История лазера - Марио Бертолотти

Арно Элан Пензиас родился в Мюнхене в 1933 г. и в возрасте шести лет был вместе со всей семьей депортирован в Польшу, откуда они эмигрировали сначала в Англию, а затем прибыли в 1940 г. в США. Здесь он стал инженером-химиком, и после женитьбы и службы в американской армии поступил в 1956 г. в Колумбийский университет, где он занимался физикой с Раби, Кушом и Таунсом. В качестве темы диссертации Таунс дал ему задание построить мазерный усилитель для эксперимента по его собственному выбору в радиоастрономии.

В 1961 г. Пензиас после завершения диссертации пытался получить работу в Bell Labs, предполагая использовать ее уникальное оборудование для завершения своих наблюдений, которые он получил в своей диссертации. Директор радиолаборатории предложил ему постоянное место с условием, что он может уйти, когда пожелает. Таким образом, он стал сотрудником Bell Labs, и оставался там до своей отставки в 1998 г.

Был проект зафиксировать все еще не обнаруженное излучение межзвездных молекул ОН, и ученые из MIT добились успехов в этом. Пензиас отправился со своей аппаратурой в Гарвард, чтобы провести наблюдения. В середине 1962 г. Bell System запустила спутник TELSTAR. Опасаясь, что Европейские специалисты не смогут вовремя закончить оборудование своих приемных станций, они сами создали в Холмделе (в одном из отделений Bell Labs) такую станцию. Она была оборудована новым мазером с ультранизким уровнем шумов, работающем на длине волны 7,35 см. В конце концов это оборудование не потребовалось, поскольку европейцы сдали свои станции вовремя. Поэтому Пензиас и Р. Вилсон, радиоастроном из Калтеха, могли использовать систему, разработанную в Bell Labs.

Роберт Вилсон родился в 1936 г. в Хьстоне (Техас, США), где его отец работал на нефтяных скважинах. С ранних лет он интересовался электроникой. Он окончил университет Раиса и поступил в Калтех для получения ученой степени по физике. Там он заинтересовался радиоастрономией и после написания и защиты диссертации, поступил в 1963 г. в Bell Labs, где он начал долгую и плодотворную работу с Пензиасом.

Монтаж приемной системы для радиоастрономии Пензиас и Вилсон начали с серии астрономических наблюдений, имеющих целью оптимизировать антенну и мазер, при этом они измеряли интенсивность излучения, испускаемого нашей галактикой. Были проведены очень точные калибровочные измерения. В 1963 г. был установлен мазер на длину волны 7,35 см и они выполнили серию операций по калибровке всей системы, все было под контролем, за исключением того факта, что входной шум всей системы был на 3,5 К больше значения, который они рассчитали. Пензиас и Вилсон начали аккуратное исследование возможных причин этого противоречия, и после рассмотрения и отбрасывания альтернативных гипотез, пришли к заключению, что на антенну поступает шумовое излучение, превышающее на 3,5 К рассчитанного значения шума всей приемной системы, причем это излучение приходит на антенну равномерно изо всех направлений в пространстве.

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 должна была быть исключительно высокой, порядка 10 тысяч миллионов градусов, а может быть и выше. При таких температурах, разумеется, никакие вещества не существуют, но имеется некий бульон протонов, нейтронов, электронов, фотонов и других элементарных частиц. Эти частицы, взаимодействуя друг с другом, начинают образовывать легкие элементы, и в то же время испускается огромное количество излучения с очень большой энергией, а расширяющаяся Вселенная начинает охлаждаться. За период, меньший чем несколько сотен тысяч лет, материя во Вселенной все еще остается ионизованной и сильно взаимодействует со светом. В это время общая температура опускается до 3000 К и электрические заряды материи начинают рекомбинировать, образуя нейтральное вещество. На этом этапе взаимодействие фотонов с элементарными частицами прекращается, и электромагнитное излучение, заполняющее Вселенную, начинает охлаждаться из-за расширения Вселенной, причем длина волны сдвигается в сторону увеличения, и число фотонов в единице объема (т.е. их плотность) уменьшается. Одним из следствий этого расширения, является уменьшение температуры пропорционально размерам Вселенной. А температура, согласно распределению Планка, определяет спектральный состав излучения. Малые изменения в интенсивности приводят к малым пертурбациям плотности первоначальной материи, которые, усиливаясь гравитационными силами, образуют галактики.

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

За это открытие Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 г. Совсем нет необходимости говорить, что это открытие стало возможным благодаря использованию мазера, обладающего крайне малыми собственными шумами. Именно это обстоятельство позволило измерить температуру реликтового излучения. Более точные современные измерения дают 2,735 К, и это является частью экспериментальных доказательств модели Большого Взрыва (рис. 47). Но почему именно 2,735 К, а не другое значение, является одной из наиболее важных проблем современной космологии, относящейся к фундаментальным аспектам строения и эволюции Вселенной. Все 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 можно проверить справедливость общей теории относительности. Кроме своей научной значимости, атомные часы имеют важное военное и экономическое значение. В 1950-х — 1960-х гг. прецизионные стандарты частоты потребовались для навигационных систем. Высокостабильные стандарты частоты, не подверженные вибрациям, стали частью систем управляемых снарядов. Естественно, что военные финансировали эти исследования.

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 (1909—1987) 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.

Под действием магнитного поля электрон движется уже не по прямой, а по дуге окружности. Когда электрон попадает в поле противоположного знака, дуга изгибается в противоположном направлении, и траектория становится последовательностью полуокружностей, как показано на рис. 48. Электроны, движущиеся по таким искривленным траекториям, должны испускать излучение согласно законам электромагнетизма. При определенных условиях излучение от отдельных сегментов может стать непрерывным цугом волн. Поскольку электроны в пучке движутся с очень высокой скоростью, необходимо учитывать теорию относительности. Она показывает, что благодаря ограничениям, следующим из этой теории, длины волн испускаемого излучения связаны с радиусами полуокружностей, но много короче, попадая в область миллиметров или субмиллиметров, а при особых конструкциях даже в видимый спектр и еще короче длин волн. Интересной особенностью такого устройства является то, что при изменении энергии электронов или при изменении расстояния между полюсами магнитов, можно изменять длину волны, т.е. получать источник с непрерывной перестройкой длины волны.