История лазера - Марио Бертолотти

В это время Прохоров руководил исследованиями синхротронного излучения, т.е. света, который испускается электронами при их ускорении по круговой орбите в этом ускорителе. Басов стал работать над проектом по изучению этого явления. Затем Вавилов, который был директором института, предложил им включиться в радиоспектроскопию. В результате они построили радиоспектроскоп и стали проводить эксперименты, среди которых было изучение некоторых радиоактивных ядер.

Группу интересовала молекулярная спектроскопия колебательных и вращательных состояний. Всех беспокоила малая чувствительность спектроскопа. Дело в том, что населенности верхнего и нижнего уровней почти одинаковы и отличаются всего лишь на одну тысячную, и это дает малый коэффициент поглощения. Группа надеялась изменить такую разность населенностей, что позволило бы увеличить чувствительность в тысячу раз. Они также изучали возможность использовать микроволновые спектры поглощения для создания стандартов частоты и времени. Точность микроволнового стандарта частоты определялась разрешающей способностью радиоспектроскопа. Она, в свою очередь, исключительно зависит от ширины самой линии поглощения. Было найдено, что эффективным способом сужения линии поглощения является использование спектроскопов в сочетании с молекулярными пучками. Однако, как говорилось, чувствительность спектроскопов ограничивалась малой разностью населенностей уровней в микроволновой области. Поэтому на этой стадии работы возникла идея: нельзя ли искусственно существенно изменить населенности уровней. Рассматривалось использование эффектов разделения из-за различного отклонения в неоднородных электрических или магнитных полях. Для этого требуются молекулы с большим дипольным моментом, и они выбрали флюорит цезия (CsF). В то же время они понимали, что для изучения энергетических уровней молекул они могут использовать не только процессы поглощения, которые традиционно используются в спектроскопии, но и излучения возбужденных молекул. Пропускание пучка молекул, находящихся в верхнем состоянии, через резонатор, так, чтобы поле в нем взаимодействовало с молекулами пучка и вызывало генерацию волн, было теоретически описано ими в работе, представленной на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. На эту работу Прохоров и Басов ссылались в своей обзорной статье, написанной в 1955 г. На этой конференции они обсуждали возможность возбуждения таким способом молекул CsF. Во время обсуждения также было предложено использовать аммиак, который был хорошо известен спектроскопистам во всем мире.

Первая опубликованная работа Прохорова и Басова была послана в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» в декабре 1953 г. и напечатана в октябре 1954 г., т.е. после публикации статьи Таунса о мазере. Задержка в публикации получилась из-за желания авторов исправить некоторые ошибки в формулах. Эта работа Прохорова и Басова содержала детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков в радиоспектроскопии. Авторы показали, что молекулы одного итого же вещества, находящиеся в пучке в разных энергетических состояниях, могут быть разделены путем пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. Молекулы, разделенные по энергетическим состояниям, затем пропускаются через микроволновый резонатор, где получается поглощение или усиление (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). Прохоров и Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который они назвали «молекулярным генератором».

Несмотря на изоляцию — очень малому числу физиков разрешалось выезжать заграницу, — российские ученые получали информацию об исследованиях в мире благодаря научным журналам. Басов, который для своей докторской диссертации активно работал в новой области квантовой радиофизики, как ее назвали в СССР (в США ее называли квантовой электроникой), как только прочел письмо Таунса, сообщающее о создании мазера, сразу же, спустя несколько месяцев, построил первый советский мазер.

Персональные контакты были позднее. Прохоров впервые встретился с Таунсом в Великобритании в 1955 г. на конференции Фарадеевского общества, где представил работу, о которой мы упоминали, а Басов познакомился с Таунсом, [Павловым, Бломбергеном и многими другими на первой Международной конференции по квантовой электронике в Шаванга Лодж (штат Нью-Йорк, США) в сентябре 1959 г.

Как мы можем видеть, в отличие от того, что происходило в США, ни Басов, ни Прохоров не были знакомы с радарами и не занимались его исследованиями. Они пришли к концепции мазера из спектроскопии, и с общим желанием создать новые источники в диапазоне сантиметровых волн, что, кстати говоря, было их главной целью, когда они изучали синхротронное излучение. В этом отношении для них очень полезной была традиция российской научной школы, согласно которой поддерживались новые идеи, не заботясь об их немедленной практической реализации.

