел некоторые эксперименты с коммерческими калиевыми лампами и попросил Роберта Коллинса, спектроскописта Bell Labs, измерить выходную мощность этих ламп. Они рассчитали, что в случае использования паров калия будет вполне достаточно использовать излучение калиевой лампы, испускающей мощность около 1 мВт на длине волны 4047 А. Они сочли эту оценку приемлемой, так как уже получали половину милливатта от маленькой коммерческой лампы. По ее техническим характеристикам, она должна была бы излучать только десятую долю милливатта на этой длине волны. Они также рассмотрели твердотельные устройства, хотя не были оптимистичны в отношении их.

Работа Шавлова Рё Таунса вызвала значительный интерес, Рё РјРЅРѕРіРёРµ лаборатории начали РїРѕРёСЃРє возможных материалов Рё методов для оптических мазеров. Таунс Рё его РіСЂСѓРїРїР° РІ Колумбии начали попытки создать оптический мазер РЅР° парах калия. РћРЅ работал СЃ РґРІСѓРјСЏ аспирантами X. Камминсом Рё Р�. Абелла. Р’ то же время Рє РёС… РіСЂСѓРїРїРµ присоединился Рћ. РҐРёРІРёРЅСЃ, профессор физики университета Йорка (Англия), РјРёСЂРѕРІРѕР№ эксперт РІ области высоко-отражающих зеркал. Таунс понимал, что зеркала резонатора были наиболее деликатной частью разрабатываемого устройства, Рё пригласил его провести СЃ РЅРёРј СЃРІРѕР№ академический отпуск. Р’ РёС… установке использовалась длинная трубка, РІ которой пары калия возбуждались электрическим разрядом (также как это делается РІ неоновых трубках рекламы). Резонатор был образован РґРІСѓРјСЏ зеркалами внутри трубки, РЅР° ее концах. Рти РґРІР° зеркала должны были иметь высокое отражение. РћРЅРѕ получалось путем нанесения РЅР° стеклянную пластинку серии слоев подходящих материалов СЃ помощью методики, РІ которой Хивенс был мастер. Сегодня РјС‹ можем объяснить неудачу того эксперимента тем, что эти покрытия разрушались бомбардировкой РёРѕРЅРѕРІ газового разряда.

Шавлов в Bell Labs начал рассматривать рубин как возможный твердотельный материал, но в 1959 г. пришел к заключению, что энергетические уровни, позднее использованные Мейманом, не подходят, и таким образом упустил шанс построить один из самых популярных существующих лазеров, несмотря на то, что он правильно предсказал, что устройство твердотельного лазера может быть особенно простым. По существу, это мог быть просто стержень, один конец которого полностью отражает, а другой отражает почти полностью. Поверхность стержня остается без покрытий, чтобы пропускать излучение накачки.

ГЛАВА 12

УДАЧА (�Л� НЕУДАЧА?) ГОРДОНА ГОУЛДА

По мнению историков науки и техники, ошибочно связывать изобретение или научное открытие с отдельной личностью или точным моментом времени. �зобретение является процессом, который проходит отрезок времени и в котором, обычно, многие люди принимают существенное участие. Мы видели это на примере изобретения мазера и увидим еще больше в случае изобретения лазера. Действительно, Шавлов и Таунс не были одиноки в выяснении возможности распространить концепцию мазера в видимый и инфракрасный диапазоны, и в предсказаниях потенциальных применений оптического мазера.

Гордон Гоулд был студентом Колумбийского университета и обладал практичным и интуитивным менталитетом изобретателя. Он сосредоточивался исключительно на получении патента и не стремился распространить свои идеи в научной литературе и публиковать свои результаты традиционным образом в научных журналах. Вместо этого он сделал официальный запрос на серию патентов, что породило ряд судебных процессов, касающихся изобретения лазера и продолжавшихся несколько лет.

В возрасте 21 года Гоулд в 1941 г. получил степень бакалавра физики в Юнион Колледже, а в 1943 г. и степень магистра по оптической спектроскопии в Йельском университете. Там он научился использовать интерферометр ФабриПеро. После военной службы он решил посвятить себя изобретательству и найти работу с неполным рабочим днем. Он начал с проектирования контактных линз и других вещей, включая попытки получить искусственный алмаз. Однако он решил, что для продолжения работ ему нужна более солидная научная основа. В 1949 г. он поступил в Колумбийский университет, где с 1951 г. стал работать над диссертацией под руководством профессора Поликарпа Куша. Диссертация была посвящена использованию атомного пучка таллия с целью изучения возбужденных энергетических уровней. Освещая атомы таллия светом подходящей лампы, он сперва возбуждал их на желаемый уровень, а затем исследовал, как они распадаются с этого состояния, т.е. какова эффективность заселения этого состояния и т.д. Но работа продвигалась очень медленно, даже к ноябрю 1957 г. Гоулд не написал диссертацию.

