История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Таунс и первый мазер

Между тем была выполнена наиболее известная работа, РІ которой было создано работающее устройство. Рта работа была проведена РІ Колумбийском университете, РІ котором проводились значительные исследования РІ области радиоспектроскопии, поддержанные дальновидным сотрудничеством СЃ военными организациями. Результатом РіСЂСѓРїРїС‹ исследователей, возглавляемой Р§. Таунсом, стало создание Рё запуск первого мазера. Чарльз Таунс родился РІ 1915 Рі. РІ Гринвилле, Южная Каролина (РЎРЁРђ). Р’ возрасте всего лишь 16 лет РѕРЅ поступил РІ университет. Хотя РѕРЅ РІСЃРєРѕСЂРµ обнаружил СЃРІРѕРµ пристрастие Рє физике, также изучал греческий, латинский, англо-саксонский, французский Рё немецкий языки Рё получил степень бакалавра РїРѕ современным языкам после 3-летнего

обучения в университете. В 4-й год он получил и степень по физике. Затем он преподавал и в возрасте 21 года закончил работу над диссертацией, продолжая изучать французский, русский и итальянский языки. Затем он поступил в Калифорнийский технологический институт, где в 1939 г. получил докторскую степень и получил назначение в Bell Telephone Laboratories. Во время войны работал над проектом радара для бомбардировщиков. Хотя Таунс предпочитал теоретическую физику, он тем не менее работал над этим практическим проектом

В то время старались увеличить рабочую частоту радаров. Военно-воздушные силы просили спроектировать радар с частотой 2400 МГц. Такой радар работал бы в неосвоенном диапазоне и обещал более точное бомбометание.

Однако Таунс, прочитав неопубликованный меморандум ван Флека РїРѕ теории поглощения РІ водяных парах, отметил, что излучение РЅР° такой частоте сильно поглощается водяными парами. Тем РЅРµ менее военные заказчики настаивали попробовать это. Ртак, Таунс построил такой радар Рё убедился, что РѕРЅ РЅРµ работает. Р’ результате этой работы Таунс стал интересоваться микроволновой спектроскопией (радиоспектроскопия).

Р’ 1947 Рі. РСЃРёРґРѕСЂ Раби предложил Таунсу перейти РёР· Bell Labs РІ Колумбийский университет для работы РІ его РіСЂСѓРїРїРµ. Рта РіСЂСѓРїРїР° продолжала исследования программы военных лет РїРѕ магнетронам для генерации миллиметровых волн, Рё эти исследования поддерживались военными. Таунс быстро стал авторитетом РІ области радиоспектроскопии Рё РІ использовании микроволн для изучения свойств веществ. Р’ эти РіРѕРґС‹ Таунс интересовался созданием атомных часов СЃ использованием поглощения микроволн РІ аммиаке для стабилизации частоты.

В 1950 г. он стал профессором физики. В это же время военные организовали специальный исследовательский комитет по изучению миллиметровых волн и предложили Таунсу быть председателем. Таунс проработал на этом посту почти два года и не был удовлетворен его деятельностью. В один из дней, когда он был по делам комитета в Вашингтоне, как он вспоминал:

По совпадению, я был в номере отеля с моим другом и коллегой Артуром Шавловым, который позднее занялся лазером. Я проснулся рано и, чтобы не беспокоить его, вышел, сел на скамейку в парке и стал ломать голову над тем, почему мы терпим неудачи (в создании генератора миллиметровых волн). Было ясно, что требуется найти способ сделать очень маленький, прецизионный резонатор с возможностью связать энергию, заключенную в нем, с электромагнитным полем. Но это наводило на мысль о молекуле, а техническая трудность создания такого маленького резонатора и обеспечения его энергией означала, что надо найти способ использовать молекулы! Пожалуй, свежий утренний воздух побудил меня внезапно увидеть, как это можно сделать. За несколько минут я набросал схему и рассчитал требования к молекулярно-пучковой системе, с помощью которой можно отделить молекулы с высокой энергией от молекул с низкой энергией, и затем пропустить их через резонатор, в котором заключено электромагнитное излучение, стимулирующее дальнейшее излучение от молекул. Тем самым обеспечивалась обратная связь и непрерывная генерация^[5].