Когда первый мазер был запущен в Москве, посетители со всего Советского Союза приходили посмотреть на него, и группа построила три мазера для исследования их частотной стабильности. Также был построен мазер с двумя встречными пучками, что позволило получить стабильность на уровне 10—9. Это было использовано для создания стандарта частоты, который с некоторыми улучшениями использовался для долговременного измерения времени во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).

Трехуровневый мазер

Как мы увидим, мазер на молекулярном пучке, несмотря на его исключительные характеристики, не очень полезен для практических применений и, вероятно, если бы не разработки, которые мы опишем далее, изобретение Таунса, его сотрудников и других не вызвало бы большого внимания, за исключением научной области спектроскопии. Принципиальным недостатком аммиачного мазера, который ограничивает его применение, за исключением стандартов частоты, является то, что он испускает чрезвычайно узкую линию (на хорошо определенной частоте) и частоту этой линии нельзя изменять, т.е. настроить на другие частоты.

Простым способом увеличить как полосу частот, которые могут усиливаться в устройстве, так и способность изменять центральную частоту в этой полосе (т.е. производить настройку) является использование другого материала. Интересным классом переходов представлялись переходы между магнитными уровнями ферромагнитных и парамагнитных материалов. Мы уже говорили, что энергетический уровень электрона в атоме расщепляется на много подуровней, когда атом помещается в магнитное поле (эффект Зеемана). Путем изменения напряженности внешнего магнитного поля, можно изменять интервал между ними и, тем самым, осуществлять настройку. При использовании твердых тел вместо газов также может сильно увеличиться мощность, поскольку концентрация парамагнитных ионов в твердом теле легко может быть в сотни тысяч раз большей, чем число молекул аммиака в пучке.

Таунс провел свой академический отпуск за 1955/56 г. наполовину в Париже, наполовину в Токио. Когда он был в Парижской высшей нормальной школе (Ecole Normal Superieure) осенью 1955г., один из его бывших аспирантов, Арнольд Хониг, который теперь работал в области парамагнитного резонанса, сообщил ему, что ионы мышьяка в кристаллах кремния имеют при температуре жидкого гелия огромное время релаксации, достигающее 16 с. Таунс сразу же понял, что это обстоятельство позволяет этим ионам оставаться достаточно долго на верхнем уровне, что позволит извлечь энергию с помощью вынужденного излучения. Он предложил сделать эксперимент. Когда Таунс покидал Японию весной 1956 г., этот эксперимент еще не закончился, и соответствующее устройство еще не работало. Однако Таунс был уверен в правильности выбранного пути и вместе со своими парижскими коллегами опубликовал статью, в которой обсуждались возможности предлагаемой системы.

Примерно в это же время, но независимо от Таунса, физик из MIT, М. В. Стрэндберг (г. р. 1919) рассмотрел возможность создания мазера, используя твердотельные материалы вместо газа. Во время войны он работал с радарами, а позднее стал интересоваться радиоспектроскопией, включившись в начале 1950-х гг. в работу по парамагнитному резонансу. 17 мая 1956 г. он выступил на семинаре MIT по парамагнитному резонансу с некоторыми соображениями о преимуществах твердотельного мазера. Среди слушателей был молодой голландец Николаас Бломберген, профессор факультета Прикладной физики Гарвардского университета.

Бломберген родился в Дордрехте, Нидерланды, 11 марта 1920 г. Он учился в университете Утрехта и получил степень кандидата и доктора соответственно в 1941 г. и в 1943 г., во время немецкой оккупации Нидерландов. Затем он сбежал в США и поступил в Гарвардский университет буквально через шесть недель после того, как Парселл, Торрун и Паунд обнаружили ядерный магнитный резонанс. Они были заняты написанием нового тома для серии книг, посвященных микроволновой технике (массачуссетская серия), и молодой Бломберген был принят, как помощник, и его попросили заняться дальнейшей разработкой аппаратуры ЯМР. Таким образом, он стал изучать ядерный магнитный резонанс, одновременно посещая лекции Швингера (1918-1994), Ван Флека и других.