История лазера
Шрифт:
Принципиальной характеристикой мазера является крайне низкий уровень шумов как в режиме генерации, так и в режиме усиления. Это означает, что сигнал очень чистый и ясный, и все фотоны испускаются когерентно. Лишь очень малое число фотонов испускается хаотически в результате спонтанного, а не вынужденного излучения. Во многих электронных устройствах шумы возникают из-за флуктуации числа электронов, которые создают электрический ток. Эти флуктуации пропорциональны температуре и не зависят от конкретного устройства. Поэтому у инженеров принято характеризовать шумы устройств, относя их к шумам эквивалентной температуры, т.е. температуре, при которой через электрическое сопротивление протекает столько электронов, сколько нужно, чтобы получить наблюдаемые флуктуации. В то время, как для сопротивления обычной цепи температура шума практически является комнатной (т.е. 300 К), для
Таунс сразу же понял, что одним из важных применений мазеров на молекулярных пучках должна быть молекулярная спектроскопия. Молекулярные пучки уже в начале 1950-х гг. рассматривались спектроскопистами, изучающими газы. Однако была проблема. Специфика получения молекулярного пучка приводит к малой плотности молекул в ячейке спектрометра. Кроме того, молекулы в пучке находятся в термическом равновесии или близко к нему, а это значит, что процессы поглощения и излучения по отношению внешнего излучения почти равные. Следовательно, сигнал поглощения будет слабым, поскольку число молекул в нижнем состоянии лишь слегка превосходит число молекул в верхнем состоянии. В пучке, который получал Таунс, все молекулы селектировались по их энергетическим состояниям. Это приводит к тому, что сигнал увеличивается в сто раз. Это позволяло Гордону использовать принцип мазера для спектроскопических исследований.
Мощность первого мазера составляла только 0,01 мкВт. Это очень мало, но испускалась очень узкая линия. Чтобы определить, насколько чиста испускаемая частота, Таунс и его группа построили второй мазер, чтобы сравнить частоты, испускаемые двумя независимыми мазерами. В начале 1955 г. они установили, что в течение одной секунды частоты различались только на 4 части от 10 —12, за больший интервал около 1 часа частоты различались лишь в пределах нескольких частей на 10 —10.
Эти результаты заставляли предполагать, что мазер является оптимальным кандидатом на роль прецизионного стандарта частоты и для создания атомных часов. Исследования мазеров стали распространяться среди других лабораторий в университетах, государственных учреждениях и промышленности. Последние были под влиянием военных целей. Однако было только около десятка групп с малым числом исследователей и со скромной поддержкой.
Русский подход к мазеру
В то время, когда эти впечатляющие результаты были получены в США, что же происходило на другой стороне земного шара, в Советском Союзе, полным военных секретов и отгороженным непроницаемым железным занавесом? В Москве, недалеко от центра, располагался один из самых больших институтов в стране — Физический институт (существующий и поныне), названный именем одного из известнейших русских ученых, знаменитого Лебедева. В этом знаменитом Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) работали тысячи исследователей. Институт находится в управлении могущественной Российской Академии наук. Он был организован в начале 1930-х гг. физиком Сергеем Ивановичем Вавиловым (1891 — 1951). Вавилов известен своими достижениями в оптике в области исследований люминесценции, т.е. испускания света некоторыми определенными веществами при их освещении. Вавилов сформулировал законы этого явления. В 1934 г., когда Павел Алексеевич Черенков (1904—1990), аспирант, работающий над своей диссертацией, открыл, что электроны, распространяющиеся в воде, испускают слабое голубое излучение, Вавилов, который был его научным руководителем и помогал проводить исследования, пришел к заключению, что это не люминесценция и приписал его к действию электронов. По его инициативе, два исследователя Института, Игорь Тамм (1895— 1971) и Илья Франк (1908—1990) — дали полное теоретическое объяснение этого явления, показав, что заряженные частицы, которые движутся в среде со скоростью, превышающую скорость света в этой среде, испускают излучение. Этот результат привел их к получению Нобелевской премии по физике вместе с Черенковым. Институт им. П.Н. Лебедева дал шесть Нобелевских лауреатов по физике, хорошо известных во всем мире. Вавилов был директором до самой своей смерти. Как организатор науки и президент Академии наук он внес огромный вклад в развитие науки в Советском Союзе в трудный период сразу же после окончания Второй мировой войны. Во время, относящегося к нашей истории, два сотрудника Института, А.М. Прохоров и Н.Г. 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 Институт в 1944 г. После войны, работая под руководством В.И. Векслера (1907—1966), 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 ФИ 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 Прохорова и Басова была послана в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» в декабре 1953 г. и напечатана в октябре 1954 г., т.е. после публикации статьи Таунса о мазере. Задержка в публикации получилась из-за желания авторов исправить некоторые ошибки в формулах. Эта работа Прохорова и Басова содержала детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков в радиоспектроскопии. Авторы показали, что молекулы одного итого же вещества, находящиеся в пучке в разных энергетических состояниях, могут быть разделены путем пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. Молекулы, разделенные по энергетическим состояниям, затем пропускаются через микроволновый резонатор, где получается поглощение или усиление (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). Прохоров и Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который они 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.