История лазера. Научное издание
Шрифт:
С другой стороны, если внутри резонатора ФабриПеро поместить инвертированную среду, то на этих резонансных частотах получается увеличенное взаимодействие между излучением и возбужденными атомами. В результате испускается излучение на определенных оптических длинах волн. Хотя размеры этого резонатора теперь много большие, чем длина волны, в нем происходит хорошая селекция возможных типов колебаний (мод), так как только излучение, которое распространяется взад и вперед между зеркалами, может генерироваться. Другое излучение, распространяющее даже под малым углом к поверхности зеркал, покидает резонатор после нескольких отражений.
Предложение Фабриканта
Как
Фабрикант начал СЃРІРѕСЋ научную карьеру студентом физико-математического факультета РњРѕСЃРєРѕРІСЃРєРѕРіРѕ университета Сѓ Р“.РЎ. Ландсберга. После окончания его РѕРЅ поступил РЅР° работу РІРѕ Всесоюзный электротехнический институт (Р’РР). Р’ 1932 Рі. его внимание было сконцентрировано РЅР° проблемах оптики Рё свойств электрического разряда РІ газах. РћРЅ опубликовал СЂСЏРґ работ, РІ которых РѕРЅ изучал спектральный состав Рё интенсивность излучения, испускаемого РїСЂРё электрических разрядах РІ газах, РІ частности, исследуя процессы столкновений между возбужденными атомами Рё электронами Рё передачи энергии, происходящие РІ этих процессах.
Атом или очень быстрый электрон может столкнуться СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом Рё передать часть своей энергии, которая, если РѕРЅР° достаточная, может возбудить ударяемый атом Рё перевести его РЅР° возбужденный уровень. Рто называется столкновением первого СЂРѕРґР°. Также существует РґСЂСѓРіРѕР№ РІРёРґ столкновения, который называется столкновением второго СЂРѕРґР°. Р’ нем атом, который уже находится РІ возбужденном состоянии сталкивается СЃ РґСЂСѓРіРёРј атомом, который находится РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј состоянии, Рё передает ему СЃРІРѕСЋ энергию. Р’ результате первый атом возвращается РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ состояние, Р° второй атом перепрыгивает РЅР° возбужденный уровень. РћР±Р° эти атома необязательно должны быть РѕРґРЅРѕРіРѕ Рё того же РІРёРґР°; существенно, что РѕР±Р° возбужденных СѓСЂРѕРІРЅСЏ имеют РѕРґРЅСѓ Рё ту же энергию. Если РґРІР° атома разного РІРёРґР°, то тогда возможно СЃ помощью этого механизма, что атомы РѕРґРЅРѕРіРѕ РІРёРґР°, скажем Рђ, возбуждают атомы РґСЂСѓРіРѕРіРѕ РІРёРґР°, скажем Р’, РїСЂРё этом возбужденный уровень может иметь больший номер, чем тот, что получился Р±С‹ РІ результате термических столкновений первого СЂРѕРґР°. Р’ результате, для атомов Р’ может получиться распределение РЅР° некоторых СѓСЂРѕРІРЅСЏС…, которое будет отличаться РѕС‚ распределения Максвелла Больцмана. Рта возможность Рё интересовала Фабриканта.
Р’ 1939 Рі. РѕРЅ стал изучать возможность получения населенностей возбужденных атомов, больших, чем следует РёР· распределения Больцмана, Рё старался показать, что РєРѕРіРґР° излучение РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через среду, РІ которой реализована такая инверсия, населенностей, то возможно наблюдать усиление излучения, Р° РЅРµ поглощение. После РѕРЅ предложил СЃРїРѕСЃРѕР± экспериментально реализовать инверсную населенность РїСЂРё разряде РІ смеси газов, РїСЂРё котором используются столкновения атомов. Рти результаты были включены РІ его докторскую диссертацию, которую РѕРЅ защитил РІ 1939 Рі. Р’ это время интересы Фабриканта были связаны СЃ получением экспериментальных доказательств существования вынужденного излучения. Позднее РѕРЅ рассматривал эту проблему более интенсивно, Рё 18 РёСЋРЅСЏ 1951 Рі., РѕРЅ подал вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё сотрудниками заявку РЅР° патент относительно РЅРѕРІРѕРіРѕ метода усиления света, озаглавленную: Метод усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, РІРёРґРёРјРѕРіРѕ, инфракрасного Рё радиоволн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, РІ которой СЃ помощью дополнительного излучения, или РґСЂСѓРіРёРјРё способами, создается избыток концентрации РЅР° верхних СѓСЂРѕРІРЅСЏС… РїРѕ отношению Рє равновесной концентрации атомов, РґСЂСѓРіРёС… частиц, или систем. Р’ патенте идеи использования вынужденного излучения для усиления излучения были развиты более конкретным образом.
