История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Чтобы сделать ярче картину, окружающую создание сперва мазера, а потом и лазера, полезно рассмотреть состояние исследований по физике и дух, с которым эти исследования выполнялись в годы после Второй мировой войны. Перед Первой мировой войной исследования проводились персонально или малыми группами, не имеющими связей с промышленностью и не предвидящих каких-либо применений. Ученые старались удовлетворить свое любопытство путем открытия и объяснения новых явлений. Открытие радия Марией Кюри (18671934) яркий пример. Она начала с наблюдения, что некоторые минералы, из которых извлечен уран, элемент, радиоактивность которого была открыта Анри Беккерелем (18521908), показывают радиоактивность большую, чем можно было приписать

содержанию урана. Поэтому внутри этих минералов должны быть РѕРґРЅР° или более субстанций СЃ радиоактивностью большей, чем Сѓ урана. Рто заставило ее изучить эти субстанции. Рти исследования были проведены РІ сарае СЃ огромными трудностями, без какой-либо помощи, РєСЂРѕРјРµ ее мужа Пьера (18591906). Финальным результатом было открытие полония Рё радия (1898). Р’СЃРєРѕСЂРµ было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, обладает биологическими эффектами, Рё РёС… стали использовать РІ Р±РѕСЂСЊР±Рµ СЃ раком. Таким образом, открытие радия привело Рє важному практическому применению, хотя этого никто РЅРµ предполагал вначале исследования

Во время Второй мировой войны ситуация изменилась радикально, особенно в США, где были получены самые важные результаты, относящиеся к нашей истории. Разработка радара, который существенно повлиял на исход войны, ядерные исследования, кульминацией которых явилось создание атомной бомбы всё это показало огромные возможности, заключенные в физических исследованиях, и сколь экстраординарные применения могут быть получены. К концу войны физика предстала как важнейшая наука для будущего.

В 1948 г. изобретение транзистора и последующая революция в электронике предстали еще одним революционным шагом. Теперь исследования не кончались сами по себе с единственной целью получить чистые знания, но они стали способом получить новые знания, ведущие к конкретным применениям со значительным социальным последствием.

Оказалось, что физика не является абстрактной наукой для немногих избранных, но представляет инструмент, способный дать существенные элементы для развития общества или, в зависимости от того, что желают иметь, для его уничтожения. Ядерные исследования и разработка ядерных реакторов для получения энергии (сегодня рассматриваемое с некоторым скепсисом) после Второй мировой войны рассматривались с огромной благосклонностью как средство решения энергетической проблемы для человечества.

Р’ это же время началась СЃРІСЏР·СЊ СЃ промышленностью, научно-исследовательских отраслевых лабораторий Рё развитие самой промышленности, основанное РЅР° результатах физических исследований. Внезапно физики стали значительными Рё популярными, Рё большие деньги стали предоставляться РёРј РёР· правительственных источников. Р’ этой атмосфере РІСЃСЏРєРёР№, кто имел хорошую идею СЃ потенциальными применениями, РјРѕРі, почти наверняка, рассчитывать РЅР° поддержку. Рти идеальные условия РІ период РІРѕР№РЅС‹ продолжались Рё РІ течение холодной РІРѕР№РЅС‹ между РЎРЁРђ Рё РЎРЎРЎР , вплоть РґРѕ ее окончания. Р’ этот период разработка мазеров Рё лазеров получила невиданную финансовую поддержку РІ Америке, благодаря интересу СЃРѕ стороны военных агентств Рё промышленности. Р’ РґСЂСѓРіРёС… странах РЅРµ было такого счастливого состояния, хотя РєРѕРµ-что Рё получалось.

В бывшем Советском Союзе Академия наук рассматривалась как важная часть государства и была богатой и сильной. В институтах, разбросанных по всей стране, работали тысячи исследователей, положение которых было значительно лучше, чем у тех, кто работал в других областях. Также существовали секретные лаборатории для военных целей, которые работали вместе с прекрасными академическими лабораториями, так как только с их помощью можно было получить необходимые приборы и методики.

