История лазера. Научное издание
Шрифт:
Рдея Таунса заключалась РІ том, чтобы получить некоторым СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј пучок молекул, например нагревом, Р° затем отделить тех, которые РІ возбужденном состоянии, РѕС‚ тех, которые РЅР° нижнем состоянии. Рто можно было сделать, учитывая интересное свойство молекулы: РїСЂРё приложении электрического поля молекула деформируется Рё возникает малый дипольный момент для РѕР±РѕРёС… чисел вращательной пары, РЅРѕ противоположного знака. Если электрическое поле неоднородно, получается тот же эффект, который наблюдался Штерном Рё Герлахом, Рё РЅР° молекулу будет действовать сила СЃ противоположным направлением для каждого числа пары. Проект предусматривал использовать сильное электростатическое неоднородное поле, действующее РЅР° пучок молекул аммиака, Рё сфокусировать возбужденные молекулы
В 1950-е гг. Вольфганг Поль (1913-1993) вместе с Хельмутом Фридбургом и Гансом Беневитцем спроектировали специальные электрические и магнитные линзы (квадрупольные) для фокусирования атомных и молекулярных пучков. Таунс думал об использовании таких линз для разделения молекул. Поля таких линз и были использованы в аммиачном мазере и в водородном мазере. Позднее Поль разработал трехмерную версию, способную удерживать ионы в малой области (ловушка Поля). С помощью этого устройства можно исследовать одиночные атомы, что было невозможно раньше. За это Поль был награжден в 1989 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Рамси и Гансом Демельтом, которые также построили подобную ловушку, но другой конструкции.
Таунс надеялся отселектировать РІ пучке больше молекул, находящихся РІ верхнем состоянии, РѕС‚ молекул РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии. Ртим СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј РѕРЅ РјРѕРі Р±С‹ реализовать то, что РјС‹ называем инверсией населенности, Рё каждая молекула, переходя РІ нижнее состояние СЃ испусканием кванта, могла Р±С‹ заставить РґСЂСѓРіРёРµ молекулы делать то же самое. Р’ результате резонатор РјРѕРі Р±С‹ испускать излучение РЅР° частоте около 24 000 МГц. Таунс четко понимал необходимость резонатора, который связывает излучение СЃ возбужденной средой.
Таунс осознавал свою ответственность, в частности, перед Гордоном, который выполнял работу своей докторской диссертации в рамках проекта, результат которого не гарантировался. Я не уверен, что работа получится, но даже в этом случае мы сможем сделать другие вещи, в результате Таунс пообещал Гордону, что даже если метод не сработает, он сможет использовать установку для исследований спектров микроволнового поглощения аммиака. Таким образом, Гордон работал в двух направлениях. Он мог изучить сверхтонкую структуру аммиака (разделение энергетических состояний на многие подуровни из-за взаимодействия между электроном и ядром) с большей точностью, чем это удавалось прежде.
Достижения в работе были описаны в квартальных отчетах Факультета и содержали некоторые данные, интересные для тех, кто занимался физикой микроволн. Первая публикация с упоминанием этого мазерного проекта появилась в сообщении Цайгера и Гордона 31 декабря 1951 г., которое было озаглавлено Молекулярный Пучковый Генератор. В нем сообщались предварительные расчеты основных элементов этого генератора.
В течение двух лет группа Таунса продолжала работать. За это временя, два друга Таунса приходили в лабораторию и старались уговорить его бросить эту чепуху и прекратить тратить казенные деньги (Таунс уже потратил 30 000 $, предоставленных военными).
