История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

В Копенгагене Крамере работал над проблемой дисперсии. В 1924 г. он написал выражение, которое вынужденное излучение было принято во внимание. Основной идеей его работы было то, что дисперсию не следует вычислять, рассматривая реальную орбиту электрона, классически взаимодействующего с электромагнитной волной. Вместо этого атом заменяется набором гипотетических осцилляторов, чьи частоты соответствуют скачкам между стационарными состояниями модели Бора. Таким образом, каждый осциллятор соответствует одному из возможных атомных переходов. Набор этих фиктивных (виртуальных) осцилляторов был назван Альфредом Ланде (18881975) виртуальным оркестром. Таким образом, этот виртуальный оркестр является формальной заменой для излучения и, тем самым, неявно становится представлением самого квантового излучателя.

Разумеется, при этом возможно иметь положительные члены,

которые соответствуют переходу РёР· состояния СЃ низшей энергии РІ состояние СЃ высшей энергией, который характеризуется поглощением фотона, Рё отрицательные члены, которые соответствуют обратному переходу СЃ высшего РЅР° низшее состояние, СЃ испусканием фотона. Отрицательный вклад добавляет Рє дисперсии то, что РјС‹ укажем как отрицательная дисперсия, РёР·-Р·Р° излучающих осцилляторов, Рё аналогичен отрицательному поглощению, представляемому коэффициентом Рйнштейна для вынужденного излучения. Рў.Рµ., как писал Крамере РІ своей работе РІ 1925 Рі.: Световые волны РЅР° этой частоте, РїСЂРѕС…РѕРґСЏ через большое число атомов РІ рассматриваемом состоянии, Р±СѓРґСѓС‚ увеличиваться РІ интенсивности.

Рспользуя весьма изощренную спектроскопическую технику, Ладенбург Рё его сотрудники изучили эффект отрицательной дисперсии РІ 1926 Рё 1930 РіРі. Р’ РѕРґРЅРѕРј РёР· этих исследований, выполненных РІ сотрудничестве СЃ Р“. Копферманом (18951963), Ладенбург исследовал дисперсию газа неона вблизи его красных линий испускания. Неон возбуждался РІ стеклянной трубке электрическим разрядом, примерно так, как это делается сейчас РІ рекламных устройствах. Была измерена дисперсия как функция интенсивности РѕС‚ величины тока разряда. РћРЅРё обнаружили, что РїСЂРё увеличении тока выше некоторого значения, дисперсия уменьшается (С‚.Рµ. падает разница РѕС‚ показателя преломления, равного единице). Убедительно наблюдалось, что эффект отрицательной дисперсии можно объяснить уменьшением дисперсии, поскольку увеличивалось число атомов РІ высшем состоянии. Рти эксперименты явились первым экспериментальным доказательством существования отрицательных членов РІ уравнении дисперсии. Если Р±С‹ эти измерения были Р±С‹ продолжены систематически, усиление Р·Р° счет вынужденного излучения, вероятно, могло Р±С‹ быть получено РІ то время.

Другие исследователи изучали эффекты вынужденного излучения. Одним из них был Дж. ван Флек (18991980), один из наиболее выдающихся американских физиков-теоретиков среди основателей современной теории твердого тела и, в частности, магнетизма. Он получил свою докторскую степень в Гарварде в 1922 г. за первую в Америке диссертацию по квантовой механике, и в 1977 г. получил вместе с Н. Ф. Мотом и П. В. Андерсоном Нобелевскую премию за квантово-механическое описание магнитных свойств вещества. Другим был американец Р. Толмен (18811948) специалист по теории относительности и статистической механики, который открыл эффект, демонстрирующий существование свободных электронов в металлах. Они наблюдали, что вынужденное излучение, названное ван Флеком индуцированным излучением может привести к отрицательному поглощению, и Толмен писал, что ...молекулы, находящиеся в верхнем состоянии, могут возвратиться в нижнее квантовое состояние таким образом, что первоначальный пучок усиливается за счет отрицательного поглощения. После столь ясной основы для изобретения лазера Толмен сказал, что в экспериментах по поглощению, которые обычно выполняются, величиной отрицательного поглощения можно пренебречь.

