Теперь мы готовы рассказать, как был изобретен мазер или, лучше сказать, как он был открыт, имея в виду, что во Вселенной существуют звездные мазерные источники, и поэтому человек эффективно воспроизвел в лаборатории то, что уже существовало в природе.
Чтобы сделать ярче картину, окружающую создание сперва мазера, а потом и лазера, полезно рассмотреть состояние исследований по физике и дух, с которым эти исследования выполнялись в годы после Второй мировой войны. Перед Первой мировой войной исследования проводились персонально или малыми группами, не имеющими связей с промышленностью и не предвидящих каких-либо применений. Ученые старались удовлетворить свое любопытство путем открытия и объяснения новых явлений. Открытие радия Марией Кюри (1867—1934) — яркий пример. Она начала с наблюдения, что некоторые минералы, из которых извлечен уран, элемент, радиоактивность которого была открыта Анри Беккерелем (1852—1908), показывают радиоактивность большую, чем можно было приписать содержанию урана. Поэтому внутри этих минералов должны быть одна или более субстанций с радиоактивностью большей, чем у урана. Это заставило ее изучить эти субстанции. Эти исследования были проведены в сарае с огромными трудностями, без какой-либо помощи, кроме ее мужа Пьера (1859—1906). Финальным результатом было открытие полония и радия (1898). Вскоре было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, обладает биологическими эффектами, и их стали использовать в борьбе с раком. Таким образом, открытие радия привело к важному практическому применению, хотя этого никто не предполагал вначале исследования
Во время Второй мировой войны ситуация изменилась радикально, особенно в США, где были получены самые важные результаты, относящиеся к нашей истории. Разработка радара, который существенно повлиял на исход войны, ядерные исследования, кульминацией которых явилось создание атомной бомбы — всё это показало огромные возможности, заключенные в физических исследованиях, и сколь экстраординарные применения могут быть получены. К концу войны физика предстала как важнейшая наука для будущего.
В 1948 г. изобретение транзистора и последующая революция в электронике предстали еще одним революционным шагом. Теперь исследования не кончались сами по себе с единственной целью получить чистые знания, но они стали способом получить новые знания, ведущие к конкретным применениям со значительным социальным последствием.
Оказалось, что физика не является абстрактной наукой для немногих избранных, но представляет инструмент, способный дать существенные элементы для развития общества или, в зависимости от того, что желают иметь, для его уничтожения. Ядерные исследования и разработка ядерных реакторов для получения энергии (сегодня рассматриваемое с некоторым скепсисом) после Второй мировой войны рассматривались с огромной благосклонностью как средство решения энергетической проблемы для человечества.
В это же время началась связь с промышленностью, научно-исследовательских отраслевых лабораторий и развитие самой промышленности, основанное на результатах физических исследований. Внезапно физики стали значительными и популярными, и большие деньги стали предоставляться им из правительственных источников. В этой атмосфере всякий, кто имел хорошую идею с потенциальными применениями, мог, почти наверняка, рассчитывать на поддержку. Эти идеальные условия в период войны продолжались и в течение холодной войны между США и СССР, вплоть до ее окончания. В этот период разработка мазеров и лазеров получила невиданную финансовую поддержку в Америке, благодаря интересу со стороны военных агентств и промышленности. В других странах не было такого счастливого состояния, хотя кое-что и получалось.
В бывшем Советском Союзе Академия наук рассматривалась как важная часть государства и была богатой и сильной. В институтах, разбросанных по всей стране, работали тысячи исследователей, положение которых было значительно лучше, чем у тех, кто работал в других областях. Также существовали секретные лаборатории для военных целей, которые работали вместе с прекрасными академическими лабораториями, так как только с их помощью можно было получить необходимые приборы и методики.
В Европе были организованы большие международные исследовательские центры, такие как ЦЕРН в Женеве. Эта огромная лаборатория была организована при финансовой поддержке Италии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландов и Бельгии. Были построены огромные ускорители и установки для исследований в области физики высоких энергий. Ни одна из стран в одиночку не смогла бы профинансировать это. Ускорители ЦЕРН дают в руки исследователям хорошо организованных международных групп большое количество частиц с высокой энергией. В довоенные годы исследования с такими частицами проводились в лабораториях, которые ожидали случайного появления малого числа таких частиц в виде космических лучей, их естественного источника. Разработка ускорителей означала, что такие частицы можно получать в большом количестве и работать с ними приемлемым лабораторным образом.
Большая финансовая поддержка со стороны Европы, и особенно Италией, исследований в области частиц высоких энергий имеет свои корни, заложенные престижем Ферми, Амальди и др. Такая финансовая поддержка направлена в хорошо определенном направлении.