Однако патент был опубликован лишь в 1959 г. и нет возможности знать, какая формулировка и описание были в первоначальной заявке. Формулировка 1959 г. очень общая и, практически, покрывает
Работа Фабриканта имеет исторический интерес, поскольку РѕРЅ Рє своей концепции шел СЃРѕ стороны оптики, без прохождения фазы мазера. Работа РЅРµ оказала никакого влияния РЅР° развитие Рё мазера Рё лазера, поскольку РѕРЅР° стала известной, после того как РѕР±Р° устройства были реализованы. Даже РІ Р РѕСЃСЃРёРё отношение его коллег Рє его идее было, вероятно, РЅРµ слишком серьезным, РѕРЅ сам РЅРµ опубликовал СЃРІРѕРё результаты. Только после того, как были построены первые мазеры Рё лазеры, Правительство вспомнило Рѕ нем. Р’ 1965 Рі. Академия наук СССРнаградила его Золотой медалью РЎ.Р. Вавилова Р·Р° важные работы РїРѕ оптике Рё газовому разряду. РћРЅ получил Государственную премию РЎРЎРЎР Р·Р° разработку люминесцентных ламп.
Оптическая бомба
Р’ Америке Роберт Дике (19161997) опубликовал РІ 1953 Рі. работу, РІ которой РѕРЅ ввел РЅРѕРІСѓСЋ концепцию, которую назвал сверхизлучением. Рто было стержнем обсуждения метода получения излучения СЃ характерной когерентностью. Поскольку РІ 1953 Рі. названий мазер Рё лазер еще РЅРµ существовало, Дике назвал СЃРІРѕРµ устройство оптической Р±РѕРјР±РѕР№, предсказывая, что РѕРЅРѕ СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕ испустить крайне короткий Рё интенсивный импульс света.
Дике был профессором физики в Принстонском университете и консультантом RCA. Он интересовался основными проблемами физики и сделал важный вклад в изучение гравитации, но также не был чужд изобретательства. Должность консультанта помогала ему облекать некоторые из своих идей в патенты или в проекты для лабораторий фирмы. Он интересовался методами сужения линии излучения атома водорода, чтобы изучить взаимодействие электрона с ядром, и это привело его к исследованию общих свойств когерентного излучения и к концепции сверхизлучения. Узкие линии были важны для создания стандартов частоты, и RCA имела контракт с военными, основанный на идее Дике получения когерентного излучения. Позднее, в 1960 г. он стал интересоваться гравитацией, а в 1964 г. теорией Большого Взрыва и побудил своего коллегу Пиблса рассчитать температуру излучения черного тела, оставшегося как память об этом великом взрыве. В начале февраля 1956 г. Дике описал в своей записной книжке три изобретения. Одно касалось исследований переходов в аммиаке для получения излучения в миллиметровой области. Второе было методом получения большей мощности за счет формирования источника молекул аммиака в виде кольца вокруг микроволнового резонатора. Третье предлагало использовать такой кольцевой мазер, чтобы генерировать волны в диапазоне от 0,25 до 0,03 мм, т.е. вплоть до инфракрасной области. Чтобы сделать свой мазер работающим в этой части спектра, Дике заменил микроволновый резонатор парой параллельных зеркал, т.е. эталоном ФабриПеро. На основе этой идеи в 1958 г. был выдан патент под названием: Молекулярные системы и методы усиления и генерации. Однако эта идея не получила развития.
Предложение Таунса и Шавлова
Тем временем в Советском Союзе Басов и Прохоров в Физическом институте им. П.Н. Лебедева исследовали, как продвинуть свойства мазера в видимый диапазон, а Гордон Голд (г. р. 1920), работал в США над своим собственным проектом, о котором мы расскажем после.
Но Чарльз Таунс и Артур Шавлов были первыми, кто опубликовали детальное и исчерпывающее предложение, которое и привело впоследствии к конструкциям лазеров разного типа.
В 1957 г. Чарльз Таунс приступил к рассмотрению проблем, связанных с созданием устройств, подобных мазеру, работающих на оптических длинах волн. Таунс проводил эту работу в тесном сотрудничестве с Артуром Шавловым, физиком, работающим в то время в Bell Labs.