Причина, почему ученые считали, что явления, связанные СЃ вынужденным излучением, РЅРµ дают существенных экспериментальных эффектов, заключается РІ тех следствиях, которые получаются РїСЂРё использовании закона Максвелла-Больцмана (выведенного РІ конце 19 столетия), который устанавливает вероятность нахождения РїСЂРё равновесии системы, обладающей определенной энергией. Ртот закон, используемый РІ нашем случае для набора атомов, находящихся РІ термическом равновесии, РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј или РІ возбужденном состоянии, утверждает, что число атомов РІ возбужденном состоянии всегда РјРЅРѕРіРѕ меньше числа атомов, находящихся РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии. Р’ РїСЂРёСЂРѕРґРµ РІСЃРµ физические системы находятся РІ тепловом равновесии или очень мало отличаются РѕС‚ него Рё быстро РІ него возвращаются. Поэтому РІ случае атомов, следует ожидать, что число возбужденных атомов всегда будет малым РїРѕ сравнению СЃ атомами, находящимися РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии. Тем самым разумно полагать, что эффект вынужденного излучения, который требует наличия возбужденных атомов, будет очень мал.

Позднее, в 1940 г., российский ученый В. А. Фабрикант в своей докторской диссертации показал, что если число молекул в возбужденном состоянии могло быть больше, чем

число молекул в основном состоянии, то могло бы быть усиление излучения. Однако эта диссертация не была опубликована и, кажется, не имела последствий даже в России. Его предположение стало известным только тогда, когда после изобретения мазера Фабрикант получил российский патент.

Р’ конце концов РІ 1947 Рі. РЈ. Лэмб (Рі. СЂ. 1913) Рё Р . Ризерфорд (Рі. СЂ. 1912) захотели проверить точность предсказания Поля Дирака РѕР± энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС… Рё спектральных линиях РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Предсказание Дирака утверждало, что атом РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° имеет РґРІР° возможных состояния СЃ равными энергиями. Р’ знаменитом эксперименте, сделанном РїСЂРё изучении разряда РІ РІРѕРґРѕСЂРѕРґРµ, эти исследователи обнаружили, что имеется маленькое различие между этими энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Ртот лэмбовский СЃРґРІРёРі показал, что нужна ревизия теории взаимодействия электрона СЃ электромагнитным излучением. Р—Р° этот результат Лэмб РІ 1955 Рі. получил Нобелевскую премию РїРѕ физике, которую РѕРЅ разделил СЃ Поликарпом Куршем. Р’ приложении Рє своей работе, опубликованной РІ 1950 Рі., Лэмб Рё Ризерфорд, обсуждая результаты, указали, что РІ РёС… эксперименте могли быть осуществлены условия достижения инверсной населенности (С‚.Рµ. больше возбужденных атомов, чем атомов, находящихся РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии). Однако РѕРЅРё заключили, что РёС… расчеты были слишком оптимистичны, Рё РѕРЅРё РЅРµ предприняли усилий для дальнейших проверок. Позднее Лэмб писал, что РІ то время концепция отрицательного поглощения Рё ранние исследования были новыми для РЅРёС… Рё что РІ любом случае РёС… интересы были принципиально устремлены РЅР° изучение тех вещей, которые принесли ему Нобелевскую премию. РџРѕ этой причине РѕРЅРё РЅРµ исследовали тщательно аспекты проблемы, связанной СЃ вынужденным излучением.

ГЛАВА 7

РњРКРОВОЛНЫ

Мы теперь возвращаемся к концу 19 столетия, во времена сразу же после публикации (1873 г.) знаменитой работы Treatise on Electricity and Magnetism Максвелла.

Несмотря РЅР° прогресс, сделанный Максвеллом Рё его первыми последователями РІ теории электромагнитных колебаний, СЃРІСЏР·СЊ между классической электродинамикой Рё теорией света РЅРµ была найдена, РєСЂРѕРјРµ интуитивной идеи Максвелла, что электромагнитные волны Рё световые волны имеют РѕРґРЅСѓ РїСЂРёСЂРѕРґСѓ. Ррландский физик Джордж Френсис Фитцджеральд (1851 1901) заложил первый камень РІ 1882 Рі., указав, что если унификация, указанная Максвеллом, правильна, то должна быть возможность генерировать излучаемую энергию чисто электрическими способами. РћРЅ утверждал: Представляется высоко вероятным, что энергия переменных токов частично излучается РІ пространство Рё, тем самым, теряется для нас, обращая внимание только РЅР° отрицательную сторону явления, Рё описывал методы, СЃ помощью которых можно было Р±С‹ получить излучаемую энергию. Однако РѕРЅ замечал, что трудность лежит РІ обнаружении таких волн, РєРѕРіРґР° РѕРЅРё Р±СѓРґСѓС‚ получены, поскольку подходящих детекторов еще РЅРµ существовало.

Ркспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (18571894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.