Р’ Европе были организованы большие международные исследовательские центры, такие как ЦЕРН РІ Женеве. Рта огромная лаборатория была организована РїСЂРё финансовой поддержке Рталии, Франции,

Германии, Великобритании, Нидерландов и Бельгии. Были построены огромные ускорители и установки для исследований в области физики высоких энергий. Ни одна из стран в одиночку не смогла бы профинансировать это. Ускорители ЦЕРН дают в руки исследователям хорошо организованных международных групп большое количество частиц с высокой энергией. В довоенные годы исследования с такими частицами проводились в лабораториях, которые ожидали случайного появления малого числа таких частиц в виде космических лучей, их естественного источника. Разработка ускорителей означала, что такие частицы можно получать в большом количестве и работать с ними приемлемым лабораторным образом.

Большая финансовая поддержка СЃРѕ стороны Европы, Рё особенно Рталией, исследований РІ области частиц высоких энергий имеет СЃРІРѕРё РєРѕСЂРЅРё, заложенные престижем Ферми, Амальди Рё РґСЂ. Такая финансовая поддержка направлена РІ хорошо определенном направлении.

Тот факт, что разработка новых устройств, мазеров и лазеров произошла в США и в прежнем Советском Союзе, единственных странах, где исследования проводились в широких областях, можно рассматривать, как основную стратегию не концентрировать исследования лишь на определенных направлениях.

Огромные изменения роли физики Рё физиков РІ исследованиях, которые проводились РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, можно рассматривать для того, чтобы понять, как дорогостоящие исследования, без гарантии успеха Рё часто СЃ сомнительными перспективами, могли быть поддержаны без особых проблем. Мазер означал появление техники усиления, столь радикально отличающейся РѕС‚ тех, что обычно используются; РѕРЅР° РЅРµ могла появиться как простое улучшение уже известной электронной техники. Потребовались разработки РІ новых областях, таких как магнитный резонанс, микроволновая спектроскопия, которые принципиально проводились РІ РЎРЁРђ Рё были описаны нами РІ предыдущих главах. Более того, РІ то время электромагнитные волны генерировались Рё принимались, используя лампы (РґРёРѕРґС‹, триоды Рё РґСЂ. которые ныне совсем оставлены), РІ которых использовались электроны, испускаемые нитями, нагреваемыми электрическим током. Действие этих устройств, Р° также магнетронов, клистронов Рё РґСЂ., было совершенно понятно РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ законов классической электродинамики Максвелла. Рнженерам РЅРµ нужно было изучать квантовую механику, которая совершенно необходима для понимания работы мазера, вплоть РґРѕ 1948 Рі., РєРѕРіРґР° был открыт транзистор. Для понимания принципа работы этого устройства необходимо рассматривать электронные состояния РІ твердых телах, которые описываются законами квантовой механики. РЎ этого времени инженеры открыли для себя квантовую механику Рё стали изучать ее.

Сразу же после РІРѕР№РЅС‹ работы РїРѕ микроволновой спектроскопии стали, РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј развиваться РІ Америке РІ лабораториях прикладных исследований. Четыре независимые РіСЂСѓРїРїС‹ стали изучать газы СЃ помощью этой методики: Bell Labs, лаборатории Вестингауз, лаборатории RCA Рё Колумбийский университет, единственный РёР· университетов. После нескольких лет активности, которая была признанной экономически мало эффективной Рё прекращенной РІ промышленных лабораториях, исследования переместились РІ университеты, РіРґРµ физики Рё С…РёРјРёРєРё заинтересовались использованием микроволн для изучения молекул. Однако большинство молекул имеют наиболее интенсивные спектральные линии РЅР° длинах волн РІ миллиметровой области Рё слабо взаимодействуют СЃ излучением СЃ длинами волн около сантиметра, которое производилось генераторами радаров. Рто вызвало сильное желание спектроскопистов, занимающихся молекулярной спектроскопией, разрабатывать источники РІ миллиметровой Рё субмиллиметровой области. Военные были также заинтересованы РІ миллиметровых системах, поскольку РѕРЅРё были более компактны Рё более легкими для военных применений.