Тот факт, что разработка новых устройств, мазеров и лазеров произошла в США и в прежнем Советском Союзе, единственных странах, где исследования проводились в широких областях, можно рассматривать, как основную стратегию не концентрировать исследования лишь на определенных направлениях.
Огромные изменения роли физики и физиков в исследованиях, которые проводились во время войны, можно рассматривать для того, чтобы понять, как дорогостоящие исследования, без гарантии успеха и часто с сомнительными перспективами, могли быть поддержаны без особых проблем. Мазер означал появление техники усиления, столь радикально отличающейся от тех, что обычно используются; она не могла появиться как простое улучшение уже известной электронной техники. Потребовались разработки в новых областях, таких как магнитный резонанс, микроволновая спектроскопия, которые принципиально проводились в США и были описаны нами в предыдущих главах. Более того, в то время электромагнитные волны генерировались и принимались, используя лампы (диоды, триоды и др. которые ныне совсем оставлены), в которых использовались электроны, испускаемые нитями, нагреваемыми электрическим током. Действие этих устройств, а также магнетронов, клистронов и др., было совершенно понятно на основе законов классической электродинамики Максвелла. Инженерам не нужно было изучать квантовую механику, которая совершенно необходима для понимания работы мазера, вплоть до 1948 г., когда был открыт транзистор. Для понимания принципа работы этого устройства необходимо рассматривать электронные состояния в твердых телах, которые описываются законами квантовой механики. С этого времени инженеры открыли для себя квантовую механику и стали изучать ее.
Сразу же после войны работы по микроволновой спектроскопии стали, в основном развиваться в Америке в лабораториях прикладных исследований. Четыре независимые группы стали изучать газы с помощью этой методики: Bell Labs, лаборатории «Вестингауз», лаборатории RCA и Колумбийский университет, единственный из университетов. После нескольких лет активности, которая была признанной экономически мало эффективной и прекращенной в промышленных лабораториях, исследования переместились в университеты, где физики и химики заинтересовались использованием микроволн для изучения молекул. Однако большинство молекул имеют наиболее интенсивные спектральные линии на длинах волн в миллиметровой области и слабо взаимодействуют с излучением с длинами волн около сантиметра, которое производилось генераторами радаров. Это вызвало сильное желание спектроскопистов, занимающихся молекулярной спектроскопией, разрабатывать источники в миллиметровой и субмиллиметровой области. Военные были также заинтересованы в миллиметровых системах, поскольку они были более компактны и более легкими для военных применений.
Во время войны самые знаменитые американские ученые сотрудничали с военными, и теперь, когда война окончилась, это сотрудничество естественно продолжалось и желательным были взаимные контакты. В этой атмосфере, в 1946 г., Военно-морское министерство, Сигнальный корпус армии и Военно-воздушные силы образовали Объединенные службы программ по электронике (JSEP), чтобы поддержать две лаборатории, которые проводили исследования по электронике во время войны и которые продолжались. Это Лаборатория радиации MIT, которая была реорганизована в Исследовательскую лабораторию электроники, и Колумбийская лаборатория радиации физического факультета Колумбийского университета. К концу 1946 г. к этой программе присоединился Гарвардский университет, а в 1947 г. и Стэнфордская лаборатория электроники в Калифорнии.
Министерство обороны США одобрительно относилось к этим лабораториям, которые продвигали науку и технологию, которые могли бы оказаться полезными в военном деле. Более того, они поддерживали высококвалифицированных ученых, стремясь привлечь их к военным задачам и заботясь о появлении нового поколения исследователей. Таким образом, и ученые, и военные работали в области генерации миллиметровых волн с большой взаимной заинтересованностью.
В 1950-х гг. назрело время для изобретения нового устройства, и, как это часто бывает, фундаментальные принципы его работы были установлены одновременно и независимо несколькими разными людьми. Читатель, которого не сбили с толку многочисленные отступления, совершенно необходимые для понимания нашей истории, может увидеть точный путь, который приводит нас к окончательной цели. После извилистого начала наше путешествие проходит с введением Эйнштейном в 1916 г. концепции вынужденного излучения, которая сначала, в 1920-х гг., была использована теоретиками для объяснения различных явлений, и которая позднее была экспериментально подтверждена. В то время, пока эта концепция была в умах исследователей, в 1930-х гг. развивались микроволны и соответствующая техника, и немедленно после интенсивных исследований радаров во время войны, был открыт ядерный резонанс. В экспериментах по ядерному резонансу была получена инверсия населенности. Она возникала на короткое время, как переходное явление, но была достоверно и правильно установлена. Точно так же была установлена роль вынужденного излучения и его противоположность по отношению к явлению поглощения. Теперь давайте посмотрим, как вынужденное излучение было использовано для создания мазера.
