История лазера. Научное издание
Шрифт:
После доклада Стрэнберга на семинаре Бломберген спросил его, почему он рассматривает твердотельную систему для мазера, ведь она не обладает спектральной чистотой, характерной для аммиачного мазера. Стрэнберг объяснил, что он рассматривает совершенно другое применение, а именно усилитель с очень малыми шумами. Бломберген воодушевился этой идеей и обсудил ее с Бенжаменом Лэксом, главой группы Физики твердого тела, который познакомил его с работой Таунса и его французских коллег. Рв этой работе, и в идее Стрэнберга рассматривался двухуровневый мазер. Такое устройство предусматривало импульсный режим работы, и поэтому требовалось ненормально длительные времена релаксации. Очевидно, что устройство, лишенное
Знания Бломбергеном поведения вещества в магнитных полях позволило ему осознать, что для использования такого устройства нужно большее число уровней, которые можно получить, когда вещество подвержено магнитному полю (т.е. зеемановские уровни), чем два естественно существующих уровня молекулы. Поэтому Бломберген рассматривал эффект магнитного поля, чтобы выбрать по желанию два уровня, между которыми можно осуществить переход, настраивая частоту излучения, соответствующую разности энергий этих уровней. В результате он понял, что если вместо того, чтобы использовать два уровня, используется три уровня, тогда не нужно физически отделять молекулы в верхнем состоянии, но можно выбирать населенности уровней, путем искусного использования взаимодействий. Чтобы получить этот результат, он рассмотрел атомы, включенные в твердое тело в виде примесей. Атомы примеси замещают некоторые из атомов в твердом теле и находятся в изоляции друг от друга, окруженные соседними атомами твердого тела. В результате орбиты электронов атомов примеси очень мало возмущаются и остаются почти такими же, как в газовой фазе. Поэтому их уровни вполне отличны от уровней атомов твердого тела.
Чтобы понять предположение Бломбергена, вспомним, что атомы или ионы с n неспаренными электронами (т.е. с противоположными спинами) образуют во внешнем магнитном поле n + 1 магнитных уровней, интервал между которыми пропорционален напряженности магнитного поля (аномальный эффект Зеемана, который рассматривался в гл. 4). Теперь давайте рассмотрим вещество, обладающее тремя уровнями с неравными интервалами между ними (рис. 43). Некоторые парамагнитные ионы имеют такие уровни в подходящих кристаллах. Населенности уровней с энергиями Е1, Е2 и Е3 имеют населенности n1, n2 и n3 соответственно, и в условии термического равновесия мы имеем
n1 > n2 > n3
Рис. 43. Трехуровневая конфигурация парамагнитного материала
При обычных магнитных полях разности энергий между уровнями довольно малы и соответствуют микроволновым частотам. Они также малы по отношению к тепловой энергии атомов, и поэтому эти три населенности мало отличаются друг от друга.
Пусть теперь система подвергается сильному излучению накачки РЅР° частоте f13, которая соответствует разности энергий между уровнем 3 Рё уровнем 1. Такое поле, которое РјС‹ будем называть полем накачки, очевидно, поглощается Рё вызывает переходы между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё 1 Рё 3. Поскольку первоначально больше атомов находятся РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј СѓСЂРѕРІРЅРµ 1, система будет поглощать энергию, вызывая увеличение населенности СѓСЂРѕРІРЅСЏ 3 Р·Р° счет СѓСЂРѕРІРЅСЏ 1. Ртоговый эффект заключается РІ том, что населенности n1, Рё n3 стремятся стать равными СЃ увеличением n3 Рё уменьшением n1. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, населенность n2 РЅРµ подвержена влиянию этого поля Рё поэтому остается той же самой. Первоначально РѕРЅР° была слегка больше, чем n3, РЅРѕ затем, РІ результате действия
Бломберген математически проанализировал разные процессы, которые происходят, и пришел к заключению, что инверсную населенность можно получить, например, между уровнями 3 и 2, если время, требуемое атомам, чтобы вернуться обратно в основное состояние (так называемое время релаксации), удовлетворяет определенным условиям.
В этом месте мы должны сказать, что идея использовать трехуровневую систему, пришла также Басову и Прохорову. В 1955 г. они опубликовали предложение, в котором рассматривались молекулы газа, с тремя уровнями. Они показали, что возможно получить инверсную населенность, используя подходящие поля излучения. В отличие от Бломбергена, система, предлагаемая двумя российскими исследователями, не допускала перестройки по частоте. Кроме того, не обсуждалась важность релаксации, и ни один из предложенных методов не заработал.
Возвратимся РІ РЎРЁРђ. Р’ Bell Labs РіСЂСѓРїРїР°, РІ которой работал Гордон, поступивший РІ исследовательский центр после выполнения диссертации РїРѕРґ руководством Таунса Рё Р“. Феером, сумела получить мазерный эффект РІ образце кремния СЃ примесями РІ согласии СЃРѕ схемой, предложенной Таунсом Рё его французскими коллегами. Немного спустя, Рудольф Компфнер (19091977), руководитель исследований РїРѕ электронике, изобретатель лампы бегущей волны, привлек Р“. Сковила, сотрудника технического отдела, работающего над разработкой твердотельных устройств. Рти РґРІР° человека познакомились РІ Оксфордском университете, РіРґРµ работал Компфнер, Р° РЎРєРѕРІРёР» занимался изучением, как сделать твердотельный мазер, работающий РІ непрерывном режиме. 7 августа 1956 Рі. РЎРєРѕРІРёР» представил меморандум СЃ предложением использовать кристалл этилсульфата гадолиния, свойства которого РѕРЅ детально изучил РІРѕ время работы над своей диссертацией. Предполагалось использовать парамагнитные СѓСЂРѕРІРЅРё РІ РїРѕРґС…РѕРґРµ, идентичном предложению Бломбергена. РЎРєРѕРІРёР» подготовил статью для посылки РІ Phisical Review.
Сообщения Рѕ работах Бломбергена доходили РґРѕ научного центра Bell Labs, Р° Бломберген узнал, что что-то РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ этих лабораториях. Бломберген хотел запатентовать СЃРІРѕР№ мазер Рё стал беспокоиться, что РѕРЅ выдал слишком РјРЅРѕРіРѕ информации коллегам. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, РІ Bell Labs боялись, что может возникнуть неприятная ситуация СЃ приоритетами оригинальных идей Рё будущими судебными процессами Рѕ патенте. Ртак, Бломбергена пригласили представить СЃРІРѕРё результаты РІ Bell Labs, Рё 7 сентября 1956 Рі. РѕРЅ провел семинар РІ РќСЊСЋ Джерси (отделения Bell Labs расположены РІ РґРІСѓС… местах). РЎРєРѕРІРёР», РЅРµ знавший Рѕ работе Бломбергена, РїРѕРЅСЏР» РЅР° семинаре, РїРѕ его собственным словам, что Бломберген имел ту же идею Рё пришел Рє ней раньше меня. Так что СЏ РЅРµ послал РјРѕСЋ работу РІ печать.
Bell Labs приняла соглашение об использовании патента Бломбергена, тем самым, оставляя обеим группам возможность полюбовно договориться, как реализовать экспериментально первый мазер этого типа.
Между тем Бломберген опубликовал свое предложение в Physical Review, в статье, полученной 6 июля 1956 г. и опубликованной в номере от 15 октября того же года. В ней он дополнительно рассматривал некоторые возможные материалы, что могло помочь создать мазер.