История лазера - Марио Бертолотти

После демобилизации из флота он поступил в Католический университет Вашингтона. Квантовая механика была частью его занятий, и идея мазера появилась у него после лекции о вынужденном излучении Карла Герцфельда (1892—1978). Он получил докторскую степень по физике в 1951 г., работая в области микроволновой спектроскопии, и стал профессором в университете Мэриленда. Здесь он продолжал работы по микроволновой спектроскопии. Механизм поглощения и испускания, который имеет место, когда излучение взаимодействует с газом, всегда интересовал его. В типичном эксперименте микроволновой спектроскопии микроволны от некоторого источника попадают на приемник. Если между источником и приемником располагается газ, то можно наблюдать поглощение некоторой части падающего излучения. Какова природа этого поглощения? Оно происходит, если молекулы газа обладают парой уровней и разность энергий между ними, деленная на постоянную Планка, приблизительно равна частоте микроволн.

Чтобы лучше понять, как это происходит, Вебер рассматривал систему только с двумя энергетическими уровнями, E1 и E2 (причем Е2 > Е1), на каждом из которых имеется число атомов или молекул соответственно n1 и n2 (мы будем называть n1 и n2 населенностями энергетических уровней E1 и  E2 соответственно). Когда микроволновая частота имеет правильное значение, поглощенная мощность пропорциональна населенности первого уровня, т.е. n1. Частицы, которые находятся на верхнем уровне 2, в свою очередь, испускают вынужденное излучение на той же частоте, мощность которого пропорциональна n2. Итоговая мощность равна разности между поглощенной и испущенной мощностью, т.е. пропорциональна n1 — n2. Поскольку при термическом равновесии n1 всегда больше, чем n2, Вебер заключал, что «эта итоговая мощность всегда положительная величина. Поэтому при обычных условиях мы получаем поглощение излучения». Однако, добавлял он, «мы можем получить усиление, если каким-нибудь способом можно сделать число осцилляторов в верхнем состоянии большим, чем число их в нижнем состоянии» и заключал «метод осуществить это, предложен в эксперименте Парселла по отрицательной температуре».

Эти рассмотрения были сделаны Вебером в 1951 г. и представлены на конференции в 1952 г. Вебер позднее объяснял, что он намеревался опубликовать свои результаты в широко читаемом журнале. Вместо этого, профессор Г. Рейх из Йельского университета написал ему, что он, будучи председателем конференции в 1952 г., является также редактором журнала (не широко читаемого, по мнению Вебера) и предполагает опубликовать в нем материалы конференции. В результате краткое сообщение в виде абстракта доклада было опубликовано в июньском номере 1953 г. Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices.

В своей работе Вебер подчеркивал факт, что усиление является когерентным. Метод, который он предлагал для получения инверсной населенности, фактически никогда не был осуществлен на практике и даже казался маловероятным быть реализованным. Более того, Вебера интересовал только усилитель. Идея обратной связи, столь существенная в мазере Таунса, как мы увидим, не представляла важности для Вебера, и он не обсуждал ее. Вебер также оценил количественно возможности своего устройства, но расчеты, которые он получил при вычислениях, показали столь малые характеристики, что он решил оставить это и не старался построить что-либо. Однако идея вызвала определенный интерес, и после представления своей работы на конференции, Вебер был приглашен RCA провести семинар по его идее. За это он получил гонорар 50$. После этого семинара Таунс написал ему, с просьбой прислать копию статьи. Однако Таунс не ссылался на работу Вебера в своих первых работах, но ссылался на нее позже.

Попытки Вебера были отмечены IRE, когда он был удостоен членством в 1958 г. за «его раннее установление концепции, приводящей к мазеру». Он провел 1955/56 академический год, как член Института передовых исследований в Принстоне и включился в изучение общей теории относительности. В течение начала 1960-х гг. он заинтересовался гравитационными волнами, и построил детекторы, которые, однако, не дали определенных доказательств существования гравитационных волн.

Таунс и первый мазер

Между тем была выполнена наиболее известная работа, в которой было создано работающее устройство. Эта работа была проведена в Колумбийском университете, в котором проводились значительные исследования в области радиоспектроскопии, поддержанные дальновидным сотрудничеством с военными организациями. Результатом группы исследователей, возглавляемой Ч. Таунсом, стало создание и запуск первого мазера. Чарльз Таунс родился в 1915 г. в Гринвилле, Южная Каролина (США). В возрасте всего лишь 16 лет он поступил в университет. Хотя он вскоре обнаружил свое пристрастие к физике, также изучал греческий, латинский, англо-саксонский, французский и немецкий языки и получил степень бакалавра по 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 по теории поглощения в водяных парах, отметил, что излучение на такой частоте сильно поглощается водяными парами. Тем не менее военные заказчики настаивали попробовать это. Итак, Таунс построил такой радар и убедился, что он не работает. В результате этой работы Таунс стал интересоваться микроволновой спектроскопией (радиоспектроскопия).

В 1947 г. Исидор Раби предложил Таунсу перейти из Bell Labs в Колумбийский университет для работы в его группе. Эта группа продолжала исследования программы военных лет по магнетронам для генерации миллиметровых волн, и эти исследования поддерживались военными. Таунс быстро стал авторитетом в области радиоспектроскопии и в использовании микроволн для изучения свойств веществ. В эти годы Таунс интересовался созданием атомных часов с использованием поглощения микроволн в 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].

Он думал, что был малый шанс на успех, и не говорил об этом никому на собрании комитета. Осенью 1951 г., в Колумбии, к нему обратился Джеймс Гордон за темой для своей диссертации. К проекту, связанному с темой диссертации Гордона, Таунс попросил присоединиться Херба Цайгера, поскольку Таунс понимал, что будет полезным участие эксперта по молекулярным пучкам, который уже закончил диссертацию. Обучение и работа Цайгера в Колумбийском университете финансировалось корпорацией Юнион Карбайд. Двумя годами до начала работы над мазером, один сотрудник компании, обладающий пророческим даром, уговорил руководство дать 10 000 $ тому, кто сможет установить, как получить интенсивное ИК-излучение, с целью выяснить возможности использования этого излучения для иницирования специфических химических реакций. Несмотря на то, что Таунс настаивал, что он не знает, как это сделать, хотя это и очень интересно, корпорация предоставила ему деньги для оплаты ассистентов (пост-доков). Это дало возможность для работы Шавлова и Цайгера в годы перед запуском мазера. Таким образом, Цайгер присоединился к проекту, предложенному Таунсом.