Предложение Вебера
Первое изложение в публичной аудитории основного принципа, на котором может работать мазер (однако без самого работающего устройства), было сделано Джозефом Вебером (1919—2000) в Оттаве (Канада) в 1952 г. на конференции по электронным лампам (Electron Tube Research Conference). Это была престижная конференция, в которой участвовали лишь по приглашениям и на которой часто представлялись идеи для прогрессивных устройств.
Вебер был тогда молодым профессором электротехники университета Мэриленда и консультантом Военно-морской лаборатории США. Он получил диплом в Аннаполисе и был первым морским офицером, который был, как квалифицированный инженер в области микроволн, в секции электронного противодействия во флоте. Здесь он имел возможность ознакомиться с технологической важностью усилителей с высокой чувствительностью к микроволновым и миллиметровым волнам, поскольку для целей противодействия вражеским радарам требовались такие усилители для обнаружения слабых волн от радаров. Информация о длинах волн, на которых работает радар, и их источнике позволяла затем посылать сигналы, ослепляющие вражеские приемники и, и тем самым, не позволяя врагу определять цели.
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.
В конструкции Таунса резонатор был очень важен. Действительно, требовалось удерживать в нем электромагнитную энергию как можно большее время для взаимодействия с молекулами (т.е. потери в нем должны быть минимальными). Детальные расчеты, сделанные осенью 1951 г., показали, что очень трудно сделать резонатор для длин волн в половину миллиметра, как первоначально полагал Таунс, надеясь использовать дейтерированный аммиак. Поэтому он решил сосредоточить свое внимание на излучении с длиной волны 1,25 см обычного аммиака, поскольку для такой длины волны уже существовали компоненты (резонатор), требуемые для успеха. Это решение означало, переключить проект с цели добиться успеха в области миллиметровых волн на демонстрацию нового принципа генерации в уже известной спектральной области.
Основная идея представляется очень простой, теперь, когда мы подготовлены к ней и можно только удивляться, почему никто не додумался до этого прежде. Если мы рассматриваем системы с двумя энергетическими уровнями, как это делал Вебер, то мы знаем, что мощность, излучаемая за счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n2 в верхнем состоянии, а поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n2 в нижнем состоянии. Итоговая мощность, которая является разностью поглощенной и испущенной мощности, как мы видели, пропорциональна разности n1 — n2. При термическом равновесии, n1 всегда больше, чем n2 и, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. Но давайте рассмотрим, что случиться, если мы каким-нибудь способом отберем частицы так, что отправим в одну сторону только те, которые находятся в верхнем состоянии. Теперь число n2 будет больше, чем n1 и поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, мы получаем устройство, способное испускать излучение с частотой, соответствующей разности энергий между двумя уровнями. Это устройство является генератором, и над ним-то и размышлял Таунс.
Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая из одного атома азота и трех атомов водорода, NH3) представляет треугольную пирамиду (рис. 41, а) с тремя атомами водорода в углах основания и атомом азота на вершине. Эти три атома водорода можно рассматривать лежащими в одной плоскости, а атом азота лежащим в другой плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов водорода. Потенциальная энергия атома азота в зависимости от его расстояния от плоскости атомов водорода показана на рис 41, б. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет минимум по обе стороны от этой плоскости с потенциальным барьером, имеющим максимум в плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль оси, перпендикулярной этой плоскости, и может переходить из положения вверху плоскости в положение ниже ее, и обратно. Такой переход обозначается как инверсия. Кроме того, молекула вращается вокруг взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, все колебательные и вращательные движения квантованы, и поэтому их энергии представляются дискретными энергетическими уровнями, как показано на рис. 41, б.
Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)
Гордон, Цайгер и Таунс, после некоторой модификации их идеи, решили наблюдать переход между нижней колебательной парой во вращательном состоянии с тремя числами углового момента около каждой из осей, который обозначается 3-3 состояние. Этому переходу соответствует частота 23 830 МГц.
Идея Таунса заключалась в том, чтобы получить некоторым способом пучок молекул, например нагревом, а затем отделить тех, которые в возбужденном состоянии, от тех, которые на нижнем состоянии. Это можно было сделать, учитывая интересное свойство молекулы: при приложении электрического поля молекула деформируется и возникает малый дипольный момент для обоих чисел вращательной пары, но противоположного знака. Если электрическое поле неоднородно, получается тот же эффект, который наблюдался Штерном и Герлахом, и на молекулу будет действовать сила с противоположным направлением для каждого числа пары. Проект предусматривал использовать сильное электростатическое неоднородное поле, действующее на пучок молекул аммиака, и сфокусировать возбужденные молекулы этого пучка в малое отверстие полости резонатора, настроенного точно на 23 830 МГц.