РќР° самом деле РѕРЅ заинтересовался проектом построить оптический мазер, который РѕРЅ переименовал РІ лазер, заменив m РІ слове мазер, обозначающее микроволны, РЅР° l, обозначающее свет. РљРѕРіРґР° первые лазеры были созданы, компании Bell Telephone РЅРµ понравилось это название, Рё РѕРЅРё отказались его использовать, предпочитая оптический мазер. Рто РЅРµ имело успеха, Рё устройство стало известным как лазер.

Рту историю можно восстановить РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ показаний, РІ СЂСЏРґРµ судебных процессов Рѕ приоритетах изобретения этого устройства, начиная СЃ октября 1957 Рі., РєРѕРіРґР° Гордон Гоулд, согласно его собственным заявлениям, рассматривал возможность использования устройства типа ФабриПеро РІ качестве резонатора лазера. Р’ РѕРґРёРЅ РёР· дней ему РґРѕРјРѕР№ РїРѕР·РІРѕРЅРёР» Таунс. Его кабинет был СЂСЏРґРѕРј СЃ кабинетом Гоулда, РЅР° десятом этаже здания физического факультета Колумбийского университета. Таунс хотел получить информацию РѕР± очень СЏСЂРєРёС… таллиевых лампах, которые Гоулд использовал РІ своей диссертационной работе. Таунс зарегистрировал этот телефонный разговор РІ своей записной книжке. После этого разговора Гоулд пришел РІ возбуждение, Рё бросился заканчивать СЃРІРѕРё исследования как можно быстрее. Р’ пятницу 16 РЅРѕСЏР±СЂСЏ 1957 Рі. Гоулд Рё его жена, которая также работала РІ Колумбийском университете, пошли Рє владельцу кондитерской лавки (РѕРЅ был публичным нотариусом, приятелем жены Гоулда Рё его семьи). Там тот заверил своей печатью первые девять страниц лабораторного журнала Гоулда, которые содержали работу Некоторые грубые расчеты возможности лазерного усиления света СЃ помощью вынужденного испускания излучения.

Р’ заметках РЅР° более чем сотни страниц Гоулд предполагал заключить активную среду РІ трубку, длиной 1 Рј СЃ РґРІСѓРјСЏ отражающими зеркалами (С‚.Рµ. типичный резонатор ФабриПеро). РћРЅ также рассматривал возможность помещения стеклянных окошек СЃ точно обработанными, РґРѕ долей длины волны, поверхностями, ориентированными РїРѕРґ определенным углом, известным, как СѓРіРѕР» Брюстера. Стеклянная пластина, наклоненная РїРѕ отношению Рє РѕСЃРё трубки РїРѕРґ углом Брюстера, позволяет свету СЃ определенной поляризацией проходить внутри трубки СЃ отражениями РѕС‚ зеркал, РЅРѕ без ослабления. Рто очень важно для лазера, поскольку стараются минимизировать потери внутри резонатора. Гоулд вывел условия генерации Рё получил правильный результат. РћРЅ СѓРїРѕРјСЏРЅСѓР» РѕР± оптической накачке как Рѕ возможном методе возбуждения, который РѕРЅ обсуждал СЃ Таунсом. Как возможную среду, РѕРЅ упоминал пары щелочных металлов, РїСЂРёРІРѕРґСЏ РІ качестве примера пары калия, Р° затем СЂСѓР±РёРЅ Рё некоторые редкие земли. РћРЅ ссылался также РЅР° накачку Р·Р° счет столкновений РІ газовом разряде, упоминая смесь гелия Рё неона как РѕРґРЅСѓ РёР· возможных газовых сред, которую можно возбудить. Затем РѕРЅ стал обсуждать большую серию применений РІ спектрометрии, интерферометрии Рё фотохимии, Р° также для усиления света РІ радарах, РІ системах СЃРІСЏР·Рё Рё для термоядерного синтеза. РќР° этой же странице РѕРЅ РіРѕРІРѕСЂРёР» Рѕ стандартах частоты Рё длины, которые можно будет сделать СЃ помощью лазеров, Рѕ системах измерения профиля, РѕР± обработке материалов, технологиях сверления Рё резки, РѕР± активации химических реакций. Р’СЃРµ это можно сделать СЃ помощью лазерного света.

По иронии судьбы, именно Таунс надоумил Гоулда использовать подписанную записную книжку в качестве способа отстаивания приоритета изобретения! Одержимость Гоулда идеей лазера уже стоила ему многого. Его руководитель профессор П. Куш, по словам Гоулда, никогда не позволял ему отвлекаться от темы и заменять ее другой работой. Так что в марте 1958 г. Гоулд покинул Колумбию, не закончив диссертацию. Он поступил в Technical Research Group (TRG) Inc.

