Чтение онлайн

Таунс в своих исследованиях собирался построить аммиачный мазер на длине волны около 0,5 мм, а затем обратился к много большей длине волны 1,25 см, ради упрощения конструкции. Все другие мазеры, построенные после этого, работали в сантиметровом диапазонах. Не было генератора, основанного на вынужденном излучении, способного испускать излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Хотя другие типы традиционных генераторов, таких, как клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, улучшались и позволяли дойти до чуть более, чем 1 мм, эта длина волны была самая короткая для этих устройств, а их мощности были очень низки. Фактически не было реальных запросов на когерентные излучатели в миллиметровом и инфракрасном диапазон. Одно из важных применений — ночное видение — использовало инфракрасные лучи, испускаемые самими нагретыми предметами, и требовало лишь хороший приемник, но не нуждалось, в каком бы то ни было излучателе. Для другого важного применения, спектроскопии, обычные инфракрасные лампы уже обладали достаточной мощностью. Поэтому не было никакого смысла разрабатывать новые источники. Однако, исследователи любопытны и любят расширять границы знания. Так что, даже без какой-либо поспешности, как только был запущен мазер, стали думать, а нельзя ли принцип его действия использовать для создания генератора света, который стали называть оптическим мазером. Этой задачей занялись независимо в США и в бывшем Советском Союзе.

Чтобы сделать оптическое устройство этого типа, следует рассмотреть другие энергетические уровни по сравнению с микроволновым мазером. Микроволновые частоты настолько низкие, что зазор энергии между уровнями, нужный для генерации, можно найти во вращательно-колебательных состояниях молекул или в тонкой структуре атомов в магнитном поле, как мы уже об этом говорили. В оптическом случае испускаемые фотоны должны иметь энергию, по крайней мере, в сто раз большую, и поэтому требуются переходы между электронными уровнями атомов.

Другим существенным элементом является резонатор, который необходим для работы генератора и в микроволновой области, и в области существенно более коротких длинах волн. Микроволновые резонаторы имеют размеры, сравнимые с длиной волны, т.е. порядка сантиметра. С помощью существующей технологии изготовления таких резонаторов не представляет труда. В случае света, длина волны порядка 1 мкм или даже меньше. Поэтому изготовление резонатора таких размеров представлялось невозможным. Без резонатора невозможно получить существенное взаимодействие между частицами и излучением, вынужденное излучение слабо, и теряются принципиальные особенности устройства. Однако были рассмотрены альтернативные методы, способствующие эффективному взаимодействию между возбужденными частицами и излучением. Это была система, состоящая из двух полупрозрачных плоских зеркал, параллельных друг другу. Такая система уже использовалась в спектроскопии для измерений длин волн с высокой точностью. Как мы увидим далее, эта система является настоящим резонатором, хотя другой вид ее использовался для микроволновой области частот [6] . Она была придумана в 1899 г. двумя французскими учеными С. Фабри (1867—1945) и А. Перо (1863-1925). Сегодня эту систему двух зеркал называют интерферометром Фабри—Перо, или просто Фабри-Перо. Если излучение распространяется взад и вперед между зеркалами, то из-за интерференции внутри резонатора имеются лишь определенные длины волн. При пропускании излучения через такую систему зеркал получается система концентрических колец, радиусы которых зависят от длины волны. Этот интерферометр со времен Фабри и Перо используется для прецизионного исследования спектров (например, тонкой и сверхтонкой структуры).

С другой стороны, если внутри резонатора Фабри—Перо поместить инвертированную среду, то на этих резонансных частотах получается увеличенное взаимодействие между излучением и возбужденными атомами. В результате испускается излучение на определенных оптических длинах волн. Хотя размеры этого резонатора теперь много большие, чем длина волны, в нем происходит хорошая селекция возможных типов колебаний (мод), так как только излучение, которое распространяется взад и вперед между зеркалами, может генерироваться. Другое излучение, распространяющее даже под малым углом к поверхности зеркал, покидает резонатор после нескольких отражений.

Как мы уже видели, первым среди претендентов на идею создать лазер, был Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991), который сделал свое предложение в Советском Союзе в 1940-х гг.

Фабрикант начал свою научную карьеру студентом физико-математического факультета Московского университета у Г.С. Ландсберга. После окончания его он поступил на работу во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). В 1932 г. его внимание было сконцентрировано на проблемах оптики и свойств электрического разряда в газах. Он опубликовал ряд работ, в которых он изучал спектральный состав и интенсивность излучения, испускаемого при электрических разрядах в газах, в частности, исследуя процессы столкновений между возбужденными атомами и электронами и передачи энергии, происходящие в этих процессах.

Атом или очень быстрый электрон может столкнуться с другим атомом и передать часть своей энергии, которая, если она достаточная, может возбудить ударяемый атом и перевести его на возбужденный уровень. Это называется столкновением первого рода. Также существует другой вид столкновения, который называется столкновением второго рода. В нем атом, который уже находится в возбужденном состоянии сталкивается с другим атомом, который находится в основном состоянии, и передает ему свою энергию. В результате первый атом возвращается в основное состояние, а второй атом перепрыгивает на возбужденный уровень. Оба эти атома необязательно должны быть одного и того же вида; существенно, что оба возбужденных уровня имеют одну и ту же энергию. Если два атома разного вида, то тогда возможно с помощью этого механизма, что атомы одного вида, скажем А, возбуждают атомы другого вида, скажем В, при этом возбужденный уровень может иметь больший номер, чем тот, что получился бы в результате термических столкновений первого рода. В результате, для атомов В может получиться распределение на некоторых уровнях, которое будет отличаться от распределения Максвелла— Больцмана. Эта возможность и интересовала Фабриканта.

В 1939 г. он стал изучать возможность получения населенностей возбужденных атомов, больших, чем следует из распределения Больцмана, и старался показать, что когда излучение проходит через среду, в которой реализована такая инверсия, населенностей, то возможно наблюдать усиление излучения, а не поглощение. После он предложил способ экспериментально реализовать инверсную населенность при разряде в смеси газов, при котором используются столкновения атомов. Эти результаты были включены в его докторскую диссертацию, которую он защитил в 1939 г. В это время интересы Фабриканта были связаны с получением экспериментальных доказательств существования вынужденного излучения. Позднее он рассматривал эту проблему более интенсивно, и 18 июня 1951 г., он подал вместе со своими сотрудниками заявку на патент относительно нового метода усиления света, озаглавленную: «Метод усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиоволн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, в которой с помощью дополнительного излучения, или другими способами, создается избыток концентрации на верхних уровнях по отношению к равновесной концентрации атомов, других частиц, или систем». В 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 СССР наградила его Золотой медалью С.И. Вавилова «за важные работы по оптике и газовому разряду». Он получил Государственную премию СССР за разработку люминесцентных ламп.

В Америке Роберт Дике (1916—1997) опубликовал в 1953 г. работу, в которой он ввел новую концепцию, которую назвал «сверхизлучением». Это было стержнем обсуждения метода получения излучения с характерной когерентностью. Поскольку в 1953 г. названий мазер и лазер еще не существовало, Дике назвал свое устройство «оптической бомбой», предсказывая, что оно способно испустить крайне короткий и интенсивный импульс света.

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.