В 1950-е гг. Вольфганг Поль (1913-1993) вместе с Хельмутом Фридбургом и Гансом Беневитцем спроектировали специальные электрические и магнитные линзы (квадрупольные) для фокусирования атомных и молекулярных пучков. Таунс думал об использовании таких линз для разделения молекул. Поля таких линз и были использованы в аммиачном мазере и в водородном мазере. Позднее Поль разработал трехмерную версию, способную удерживать ионы в малой области (ловушка Поля). С помощью этого устройства можно исследовать одиночные атомы, что было невозможно раньше. За это Поль был награжден в 1989 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Рамси и Гансом Демельтом, которые также построили подобную ловушку, но другой конструкции.
Таунс надеялся отселектировать в пучке больше молекул, находящихся в верхнем состоянии, от молекул в основном состоянии. Этим способом он мог бы реализовать то, что мы называем инверсией населенности, и каждая молекула, переходя в нижнее состояние с испусканием кванта, могла бы заставить другие молекулы делать то же самое. В результате резонатор мог бы испускать излучение на частоте около 24 000 МГц. Таунс четко понимал необходимость резонатора, который связывает излучение с возбужденной средой.
Таунс осознавал свою ответственность, в частности, перед Гордоном, который выполнял работу своей докторской диссертации в рамках проекта, результат которого не гарантировался. «Я не уверен, что работа получится, но даже в этом случае мы сможем сделать другие вещи», — в результате Таунс пообещал Гордону, что даже если метод не сработает, он сможет использовать установку для исследований спектров микроволнового поглощения аммиака. Таким образом, Гордон работал в двух направлениях. Он мог изучить сверхтонкую структуру аммиака (разделение энергетических состояний на многие подуровни из-за взаимодействия между электроном и ядром) с большей точностью, чем это удавалось прежде.
Достижения в работе были описаны в квартальных отчетах Факультета и содержали некоторые данные, интересные для тех, кто занимался физикой микроволн. Первая публикация с упоминанием этого мазерного проекта появилась в сообщении Цайгера и Гордона 31 декабря 1951 г., которое было озаглавлено «Молекулярный Пучковый Генератор». В нем сообщались предварительные расчеты основных элементов этого генератора.
В течение двух лет группа Таунса продолжала работать. За это временя, два друга Таунса приходили в лабораторию и старались уговорить его бросить эту чепуху и прекратить тратить казенные деньги (Таунс уже потратил 30 000 $, предоставленных военными).
Наконец, в один из дней апреля 1953 г., Джеймс Гордон вбежал на спектроскопический семинар, который проводил Таунс, с криком: он работает! История говорит, что Таунс, Гордон и другие студенты (Цайгер к этому времени оставил Колумбию и перешел в Линкольновскую лабораторию и его заменил Т. Ванг) отправились в ресторан, чтобы отметить событие и придумать для нового устройства латинское или греческое название (последнее без успеха). Только несколько дней спустя они с помощью некоторых студентов придумали аббревиатуру МАЗЕР — усиление микроволн с помощью стимулированного излучения (MASER — Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Это название появилось в заголовке работы, опубликованной в Physical Review, но недоброжелатели расшифровывали это, как «способы получения поддержки для дорогостоящих исследований» {Means of Acquiring Support for Expensive Research)\
Блок-схема аппаратуры показана на рис. 42. Через отверстие в маленькой печи с точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. В этом пучке содержатся молекулы, находящиеся как в нижнем, так и в верхнем энергетическом состоянии, причем, что вполне естественно, в нижнем состоянии находится несколько больше молекул. Пучок проходит через систему электродов фокусирующей системы. Эти электроды создают сильное неоднородное электрическое поле, которое разделяет молекулы. Их действие заключается в том, что молекулы в верхнем состоянии продолжают двигаться, прижимаясь к оси системы, а молекулы в нижнем состоянии выталкиваются от этой оси. Такая конструкция позволяет не только разделить молекулы по состояниям, но и несколько сфокусировать молекулы в верхнем состоянии в хорошо коллимированный пучок. Этот пучок входит в объемный резонатор, точно настроенный на частоту перехода аммиака, т.е. на 23 830 МГц. Если в резонатор входит достаточное число молекул в верхнем состоянии, возникает непрерывная генерация, которую можно вывести из резонатора обычной радиочастотной техникой. С другой стороны, система может быть в условиях, когда число молекул недостаточно, чтобы поддержать генерацию, но достаточно, чтобы усиливать внешний сигнал. В этом случае устройство работает как усилитель, разумеется, на той же частоте. Вся система помещается в кожух (не показан на рис.), в котором поддерживается высокий вакуум, нужный для того, чтобы предотвратить столкновения молекул аммиака с молекулами воздуха, что могло бы привести к потере энергии возбуждении в результате обмена энергией. Разумеется, реальная система не столь проста, как показано на рис. 42.
