История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹ самые знаменитые американские ученые сотрудничали СЃ военными, Рё теперь, РєРѕРіРґР° РІРѕР№РЅР° окончилась, это сотрудничество естественно продолжалось Рё желательным были взаимные контакты. Р’ этой атмосфере, РІ 1946 Рі., Военно-РјРѕСЂСЃРєРѕРµ министерство, Сигнальный РєРѕСЂРїСѓСЃ армии Рё Военно-воздушные силы образовали Объединенные службы программ РїРѕ электронике (JSEP), чтобы поддержать РґРІРµ лаборатории, которые проводили исследования РїРѕ электронике РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹ Рё которые продолжались. Рто Лаборатория радиации MIT, которая была реорганизована РІ Рсследовательскую лабораторию электроники, Рё Колумбийская лаборатория радиации физического факультета Колумбийского университета. Рљ концу 1946 Рі. Рє этой программе присоединился Гарвардский университет,
Министерство обороны США одобрительно относилось к этим лабораториям, которые продвигали науку и технологию, которые могли бы оказаться полезными в военном деле. Более того, они поддерживали высококвалифицированных ученых, стремясь привлечь их к военным задачам и заботясь о появлении нового поколения исследователей. Таким образом, и ученые, и военные работали в области генерации миллиметровых волн с большой взаимной заинтересованностью.
Р’ 1950-С… РіРі. назрело время для изобретения РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства, Рё, как это часто бывает, фундаментальные принципы его работы были установлены одновременно Рё независимо несколькими разными людьми. Читатель, которого РЅРµ сбили СЃ толку многочисленные отступления, совершенно необходимые для понимания нашей истории, может увидеть точный путь, который РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ нас Рє окончательной цели. После извилистого начала наше путешествие РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ СЃ введением Рйнштейном РІ 1916 Рі. концепции вынужденного излучения, которая сначала, РІ 1920-С… РіРі., была использована теоретиками для объяснения различных явлений, Рё которая позднее была экспериментально подтверждена. Р’ то время, РїРѕРєР° эта концепция была РІ умах исследователей, РІ 1930-С… РіРі. развивались микроволны Рё соответствующая техника, Рё немедленно после интенсивных исследований радаров РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, был открыт ядерный резонанс. Р’ экспериментах РїРѕ ядерному резонансу была получена инверсия населенности. РћРЅР° возникала РЅР° короткое время, как переходное явление, РЅРѕ была достоверно Рё правильно установлена. Точно так же была установлена роль вынужденного излучения Рё его противоположность РїРѕ отношению Рє явлению поглощения. Теперь давайте посмотрим, как вынужденное излучение было использовано для создания мазера.
Предложение Вебера
Первое изложение РІ публичной аудитории РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ принципа, РЅР° котором может работать мазер (однако без самого работающего устройства), было сделано Джозефом Вебером (19192000) РІ Оттаве (Канада) РІ 1952 Рі. РЅР° конференции РїРѕ электронным лампам (Electron Tube Research Conference). Рто была престижная конференция, РІ которой участвовали лишь РїРѕ приглашениям Рё РЅР° которой часто представлялись идеи для прогрессивных устройств.
Вебер был тогда молодым профессором электротехники университета Мэриленда Рё консультантом Военно-РјРѕСЂСЃРєРѕР№ лаборатории РЎРЁРђ. РћРЅ получил диплом РІ Аннаполисе Рё был первым РјРѕСЂСЃРєРёРј офицером, который был, как квалифицированный инженер РІ области микроволн, РІ секции электронного противодействия РІРѕ флоте. Здесь РѕРЅ имел возможность ознакомиться СЃ технологической важностью усилителей СЃ высокой чувствительностью Рє микроволновым Рё миллиметровым волнам, поскольку для целей противодействия вражеским радарам требовались такие усилители для обнаружения слабых волн РѕС‚ радаров. Рнформация Рѕ длинах волн, РЅР° которых работает радар, Рё РёС… источнике позволяла затем посылать сигналы, ослепляющие вражеские приемники Рё, Рё тем самым, РЅРµ позволяя врагу определять цели.
