История лазера. Научное издание
Шрифт:
Однажды Пензиас обсуждал эту проблемы шумового излучения с Бернардом Бурке из MIT, который вспомнил о теоретических исследованиях излучения во Вселенной, проводимых П. Пиблесом из группы профессора Р. Дике в Принстоне. Пензиас позвонил Дике, и он прислал ему работу Пиблеса. В ней, Пиблес, следуя предположениям Дике, рассчитал, что Вселенная должна быть наполнена реликтовым излучением черного тела с минимальной температурой около 10 К, остатком первобытного взрыва Вселенной (Большой Взрыв). В 1948 г. Джордж Гамов уже выполнил расчеты первоначальных условий во Вселенной. Модель Большого Взрыва предполагает, что Вселенная родилась в результате гигантского взрыва. Сразу же после него температура
Во времена нашей истории проблема этого излучения, забытая на некоторое время, снова обсуждалась астрофизиками, и группа Дике очень заинтересовалась. После первого контакта Дике и его сотрудники посетили Пензиаса и Вилсона и убедились в реальности их измерений. После этого в Astrophysical Journal были направлены два письма: одно за подписью Пензиаса и Вилсона объявляло об открытии, а второе, подписанное Дике, Пиблесом, Роллом и Вилкинсоном, давало теоретическое объяснение.
Рис. 47. Спектр космического фонового радиоизлучения, измеренного спутником СОВЕ в 1989 г. Точками показаны экспериментальные значения, а сплошная кривая относится к спектру при 2,735 К, рассчитанному по формуле Планка для черного излучения
Р—Р° это открытие Пензиас Рё Вилсон получили Нобелевскую премию РїРѕ физике РІ 1978 Рі. Совсем нет необходимости говорить, что это открытие стало возможным благодаря использованию мазера, обладающего крайне малыми собственными шумами. Рменно это обстоятельство позволило измерить температуру реликтового излучения. Более точные современные измерения дают 2,735 Рљ, Рё это является частью экспериментальных доказательств модели Большого Взрыва (СЂРёСЃ. 47). РќРѕ почему именно 2,735 Рљ, Р° РЅРµ РґСЂСѓРіРѕРµ значение, является РѕРґРЅРѕР№ РёР· наиболее важных проблем современной космологии, относящейся Рє фундаментальным аспектам строения Рё эволюции Вселенной. Р’СЃРµ это ждет своего ответа.
Атомные часы
Было установлено, что наиболее интересным применением мазеров на атомных пучках является создание атомных часов. Очень точные часы можно использовать, чтобы установить, являются ли астрономические константы действительно постоянными или они изменяются со временем. Также
Мазер является оптимальным стандартом частоты, который обеспечивает лучшую точность по сравнению с уже существовавшими атомными часами. Для этой цели водородный мазер стал особенно полезен. Он был создан Рамси и его сотрудниками в 1961 г. и был первым атомным мазером. Его очень точная испускаемая частота была использована для стабилизации микроволнового генератора в системе двух полей Рамси.
Водородный мазер (работает на частоте 1420 МГц) был использован в 1976 г. для проверки положений общей теории относительности. Его также использовали для управления полетом Вояджера-2 в его исторической миссии к Нептуну.
Генерация от ускоренных электронов
В начале 1951 г. физик Ганс Мотц (19091987) предложил новый способ получения излучения на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн, который не включал явного упоминания процессов инверсии населенности или вынужденного излучения, даже если эти концепции неявно использовались в принципе работы. Позднее это устройство превратилось в один из многих путей получения лазерного излучения, получившего название лазер на свободных электронах. Сегодня это один из немногих лазеров, генерирующих очень короткие длины волн.
Мотц сделал свое предложение в 1951 г., когда он был в Стенфордском Университете (Калифорния, США). Его идея заключалась в том, чтобы пропустить пучок электронов через набор магнитов с переменной полярностью.
РџРѕРґ действием магнитного поля электрон движется уже РЅРµ РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№, Р° РїРѕ РґСѓРіРµ окружности. РљРѕРіРґР° электрон попадает РІ поле противоположного знака, РґСѓРіР° изгибается РІ противоположном направлении, Рё траектория становится последовательностью полуокружностей, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 48. Рлектроны, движущиеся РїРѕ таким искривленным траекториям, должны испускать излучение согласно законам электромагнетизма. РџСЂРё определенных условиях излучение РѕС‚ отдельных сегментов может стать непрерывным цугом волн. Поскольку электроны РІ пучке движутся СЃ очень высокой скоростью, необходимо учитывать теорию относительности. РћРЅР° показывает, что благодаря ограничениям, следующим РёР· этой теории, длины волн испускаемого излучения связаны СЃ радиусами полуокружностей, РЅРѕ РјРЅРѕРіРѕ короче, попадая РІ область миллиметров или субмиллиметров, Р° РїСЂРё особых конструкциях даже РІ видимый спектр Рё еще короче длин волн. Рнтересной особенностью такого устройства является то, что РїСЂРё изменении энергии электронов или РїСЂРё изменении расстояния между полюсами магнитов, можно изменять длину волны, С‚.Рµ. получать источник СЃ непрерывной перестройкой длины волны.
Мотц дал экспериментальную демонстрацию в 1953 г. в Стенфорде, используя линейный ускоритель, и получил излучение мощностью в несколько ватт на длине волны 1,9 мм.
Рис. 48. Мазер или лазер на свободных электронах. Пучок электронов проходит через ряд магнитов с противоположной ориентацией поля (N и S обозначают северный и южный полюса). В результате электрон совершает движение по полуокружностям в плоскости, ортогональной полям, и излучает электромагнитные волны (на рисунке не показаны)