Рис. 42. Схема аммиачного мазера
Принципиальной характеристикой мазера является крайне низкий уровень шумов как в режиме генерации, так и в режиме усиления. Это означает, что сигнал очень чистый и ясный, и все фотоны испускаются когерентно. Лишь очень малое число фотонов испускается хаотически в результате спонтанного, а не вынужденного излучения. Во многих электронных устройствах шумы возникают из-за флуктуации числа электронов, которые создают электрический ток. Эти флуктуации пропорциональны температуре и не зависят от конкретного устройства. Поэтому у инженеров принято характеризовать шумы устройств, относя их к шумам эквивалентной температуры, т.е. температуре, при которой через электрическое сопротивление протекает столько электронов, сколько нужно, чтобы получить наблюдаемые флуктуации. В то время, как для сопротивления обычной цепи температура шума практически является комнатной (т.е. 300 К), для мазера эквивалентная температура шумов очень низкая, порядка нескольких К.
Таунс сразу же понял, что одним из важных применений мазеров на молекулярных пучках должна быть молекулярная спектроскопия. Молекулярные пучки уже в начале 1950-х гг. рассматривались спектроскопистами, изучающими газы. Однако была проблема. Специфика получения молекулярного пучка приводит к малой плотности молекул в ячейке спектрометра. Кроме того, молекулы в пучке находятся в термическом равновесии или близко к нему, а это значит, что процессы поглощения и излучения по отношению внешнего излучения почти равные. Следовательно, сигнал поглощения будет слабым, поскольку число молекул в нижнем состоянии лишь слегка превосходит число молекул в верхнем состоянии. В пучке, который получал Таунс, все молекулы селектировались по их энергетическим состояниям. Это приводит к тому, что сигнал увеличивается в сто раз. Это позволяло Гордону использовать принцип мазера для спектроскопических исследований.
Мощность первого мазера составляла только 0,01 мкВт. Это очень мало, но испускалась очень узкая линия. Чтобы определить, насколько чиста испускаемая частота, Таунс и его группа построили второй мазер, чтобы сравнить частоты, испускаемые двумя независимыми мазерами. В начале 1955 г. они установили, что в течение одной секунды частоты различались только на 4 части от 10—12, за больший интервал около 1 часа частоты различались лишь в пределах нескольких частей на 10—10.
Эти результаты заставляли предполагать, что мазер является оптимальным кандидатом на роль прецизионного стандарта частоты и для создания атомных часов. Исследования мазеров стали распространяться среди других лабораторий в университетах, государственных учреждениях и промышленности. Последние были под влиянием военных целей. Однако было только около десятка групп с малым числом исследователей и со скромной поддержкой.
Русский подход к мазеру
В то время, когда эти впечатляющие результаты были получены в США, что же происходило на другой стороне земного шара, в Советском Союзе, полным военных секретов и отгороженным непроницаемым железным занавесом? В Москве, недалеко от центра, располагался один из самых больших институтов в стране — Физический институт (существующий и поныне), названный именем одного из известнейших русских ученых, знаменитого Лебедева. В этом знаменитом Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) работали тысячи исследователей. Институт находится в управлении могущественной Российской Академии наук. Он был организован в начале 1930-х гг. физиком Сергеем Ивановичем Вавиловым (1891 — 1951). Вавилов известен своими достижениями в оптике в области исследований люминесценции, т.е. испускания света некоторыми определенными веществами при их освещении. Вавилов сформулировал законы этого явления. В 1934 г., когда Павел Алексеевич Черенков (1904—1990), аспирант, работающий над своей диссертацией, открыл, что электроны, распространяющиеся в воде, испускают слабое голубое излучение, Вавилов, который был его научным руководителем и помогал проводить исследования, пришел к заключению, что это не люминесценция и приписал его к действию электронов. По его инициативе, два исследователя Института, Игорь Тамм (1895— 1971) и Илья Франк (1908—1990) — дали полное теоретическое объяснение этого явления, показав, что заряженные частицы, которые движутся в среде со скоростью, превышающую скорость света в этой среде, испускают излучение. Этот результат привел их к получению Нобелевской премии по физике вместе с Черенковым. Институт им. П.Н. Лебедева дал шесть Нобелевских лауреатов по физике, хорошо известных во всем мире. Вавилов был директором до самой своей смерти. Как организатор науки и президент Академии наук он внес огромный вклад в развитие науки в Советском Союзе в трудный период сразу же после окончания Второй мировой войны. Во время, относящегося к нашей истории, два сотрудника Института, А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, интересовались решением спектроскопических проблем, используя молекулярные пучки.