TRG была РѕРґРЅРѕР№ РёР· тех американских компаний, которые возникли РІ период холодной РІРѕР№РЅС‹ Рё чьи интересы были сосредоточены РЅР° контрактах СЃ военными ведомствами. Рту компанию организовали РІ 1953 Рі. три человека, имеющих докторские степени: РѕРґРёРЅ РІ области электроники, РґСЂСѓРіРѕР№ РїРѕ физике Рё третий РІ прикладной математике. Сначала эта компания действовала как консультирующее агентство. Р’ 1955 Рі. добавились лаборатории Рё мастерские. Главная работа касалась антенн Рё радаров, физики ядерных реакторов Рё управляемых снарядов. РќРѕ был также маленький контракт РїРѕ мазерам Рё программе атомных стандартов частоты. Гоулд был РїСЂРёРЅСЏС‚ для работы РїРѕ этому последнему проекту. Поскольку РѕРЅ РЅРµ закончил диссертации, компания предоставила ему некоторое СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРµ время РґРѕ июля 1958 Рі. для завершения работы. Однако Гоулд использовал это время РЅРµ для работы над диссертацией, Р° для работы над СЃРІРѕРёРј лазерным проектом.

Он исследовал большое число лазерных сред и методов возбуждения: оптическую накачку, возбуждение столкновениями с быстрыми электронами в газовом разряде, передачу возбуждение от одних атомов к другим (столкновение второго рода). В качестве среды он рассматривал пары калия, смесь калия с ртутью и гелием, цинк и таллий, возбуждаемых передачей энергии от криптона и ксенона, молекулы йода, накачиваемые светом от калиевой лампы, и сульфат европия в водном растворе, возбуждаемый оптически. Многие из его подходов были простыми предположениями, и он не работал глубоко над физикой процесса. Он также совершал много ошибок.

На судебном процессе 8 декабря 1965 г. в Вашингтоне д-р Алан Берман, физик, друг и партнер Гоулда по бриджу, свидетельствовал о разговоре, который он имел с Гоулдом в августе 1958 г., когда он был вместе с ним на пляже. Гоулд в то время работал в TRG. Берман обратил внимание, что Гоулд работает над лазером в ущерб диссертации. Он беспокоился о нем, видя, что он не делает никакой попытки опубликовать свои результаты нормальным образом, как это делают все физики, и добавил, что, по его мнению, это ненаучный путь. Стоит отметить, что если бы Гоулд последовал совету Бермана, он мог бы послать статью в Physical Review, которая была бы опубликована одновременно со статьей Шавлова и Таунса!

В сентябре 1958 г. Лоуренс Голмунц, президент TRG, узнал, что Гоулд тратит время, работая над частным проектом. Гоулд и Голмунц обсудили исследования по лазеру, и TRG забрала проект Гоулда в свою собственность. 16 декабря 1958 г. Голмунц запросил $ 200 000 от компании, которая владела 18% TRG. Еще $ 300 000 были запрошены от Агентства прогрессивных исследовательских проектов Пентагона, чтобы обеспечить работу Гоулда над лазером, который обещали использовать для оптического радара, определителя расстояний и систем связи.

РџРѕ стечении обстоятельств, Рё Гоулд Рё Таунс, каждый держал РІ СЃРІРѕРёС… руках, РІ РѕРґРЅРѕ Рё то же время, работу РґСЂСѓРіРѕРіРѕ. Гоулд получил РєРѕРїРёСЋ работы Шавлова Рё Таунса РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· сотрудников компании, Р° Таунс как правительственный консультант прочел 200-страничное предложение Агентства Пентагона. Другие эксперты также видели это предложение Рё дали положительный отзыв. Р’ результате TRG получила $ 998 000 для проекта. Увеличение запрашиваемого финансирования было (Рё РІСЃРµ еще есть) очень редким, если РЅРµ сказать уникальным. РќРѕ Агентство было очень заинтересовано проблемой РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ СЃ помощью противоракет, Рё лазер, хотя РѕРЅ еще Рё РЅРµ существовал, был РѕРґРЅРёРј РёР· тех средств, СЃ помощью которых думали решить проблему. Р’ результате было4 выделено повышенное финансирование СЃ указанием ускоренной разработки всех РІРёРґРѕРІ предлагаемых лазеров, РЅРѕ работа была засекречена. Рто было большой неудачей для Гоулда, поскольку РѕРЅ РЅРµ обладал РґРѕРїСѓСЃРєРѕРј Рё РЅРµ РјРѕРі работать над проектом. Дело РІ том, что РІ период Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ был членом марксистской РіСЂСѓРїРїС‹, Рё РЅР° основание этого ему было отказано РІ РґРѕРїСѓСЃРєРµ Рє закрытым работам. Р’ результате РѕРЅ РЅРµ РјРѕРі вести проект, РЅРµ РјРѕРі читать отчеты Рё непосредственно участвовать РІ экспериментах. РћРЅ был лишь внешним консультантом исследовательской команды.

6 апреля 1959 г. Гоулд и TRG подали заявку на изобретение лазера в США. За этим последовала серия запросов британских патентов, которые были подтверждены. Шавлов и Таунс уже подали свою заявку в июле 1958 г., и патент был выдан в марте 1960 г. Гоулд и TRG обратились с жалобой в Апелляционный Суд США, аргументируя, что, хотя их заявка была подана после Шавлова и Таунса, идея Гоулда была первой. Принципиальным доказательством являлась записная книжка Гоулда, которая была заверена в пятницу, 16 ноября 1957 г., после разговора с Таунсом. Слушание дела было отложено на 8 декабря 1965 г.