После демобилизации из флота он поступил в Католический университет Вашингтона. Квантовая механика была частью его занятий, и идея мазера появилась у него после лекции о вынужденном излучении Карла Герцфельда (18921978). Он получил докторскую степень по физике в 1951 г., работая в области микроволновой спектроскопии, и стал профессором в университете Мэриленда. Здесь он продолжал работы по микроволновой спектроскопии. Механизм поглощения и испускания, который имеет место, когда излучение взаимодействует с газом, всегда
Чтобы лучше понять, как это РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, Вебер рассматривал систему только СЃ РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, E1 Рё E2 (причем Р•2 > Р•1), РЅР° каждом РёР· которых имеется число атомов или молекул соответственно n1 Рё n2 (РјС‹ будем называть n1 Рё n2 населенностями энергетических уровней E1 Рё E2 соответственно). РљРѕРіРґР° микроволновая частота имеет правильное значение, поглощенная мощность пропорциональна населенности первого СѓСЂРѕРІРЅСЏ, С‚.Рµ. n1. Частицы, которые находятся РЅР° верхнем СѓСЂРѕРІРЅРµ 2, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, испускают вынужденное излучение РЅР° той же частоте, мощность которого пропорциональна n2. Ртоговая мощность равна разности между поглощенной Рё испущенной мощностью, С‚.Рµ. пропорциональна n1 n2. Поскольку РїСЂРё термическом равновесии n1 всегда больше, чем n2, Вебер заключал, что эта итоговая мощность всегда положительная величина. Поэтому РїСЂРё обычных условиях РјС‹ получаем поглощение излучения. Однако, добавлял РѕРЅ, РјС‹ можем получить усиление, если каким-РЅРёР±СѓРґСЊ СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј можно сделать число осцилляторов РІ верхнем состоянии большим, чем число РёС… РІ нижнем состоянии Рё заключал метод осуществить это, предложен РІ эксперименте Парселла РїРѕ отрицательной температуре.
Рти рассмотрения были сделаны Вебером РІ 1951 Рі. Рё представлены РЅР° конференции РІ 1952 Рі. Вебер позднее РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР», что РѕРЅ намеревался опубликовать СЃРІРѕРё результаты РІ широко читаемом журнале. Вместо этого, профессор Р“. Рейх РёР· Йельского университета написал ему, что РѕРЅ, будучи председателем конференции РІ 1952 Рі., является также редактором журнала (РЅРµ широко читаемого, РїРѕ мнению Вебера) Рё предполагает опубликовать РІ нем материалы конференции. Р’ результате краткое сообщение РІ РІРёРґРµ абстракта доклада было опубликовано РІ РёСЋРЅСЊСЃРєРѕРј номере 1953 Рі. Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices.
Р’ своей работе Вебер подчеркивал факт, что усиление является когерентным. Метод, который РѕРЅ предлагал для получения инверсной населенности, фактически РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ был осуществлен РЅР° практике Рё даже казался маловероятным быть реализованным. Более того, Вебера интересовал только усилитель. Рдея обратной СЃРІСЏР·Рё, столь существенная РІ мазере Таунса, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, РЅРµ представляла важности для Вебера, Рё РѕРЅ РЅРµ обсуждал ее. Вебер также оценил количественно возможности своего устройства, РЅРѕ расчеты, которые РѕРЅ получил РїСЂРё вычислениях, показали столь малые характеристики, что РѕРЅ решил оставить это Рё РЅРµ старался построить что-либо. Однако идея вызвала определенный интерес, Рё после представления своей работы РЅР° конференции, Вебер был приглашен RCA провести семинар РїРѕ его идее. Р—Р° это РѕРЅ получил гонорар 50$. После этого семинара Таунс написал ему, СЃ РїСЂРѕСЃСЊР±РѕР№ прислать РєРѕРїРёСЋ статьи. Однако Таунс РЅРµ ссылался РЅР° работу Вебера РІ СЃРІРѕРёС… первых работах, РЅРѕ ссылался РЅР° нее позже.
Попытки Вебера были отмечены IRE, РєРѕРіРґР° РѕРЅ был удостоен членством РІ 1958 Рі. Р·Р° его раннее установление концепции, приводящей Рє мазеру. РћРЅ провел 1955/56 академический РіРѕРґ, как член Рнститута передовых исследований РІ Принстоне Рё включился РІ изучение общей теории относительности. Р’ течение начала 1960-С… РіРі. РѕРЅ заинтересовался гравитационными волнами, Рё построил детекторы, которые, однако, РЅРµ дали определенных доказательств существования гравитационных волн.