Александр Михайлович Прохоров родился 11 июля 1916 г. в Атертоне (маленький город в Австралии) в семье революционного деятеля, который эмигрировал туда из ссылки в Сибирь в 1911 г. Семья Прохоровых возвратилась в Советский Союз в 1923 г. В 1939 г. А. М. Прохоров окончил Ленинградский университет и поступил в Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР. Он начал свою научную карьеру с изучения распространения радиоволн над поверхностью Земли.
Во время Второй мировой войны воевал, дважды был ранен и возвратился в Институт в 1944 г. После войны, работая под руководством В.И. Векслера (1907—1966), он продемонстрировал в своей докторской диссертации, что синхротрон (ускоритель элементарных частиц) можно использовать в качестве источника когерентных электромагнитных колебаний в сантиметровом диапазоне. После получения докторской степени он возглавил коллектив молодых исследователей (среди которых был и Басов), работающих в области радиоспектроскопии.
После своей работы в области мазеров и лазеров (которую мы сразу же рассмотрим) он был в 1960 г. избран член-корреспондентом АН СССР, а в 1966 г. стал академиком. За свои научные заслуги он стал Героем Социалистического Труда, получил Ленинскую премию, а в 1964 г. стал лауреатом Нобелевской премии по физике вместе с Басовым и Таунсом. Он скончался 8 января 2002 г.
Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 г. в Усмани (городок вблизи Воронежа), в 480 км от Москвы на берегу реки того же названия. К началу Второй мировой войны он окончил среднюю школу в Воронеже и был призван на военную службу. Его сначала направили в Куйбышев, а затем в Киев, в училище военных медиков, которое он окончил в 1943 г. в звании лейтенанта медицинской службы. Он служил в войсках химической защиты и был на фронте. Сразу же после войны, после возвращения из Германии, он осуществил свою мечту заниматься физикой, которую стал изучать еще будучи в армии. Он поступил в Московский инженерно-физический институт. Ровно через 20 лет после этого он стал академиком.
В 1948 г. Басов начал работать в лаборатории колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. Лабораторией в то время руководил М. А. Леонтович. В начале 1950-х гг. Басов вошел в группу Прохорова. После работы над мазером он внес важный вклад в развитие целого ряда лазеров. В 1973 г. он стал директором ФИ АН. Он также был членом Президиума Верховного Совета СССР. Н. Г. Басов скончался 1 июля 2001 г.
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.
На короткое время он возвратился в Нидерланды после войны и провел исследования в 1947-1948 годах в лаборатории Камерлинг-Онеса. В 1948 г. получил докторскую степень от Лейденского университета за диссертацию по ядерному магнитному резонансу, которая впоследствии была опубликована в виде книги. Затем возвратился в Гарвард и присоединился к Парселлу и Паунду, вместе с которыми выполнил важные работы по магнитному резонансу, о которых речь шла выше. Его огромные достижения в области ядерного магнитного резонанса, мазеров и нелинейной оптики были отмечены присуждением в 1981 г. Нобелевской премии по физике (он разделил ее с Шавловым и Сигманом).
После доклада Стрэнберга на семинаре Бломберген спросил его, почему он рассматривает твердотельную систему для мазера, ведь она не обладает спектральной чистотой, характерной для аммиачного мазера. Стрэнберг объяснил, что он рассматривает совершенно другое применение, а именно усилитель с очень малыми шумами. Бломберген воодушевился этой идеей и обсудил ее с Бенжаменом Лэксом, главой группы Физики твердого тела, который познакомил его с работой Таунса и его французских коллег. И в этой работе, и в идее Стрэнберга рассматривался двухуровневый мазер. Такое устройство предусматривало импульсный режим работы, и поэтому требовалось ненормально длительные времена релаксации. Очевидно, что устройство, лишенное этих недостатков, было бы более полезным, и Бломберген потратил несколько недель, размышляя, как бы реализовать это.
