Марио Бертолотти - История лазера

• Название: История лазера
• Автор: Марио Бертолотти
• Издательство: Издательский Дом «Интеллект»
• Жанр: Физика
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91559-097-6

Книга, которую Вы взяли в руки — редкий сплав добротного изложения основ современной физики и ее истории. История науки предстает здесь в неразрывной связи драмы идей в познании природы и судеб конкретных людей. Все эти выдающиеся исследователи были захвачены в круговорот жестокой истории XX века, которой в книге уделено немало страниц.

Автору удалось совместить рассказы о жизненном пути замечательных личностей с пристальным, шаг за шагом, анализом гипотез, теории и эксперимента.

Для широкого круга читателей, интересующихся современной физикой.

---

Между тем Бломберген опубликовал свое предложение в Physical Review, в статье, полученной 6 июля 1956 г. и опубликованной в номере от 15 октября того же года. В ней он дополнительно рассматривал некоторые возможные материалы, что могло помочь создать мазер.

К сожалению, он и его группа в Гарварде интересовались устройством для астрономических целей, работающим на частоте линии межзвездного водорода 1420 МГц. Поэтому они выбирали материал, который мог бы работать на этой частоте, и упустили возможность первой успешной работы трехуровневого мазера. На следующий год, после публикации теоретической работы Бломбергена, первый трехуровневый мазер был создан (1957г.) в Bell Labs Сковилом, Феером и Зайделем, которые использовали ионы гадолиния в кристалле этилсульфата лантана. Вскоре после этого (1958 г.) А. Маквортер и Дж. Мейер из MIT использовали ионы хрома в цианидах кобальта и натрия, для создания первого усилителя. Бломберген и его сотрудники также старались сделать свой мазер, но оказались третьими в 1958 г.

При создании своего мазера, Сковил и его коллеги искусно использовали принцип его работы. Количество усиливающих ионов гадолиния зависит от того, какая инверсная населенность получается между мазерными уровнями. В случае гадолиния ими были уровни 2 и 1. Разность населенностей между этими двумя уровнями зависит, кроме других вещей, от того, как быстро ионы, накаченные с уровня 1 на уровень 3, распадаются на уровень 2. Группа наблюдала, что в их кристалле в качестве примеси присутствует цезий, который, взаимодействуя с гадолинием, увеличивает скорость, с которой ион распадается с уровня 3 на уровень 2. В согласии с этим, они выбрали концентрацию атомов цезия так, чтобы оптимизировать перенос энергии между этими двумя уровнями.

В то время как первоначальный аммиачный мазер был принципиально использован в качестве стандарта частоты, из-за стабильности частоты его излучения, или еще в качестве очень чувствительного детектора, твердотельный мазер, будучи перестраиваемый по частоте, мог бы быть использован для связи и для радаров. Его можно было непрерывно перестраивать в пределах допустимой полосы частот, оставаясь с принципиально малыми шумовыми характеристиками, присущими мазеру. Перестройку можно было получить, изменяя напряженность магнитного поля.

Немного времени спустя Ч. Кикучи и его коллеги показали, что рубин является хорошим материалом для мазера. В 1955 г. инженер Вестон Вивиан начал специальные исследования в Willow Run Lab. в Мичиганском университете, поддержанные военными, с целью разработать пассивную систему с очень чувствительным приемником, с помощью которой можно было бы регистрировать микроволны, естественно испускаемые объектами (вспомним закон черного тела, гл. 3). Вивиан рассчитал, что требуется исключительная чувствительность микроволнового приемника. Кикучи вначале занимался изучением поглощений микроволн в кристаллах. И его попросили попробовать построить хороший мазер, пригодный для этих целей. После рассмотрения трицелата хрома, который технологи с трудом вырастили, Кикучи решил использовать розовый рубин.

Рубин является кристаллом окиси алюминия (Аl2O3), в котором в качестве примеси имеются атомы хрома. Эти атомы замещают некоторые из атомов алюминия и теряют три своих валентных электрона, превращаясь, тем самым, в ион с тремя зарядами. Эти ионы, как мы увидим позднее, ответственны за оптические свойства, и именно они придают замечательный красный цвет рубину. Разумеется, рубины, используемые в мазере, получаются синтетически. Интенсивность окраски зависит от концентрации ионов хрома.

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 54°44' (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!

Рис. 44. Энергетические уровни рубина с его осью под углом θ = 54°44' по отношению к магнитному полю

Рубиновый мазер сделал использование других кристаллов ненужными. Искусственный рубин был доступен, он прочен, удобен в эксплуатации, и с ним легко получалась перестройка частоты. В совершенствовании конструкции рубинового мазера активное участие в работе научного центра Bell Labs принял 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 они появились, вызвали большой интерес военных, которые думали использовать их в качестве очень чувствительных приемников с малым уровнем шумов. Растущей областью применений также стала радиоастрономия. Рассматривалось использование их для обнаружения очень слабых сигналов, поскольку мазеры обладают весьма малыми шумами. Однако существовали и большие неудобства. Мазер, трехуровневая версия которого обладала наиболее подходящими характеристиками для этих применений, был достаточно мал и надежен в эксплуатации, но требовал охлаждения до температуры жидкого гелия и помещался в сильное магнитное поле. Эта система охлаждения и магнит были громоздкими и тяжелыми (рис. 45). Представлялось, что такое устройство не годится на поле боя и для установки на самолет. Также и для радиоастрономических применений его вес и габариты были нежелательны, имея в виду, что для полного использования его низких шумовых характеристик приемник должен был быть смонтирован в центре гигантской антенны (рис. 46). В противном случае пришлось бы использовать систему передачи сигнала от антенны к мазеру, а ее собственные шумы свели бы на 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 не менее для мазеров был момент славы. Мазер на рубине был использован А. Пензиасом и Р. Вильсоном в их открытии в 1965 г. излучения черного тела с температурой 3 К, которое является следствием Большого Взрыва Вселенной (реликтовое излучение). Оба были удостоены за свое открытие Нобелевской премии по физике в 1978 г. вместе с П.Л. Капицей (российский физик, который получил эту премию за свои исследования при низких температурах, которые привели его к обнаружению необычных свойств жидкого гелия, а именно его свертекучести). Эта история интересна тем, что показывает, что Нобелевскую премию можно получить почти случайно.

Арно Элан Пензиас родился в Мюнхене в 1933 г. и в возрасте шести лет был вместе со всей семьей депортирован в Польшу, откуда они эмигрировали сначала в Англию, а затем прибыли в 1940 г. в США. Здесь он стал инженером-химиком, и после женитьбы и службы в американской армии поступил в 1956 г. в Колумбийский университет, где он занимался физикой с Раби, Кушом и Таунсом. В качестве темы диссертации Таунс дал ему задание построить мазерный усилитель для эксперимента по его собственному выбору в радиоастрономии.