РћРЅ думал, что был малый шанс РЅР° успех, Рё РЅРµ РіРѕРІРѕСЂРёР» РѕР± этом РЅРёРєРѕРјСѓ РЅР° собрании комитета. Осенью 1951 Рі., РІ Колумбии, Рє нему обратился Джеймс Гордон Р·Р° темой для своей диссертации. Рљ проекту, связанному СЃ темой диссертации Гордона, Таунс РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» присоединиться Херба Цайгера, поскольку Таунс понимал, что будет полезным участие эксперта РїРѕ молекулярным пучкам, который уже закончил диссертацию. Обучение Рё работа Цайгера РІ Колумбийском университете финансировалось корпорацией Юнион Карбайд. Двумя годами РґРѕ начала работы над мазером, РѕРґРёРЅ сотрудник компании, обладающий пророческим даром, СѓРіРѕРІРѕСЂРёР» руководство дать 10 000 $ тому, кто сможет установить, как получить интенсивное РРљ-излучение, СЃ целью выяснить возможности использования этого излучения для иницирования специфических

химических реакций. Несмотря РЅР° то, что Таунс настаивал, что РѕРЅ РЅРµ знает, как это сделать, хотя это Рё очень интересно, корпорация предоставила ему деньги для оплаты ассистентов (РїРѕСЃС‚-РґРѕРєРѕРІ). Рто дало возможность для работы Шавлова Рё Цайгера РІ РіРѕРґС‹ перед запуском мазера. Таким образом, Цайгер присоединился Рє проекту, предложенному Таунсом.

Р’ конструкции Таунса резонатор был очень важен. Действительно, требовалось удерживать РІ нем электромагнитную энергию как можно большее время для взаимодействия СЃ молекулами (С‚.Рµ. потери РІ нем должны быть минимальными). Детальные расчеты, сделанные осенью 1951 Рі., показали, что очень трудно сделать резонатор для длин волн РІ половину миллиметра, как первоначально полагал Таунс, надеясь использовать дейтерированный аммиак. Поэтому РѕРЅ решил сосредоточить СЃРІРѕРµ внимание РЅР° излучении СЃ длиной волны 1,25 СЃРј обычного аммиака, поскольку для такой длины волны уже существовали компоненты (резонатор), требуемые для успеха. Рто решение означало, переключить проект СЃ цели добиться успеха РІ области миллиметровых волн РЅР° демонстрацию РЅРѕРІРѕРіРѕ принципа генерации РІ уже известной спектральной области.

Основная идея представляется очень простой, теперь, РєРѕРіРґР° РјС‹ подготовлены Рє ней Рё можно только удивляться, почему никто РЅРµ додумался РґРѕ этого прежде. Если РјС‹ рассматриваем системы СЃ РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как это делал Вебер, то РјС‹ знаем, что мощность, излучаемая Р·Р° счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n₂ РІ верхнем состоянии, Р° поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n₂ РІ нижнем состоянии. Ртоговая мощность, которая является разностью поглощенной Рё испущенной мощности, как РјС‹ видели, пропорциональна разности n₁ n₂. РџСЂРё термическом равновесии, n₁ всегда больше, чем n₂ Рё, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. РќРѕ давайте рассмотрим, что случиться, если РјС‹ каким-РЅРёР±СѓРґСЊ СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј отберем частицы так, что отправим РІ РѕРґРЅСѓ сторону только те, которые находятся РІ верхнем состоянии. Теперь число n₂ будет больше, чем n₁ Рё поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, РјС‹ получаем устройство, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРµ испускать излучение СЃ частотой, соответствующей разности энергий между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Рто устройство является генератором, Рё над РЅРёРј-то Рё размышлял Таунс.

Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ атома азота Рё трех атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, NH₃) представляет треугольную пирамиду (СЂРёСЃ. 41, Р°) СЃ тремя атомами РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ углах основания Рё атомом азота РЅР° вершине. Рти три атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° можно рассматривать лежащими РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости, Р° атом азота лежащим РІ РґСЂСѓРіРѕР№ плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Потенциальная энергия атома азота РІ зависимости РѕС‚ его расстояния РѕС‚ плоскости атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° показана РЅР° СЂРёСЃ 41, Р±. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет РјРёРЅРёРјСѓРј РїРѕ РѕР±Рµ стороны РѕС‚ этой плоскости СЃ потенциальным барьером, имеющим максимум РІ плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль РѕСЃРё, перпендикулярной этой плоскости, Рё может переходить РёР· положения вверху плоскости РІ положение ниже ее, Рё обратно. Такой переход обозначается как инверсия. РљСЂРѕРјРµ того, молекула вращается РІРѕРєСЂСѓРі взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, РІСЃРµ колебательные Рё вращательные движения квантованы, Рё поэтому РёС… энергии представляются дискретными энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 41, Р±.

Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)

Гордон, Цайгер Рё Таунс, после некоторой модификации РёС… идеи, решили наблюдать переход между нижней колебательной парой РІРѕ вращательном состоянии СЃ тремя числами углового момента около каждой РёР· осей, который обозначается 3-3 состояние. Ртому переходу соответствует частота 23 830 МГц.