Знания Бломбергеном поведения вещества в магнитных полях позволило ему осознать, что для использования такого устройства нужно большее число уровней, которые можно получить, когда вещество подвержено магнитному полю (т.е. зеемановские уровни), чем два естественно существующих уровня молекулы. Поэтому Бломберген рассматривал эффект магнитного поля, чтобы выбрать по желанию два уровня, между которыми можно осуществить переход, настраивая частоту излучения, соответствующую разности энергий этих уровней. В результате он понял, что если вместо того, чтобы использовать два уровня, используется три уровня, тогда не нужно физически отделять молекулы в верхнем состоянии, но можно выбирать населенности уровней, путем искусного использования взаимодействий. Чтобы получить этот результат, он рассмотрел атомы, включенные в твердое тело в виде примесей. Атомы примеси замещают некоторые из атомов в твердом теле и находятся в изоляции друг от друга, окруженные соседними атомами твердого тела. В результате орбиты электронов атомов примеси очень мало возмущаются и остаются почти такими же, как в газовой фазе. Поэтому их уровни вполне отличны от уровней атомов твердого тела.
Чтобы понять предположение Бломбергена, вспомним, что атомы или ионы с n неспаренными электронами (т.е. с противоположными спинами) образуют во внешнем магнитном поле n + 1 магнитных уровней, интервал между которыми пропорционален напряженности магнитного поля (аномальный эффект Зеемана, который рассматривался в гл. 4). Теперь давайте рассмотрим вещество, обладающее тремя уровнями с неравными интервалами между ними (рис. 43). Некоторые парамагнитные ионы имеют такие уровни в подходящих кристаллах. Населенности уровней с энергиями Е1, Е2 и Е3 имеют населенности n1, n2 и n3 соответственно, и в условии термического равновесия мы имеем
n1 > n2 > n3
Рис. 43. Трехуровневая конфигурация парамагнитного материала
При обычных магнитных полях разности энергий между уровнями довольно малы и соответствуют микроволновым частотам. Они также малы по отношению к тепловой энергии атомов, и поэтому эти три населенности мало отличаются друг от друга.
Пусть теперь система подвергается сильному излучению накачки на частоте f13, которая соответствует разности энергий между уровнем 3 и уровнем 1. Такое поле, которое мы будем называть полем накачки, очевидно, поглощается и вызывает переходы между уровнями 1 и 3. Поскольку первоначально больше атомов находятся на основном уровне 1, система будет поглощать энергию, вызывая увеличение населенности уровня 3 за счет уровня 1. Итоговый эффект заключается в том, что населенности n1, и n3 стремятся стать равными с увеличением n3 и уменьшением n1. С другой стороны, населенность n2 не подвержена влиянию этого поля и поэтому остается той же самой. Первоначально она была слегка больше, чем n3, но затем, в результате действия поля накачки, n3 увеличивается за счет n1 и может получиться ситуация, когда n3 больше, чем n2 и больше, чем n1. Таким образом, между этими уровнями возникает инверсная населенность и может происходить вынужденный переход на частоте f32 или f21, соответствующей разностям энергий между уровнями 3 и 2, или между 2 и 1 соответственно. Разумеется, чтобы получить достаточно сильное вынужденное излучение, нужна как можно большая инверсная населенность, а так как энергии между уровнями очень малы, нужно работать при очень низких температурах.
Бломберген математически проанализировал разные процессы, которые происходят, и пришел к заключению, что инверсную населенность можно получить, например, между уровнями 3 и 2, если время, требуемое атомам, чтобы вернуться обратно в основное состояние (так называемое время релаксации), удовлетворяет определенным условиям.
В этом месте мы должны сказать, что идея использовать трехуровневую систему, пришла также Басову и Прохорову. В 1955 г. они опубликовали предложение, в котором рассматривались молекулы газа, с тремя уровнями. Они показали, что возможно получить инверсную населенность, используя подходящие поля излучения. В отличие от Бломбергена, система, предлагаемая двумя российскими исследователями, не допускала перестройки по частоте. Кроме того, не обсуждалась важность релаксации, и ни один из предложенных методов не заработал.
Возвратимся в США. В Bell Labs группа, в которой работал Гордон, поступивший в исследовательский центр после выполнения диссертации под руководством Таунса и Г. Феером, сумела получить мазерный эффект в образце кремния с примесями в согласии со схемой, предложенной Таунсом и его французскими коллегами. Немного спустя, Рудольф Компфнер (1909—1977), руководитель исследований по электронике, изобретатель лампы бегущей волны, привлек Г. Сковила, сотрудника технического отдела, работающего над разработкой твердотельных устройств. Эти два человека познакомились в Оксфордском университете, где работал Компфнер, а Сковил занимался изучением, как сделать твердотельный мазер, работающий в непрерывном режиме. 7 августа 1956 г. Сковил представил меморандум с предложением использовать кристалл этилсульфата гадолиния, свойства которого он детально изучил во время работы над своей диссертацией. Предполагалось использовать парамагнитные уровни в подходе, идентичном предложению Бломбергена. Сковил подготовил статью для посылки в Phisical Review.
