История лазера. Научное издание
Шрифт:
Русский подход к мазеру
Р’ то время, РєРѕРіРґР° эти впечатляющие результаты были получены РІ РЎРЁРђ, что же происходило РЅР° РґСЂСѓРіРѕР№ стороне земного шара, РІ Советском РЎРѕСЋР·Рµ, полным военных секретов Рё отгороженным непроницаемым железным занавесом? Р’ РњРѕСЃРєРІРµ, недалеко РѕС‚ центра, располагался РѕРґРёРЅ РёР· самых больших институтов РІ стране Физический институт (существующий Рё поныне), названный именем РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· известнейших СЂСѓСЃСЃРєРёС… ученых, знаменитого Лебедева. Р’ этом знаменитом Физическом институте РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева (Р¤РРђРќ) работали тысячи исследователей. Рнститут находится РІ управлении могущественной Р РѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕР№ Академии наук. РћРЅ был организован РІ начале 1930-С… РіРі. физиком Сергеем Рвановичем Вавиловым (1891 1951). Вавилов известен СЃРІРѕРёРјРё достижениями РІ оптике РІ области исследований люминесценции, С‚.Рµ. испускания света некоторыми определенными веществами РїСЂРё РёС… освещении. Вавилов сформулировал законы этого явления. Р’ 1934 Рі., РєРѕРіРґР° Павел Алексеевич Черенков (19041990), аспирант, работающий над своей диссертацией, открыл, что электроны, распространяющиеся РІ РІРѕРґРµ, испускают слабое голубое излучение, Вавилов, который был его научным руководителем Рё помогал проводить исследования, пришел Рє заключению, что это РЅРµ люминесценция Рё приписал его Рє действию электронов. РџРѕ его инициативе, РґРІР° исследователя Рнститута, РРіРѕСЂСЊ Тамм (1895 1971) Рё Рлья Франк (19081990) дали полное теоретическое объяснение этого явления, показав, что заряженные частицы, которые движутся РІ среде СЃРѕ скоростью, превышающую скорость света РІ этой среде, испускают излучение. Ртот результат привел РёС… Рє получению Нобелевской премии РїРѕ физике вместе СЃ Черенковым. Рнститут РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева дал шесть Нобелевских лауреатов РїРѕ физике, хорошо известных РІРѕ всем РјРёСЂРµ. Вавилов был директором РґРѕ самой своей смерти. Как организатор науки Рё президент Академии наук РѕРЅ внес огромный вклад РІ развитие науки РІ Советском РЎРѕСЋР·Рµ РІ трудный период сразу же после окончания Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. Р’Рѕ время, относящегося Рє нашей истории, РґРІР° сотрудника Рнститута, Рђ.Рњ. РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІ Рё Рќ.Р“. 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.
Р’Рѕ время Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ воевал, дважды был ранен Рё возвратился РІ Рнститут РІ 1944 Рі. После РІРѕР№РЅС‹, работая РїРѕРґ руководством Р’.Р. Векслера (19071966), РѕРЅ продемонстрировал РІ своей докторской диссертации, что синхротрон (ускоритель элементарных частиц) можно использовать РІ качестве источника когерентных электромагнитных колебаний РІ сантиметровом диапазоне. После получения докторской степени РѕРЅ возглавил коллектив молодых исследователей (среди которых был Рё Басов), работающих РІ 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 ФРАН. 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 РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІР° Рё Басова была послана РІ Журнал экспериментальной Рё теоретической физики РІ декабре 1953 Рі. Рё напечатана РІ октябре 1954 Рі., С‚.Рµ. после публикации статьи Таунса Рѕ мазере. Задержка РІ публикации получилась РёР·-Р·Р° желания авторов исправить некоторые ошибки РІ формулах. Рта работа РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІР° Рё Басова содержала детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков РІ радиоспектроскопии. Авторы показали, что молекулы РѕРґРЅРѕРіРѕ итого же вещества, находящиеся РІ пучке РІ разных энергетических состояниях, РјРѕРіСѓС‚ быть разделены путем пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. Молекулы, разделенные РїРѕ энергетическим состояниям, затем пропускаются через микроволновый резонатор, РіРґРµ получается поглощение или усиление (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). РџСЂРѕС…РѕСЂРѕРІ Рё Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который РѕРЅРё 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.