Наконец, РІ РѕРґРёРЅ РёР· дней апреля 1953 Рі., Джеймс Гордон вбежал РЅР° спектроскопический семинар, который РїСЂРѕРІРѕРґРёР» Таунс, СЃ РєСЂРёРєРѕРј: РѕРЅ работает! Рстория РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что Таунс, Гордон Рё РґСЂСѓРіРёРµ студенты (Цайгер Рє этому времени оставил Колумбию Рё перешел РІ Линкольновскую лабораторию Рё его заменил Рў. Ванг) отправились РІ ресторан, чтобы отметить событие Рё придумать для РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства латинское или греческое название (последнее без успеха). Только несколько дней спустя РѕРЅРё СЃ помощью некоторых студентов придумали аббревиатуру МАЗЕРусиление микроволн СЃ помощью стимулированного излучения (MASER Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Рто название появилось РІ заголовке работы, опубликованной РІ Physical Review, РЅРѕ недоброжелатели расшифровывали это, как СЃРїРѕСЃРѕР±С‹ получения поддержки для дорогостоящих исследований {Means of Acquiring Support for Expensive Research)\
Блок-схема аппаратуры показана на рис. 42. Через отверстие в маленькой печи с точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. В этом пучке содержатся молекулы, находящиеся как в нижнем, так
Рис. 42. Схема аммиачного мазера
Принципиальной характеристикой мазера является крайне РЅРёР·РєРёР№ уровень шумов как РІ режиме генерации, так Рё РІ режиме усиления. Рто означает, что сигнал очень чистый Рё ясный, Рё РІСЃРµ фотоны испускаются когерентно. Лишь очень малое число фотонов испускается хаотически РІ результате спонтанного, Р° РЅРµ вынужденного излучения. Р’Рѕ РјРЅРѕРіРёС… электронных устройствах шумы возникают РёР·-Р·Р° флуктуации числа электронов, которые создают электрический ток. Рти флуктуации пропорциональны температуре Рё РЅРµ зависят РѕС‚ конкретного устройства. Поэтому Сѓ инженеров принято характеризовать шумы устройств, относя РёС… Рє шумам эквивалентной температуры, С‚.Рµ. температуре, РїСЂРё которой через электрическое сопротивление протекает столько электронов, сколько нужно, чтобы получить наблюдаемые флуктуации. Р’ то время, как для сопротивления обычной цепи температура шума практически является комнатной (С‚.Рµ. 300 Рљ), для мазера эквивалентная температура шумов очень низкая, РїРѕСЂСЏРґРєР° нескольких Рљ.
Таунс сразу же РїРѕРЅСЏР», что РѕРґРЅРёРј РёР· важных применений мазеров РЅР° молекулярных пучках должна быть молекулярная спектроскопия. Молекулярные пучки уже РІ начале 1950-С… РіРі. рассматривались спектроскопистами, изучающими газы. Однако была проблема. Специфика получения молекулярного пучка РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє малой плотности молекул РІ ячейке спектрометра. РљСЂРѕРјРµ того, молекулы РІ пучке находятся РІ термическом равновесии или близко Рє нему, Р° это значит, что процессы поглощения Рё излучения РїРѕ отношению внешнего излучения почти равные. Следовательно, сигнал поглощения будет слабым, поскольку число молекул РІ нижнем состоянии лишь слегка превосходит число молекул РІ верхнем состоянии. Р’ пучке, который получал Таунс, РІСЃРµ молекулы селектировались РїРѕ РёС… энергетическим состояниям. Рто РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє тому, что сигнал увеличивается РІ сто раз. Рто позволяло Гордону использовать принцип мазера для спектроскопических исследований.
Мощность первого мазера составляла только 0,01 РјРєР’С‚. Рто очень мало, РЅРѕ испускалась очень узкая линия. Чтобы определить, насколько чиста испускаемая частота, Таунс Рё его РіСЂСѓРїРїР° построили второй мазер, чтобы сравнить частоты, испускаемые РґРІСѓРјСЏ независимыми мазерами. Р’ начале 1955 Рі. РѕРЅРё установили, что РІ течение РѕРґРЅРѕР№ секунды частоты различались только РЅР° 4 части РѕС‚ 1012, Р·Р° больший интервал около 1 часа частоты различались лишь РІ пределах нескольких частей РЅР° 1010.