История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р СѓР±РёРЅ является кристаллом РѕРєРёСЃРё алюминия (Рђl2O3), РІ котором РІ качестве примеси имеются атомы С…СЂРѕРјР°. Рти атомы замещают некоторые РёР· атомов алюминия Рё теряют три СЃРІРѕРёС… валентных электрона, превращаясь, тем самым, РІ РёРѕРЅ СЃ тремя зарядами. Рти РёРѕРЅС‹, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј позднее, ответственны Р·Р° оптические свойства, Рё именно РѕРЅРё придают замечательный красный цвет СЂСѓР±РёРЅСѓ. Разумеется, СЂСѓР±РёРЅС‹, используемые РІ мазере, получаются синтетически. Рнтенсивность окраски зависит РѕС‚ концентрации РёРѕРЅРѕРІ С…СЂРѕРјР°.
В январе 1957 г. Кикучи получил образец розового рубина и приступил к созданию мазера. Важным параметром конструкции мазера является угол, под которым магнитное поле направлено к оси кристалла. В то время предпочтительным углом был 15. Но при этом угле, чтобы рассчитать положение требовался компьютер, который в те дни был недоступен. Кикучи выбрал угол 5444' (рис. 44). При этом угле вычисления упрощаются так, что можно получить аналитические выражения. Они показывают, что можно построить мазер на длину волны 3,2 см, которая была хорошо знакома техникам, имеющими дело с радарами.
Однако работа продвигалась медленно, и только 20 декабря 1957 г. мазер заработал. После этого Маквортер и Мейер из MIT, весной, смогли сделать мазер, используя калий-кобальт цианид с добавкой хрома. Таунс со своими сотрудниками запустили мазер на 3 см, а Бломберген с сотрудниками с помощью этого же материала сделали свой собственный мазер на 21 см.
Калий-кобальтовый цианид очень ядовитый материал. В 1958 г. Бломберген и Таунс с женами обедали в ресторане Нью-Йорка. Миссис Таунс похвасталась перед мисс Бломберген золотой цепочкой с кулоном из великолепного рубина. Она сказала, что ее муж сделал этот подарок в ознаменования мазера. Той же ночью, в отеле миссис Бломберген спросила мужа: Когда ты собираешься сделать мне подарок в ознаменование твоего мазера? На это Бломберген ответил: Видишь ли, дорогая, мой мазер работает на цианиде. Таким образом, он избавился от необходимости покупать дорогой подарок!
Р РёСЃ. 44. Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЂСѓР±РёРЅР° СЃ его РѕСЃСЊСЋ РїРѕРґ углом = 5444' РїРѕ отношению Рє магнитному полю
Рубиновый мазер сделал использование РґСЂСѓРіРёС… кристаллов ненужными. Рскусственный СЂСѓР±РёРЅ был доступен, РѕРЅ прочен, удобен РІ эксплуатации, Рё СЃ РЅРёРј легко получалась перестройка частоты. Р’ совершенствовании конструкции СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ мазера активное участие РІ работе научного центра Bell Labs РїСЂРёРЅСЏР» Жозеф Гёзик.
В течение 1957 г. и 1958 г. много мазеров было построено в нескольких лабораториях, включая Гарвард. В них использовались ионы хрома в кристаллах рубина. Рубины были использованы в большом числе типов мазеров с разными характеристиками. С 1958 г. многие мазеры были построены для использования в радиоастрономии или в качестве компонент приемников радаров. Почти все они были основаны на рубинах.
Мазеры, как только РѕРЅРё появились, вызвали большой интерес военных, которые думали использовать РёС… РІ качестве очень чувствительных приемников СЃ малым уровнем шумов. Растущей областью применений также стала радиоастрономия. Рассматривалось использование РёС… для обнаружения очень слабых сигналов, поскольку мазеры обладают весьма малыми шумами. Однако существовали Рё большие неудобства. Мазер, трехуровневая версия которого обладала наиболее подходящими характеристиками для этих применений, был достаточно мал Рё надежен РІ эксплуатации, РЅРѕ требовал охлаждения РґРѕ температуры жидкого гелия Рё помещался РІ сильное магнитное поле. Рта система охлаждения Рё магнит были РіСЂРѕРјРѕР·РґРєРёРјРё Рё тяжелыми (СЂРёСЃ. 45). Представлялось, что такое устройство РЅРµ годится РЅР° поле Р±РѕСЏ Рё для установки РЅР° самолет. Также Рё для радиоастрономических применений его вес Рё габариты были нежелательны, имея РІ РІРёРґСѓ, что для полного использования его РЅРёР·РєРёС… шумовых характеристик приемник должен был быть смонтирован РІ центре гигантской антенны (СЂРёСЃ. 46). Р’ противном случае пришлось Р±С‹ использовать систему передачи сигнала РѕС‚ антенны Рє мазеру, Р° ее собственные шумы свели Р±С‹ РЅР° нет его преимущества.
Также и для спутниковой связи, где спутники используются для передачи или ретрансляции сигналов от них к Земле, мазеры не оправдали надежд. Были разработаны новые полупроводниковые устройства, параметрические генераторы, которые хотя и не обладали столь малыми шумами, как мазеры, но были легки и компактны и не требовали охлаждения и сильных магнитных полей,
В конце концов применения мазеров ограничилось очень малым числом. Однако бурная активность вокруг них, полученные новые знания, и первые демонстрации практического применения вынужденного излучения содействовали появлению и развитию лазеров со всеми последующими применениями.
Рис. 45. Основные элементы твердотельного мазера
Рис. 46. Типичная параболическая антенна, используемая в радиоастрономии, телеметрии, радиолокации и др., с мазером, установленным в фокальной точке
Тем РЅРµ менее для мазеров был момент славы. Мазер РЅР° СЂСѓР±РёРЅРµ был использован Рђ. Пензиасом Рё Р . Вильсоном РІ РёС… открытии РІ 1965 Рі. излучения черного тела СЃ температурой 3 Рљ, которое является следствием Большого Взрыва Вселенной (реликтовое излучение). РћР±Р° были удостоены Р·Р° СЃРІРѕРµ открытие Нобелевской премии РїРѕ физике РІ 1978 Рі. вместе СЃ Рџ.Р›. Капицей (СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёР№ физик, который получил эту премию Р·Р° СЃРІРѕРё исследования РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах, которые привели его Рє обнаружению необычных свойств жидкого гелия, Р° именно его свертекучести). Рта история интересна тем, что показывает, что Нобелевскую премию можно получить почти случайно.