Сообщения о работах Бломбергена доходили до научного центра Bell Labs, а Бломберген узнал, что что-то происходит в этих лабораториях. Бломберген хотел запатентовать свой мазер и стал беспокоиться, что он выдал слишком много информации коллегам. С другой стороны, в Bell Labs боялись, что может возникнуть неприятная ситуация с приоритетами оригинальных идей и будущими судебными процессами о патенте. Итак, Бломбергена пригласили представить свои результаты в Bell Labs, и 7 сентября 1956 г. он провел семинар в Нью Джерси (отделения Bell Labs расположены в двух местах). Сковил, не знавший о работе Бломбергена, понял на семинаре, по его собственным словам, что «Бломберген имел ту же идею и пришел к ней раньше меня. Так что я не послал мою работу в печать».
Bell Labs приняла соглашение об использовании патента Бломбергена, тем самым, оставляя обеим группам возможность полюбовно договориться, как реализовать экспериментально первый мазер этого типа.
Между тем Бломберген опубликовал свое предложение в Physical Review, в статье, полученной 6 июля 1956 г. и опубликованной в номере от 15 октября того же года. В ней он дополнительно рассматривал некоторые возможные материалы, что могло помочь создать мазер.
К сожалению, он и его группа в Гарварде интересовались устройством для астрономических целей, работающим на частоте линии межзвездного водорода 1420 МГц. Поэтому они выбирали материал, который мог бы работать на этой частоте, и упустили возможность первой успешной работы трехуровневого мазера. На следующий год, после публикации теоретической работы Бломбергена, первый трехуровневый мазер был создан (1957г.) в Bell Labs Сковилом, Феером и Зайделем, которые использовали ионы гадолиния в кристалле этилсульфата лантана. Вскоре после этого (1958 г.) А. Маквортер и Дж. Мейер из MIT использовали ионы хрома в цианидах кобальта и натрия, для создания первого усилителя. Бломберген и его сотрудники также старались сделать свой мазер, но оказались третьими в 1958 г.
При создании своего мазера, Сковил и его коллеги искусно использовали принцип его работы. Количество усиливающих ионов гадолиния зависит от того, какая инверсная населенность получается между мазерными уровнями. В случае гадолиния ими были уровни 2 и 1. Разность населенностей между этими двумя уровнями зависит, кроме других вещей, от того, как быстро ионы, накаченные с уровня 1 на уровень 3, распадаются на уровень 2. Группа наблюдала, что в их кристалле в качестве примеси присутствует цезий, который, взаимодействуя с гадолинием, увеличивает скорость, с которой ион распадается с уровня 3 на уровень 2. В согласии с этим, они выбрали концентрацию атомов цезия так, чтобы оптимизировать перенос энергии между этими двумя уровнями.
В то время как первоначальный аммиачный мазер был принципиально использован в качестве стандарта частоты, из-за стабильности частоты его излучения, или еще в качестве очень чувствительного детектора, твердотельный мазер, будучи перестраиваемый по частоте, мог бы быть использован для связи и для радаров. Его можно было непрерывно перестраивать в пределах допустимой полосы частот, оставаясь с принципиально малыми шумовыми характеристиками, присущими мазеру. Перестройку можно было получить, изменяя напряженность магнитного поля.
Немного времени спустя Ч. Кикучи и его коллеги показали, что рубин является хорошим материалом для мазера. В 1955 г. инженер Вестон Вивиан начал специальные исследования в Willow Run Lab. в Мичиганском университете, поддержанные военными, с целью разработать пассивную систему с очень чувствительным приемником, с помощью которой можно было бы регистрировать микроволны, естественно испускаемые объектами (вспомним закон черного тела, гл. 3). Вивиан рассчитал, что требуется исключительная чувствительность микроволнового приемника. Кикучи вначале занимался изучением поглощений микроволн в кристаллах. И его попросили попробовать построить хороший мазер, пригодный для этих целей. После рассмотрения трицелата хрома, который технологи с трудом вырастили, Кикучи решил использовать розовый рубин.
Рубин является кристаллом окиси алюминия (Аl2O3), в котором в качестве примеси имеются атомы хрома. Эти атомы замещают некоторые из атомов алюминия и теряют три своих валентных электрона, превращаясь, тем самым, в ион с тремя зарядами. Эти ионы, как мы увидим позднее, ответственны за оптические свойства, и именно они придают замечательный красный цвет рубину. Разумеется, рубины, используемые в мазере, получаются синтетически. Интенсивность окраски зависит от концентрации ионов хрома.
В январе 1957 г. Кикучи получил образец розового рубина и приступил к созданию мазера. Важным параметром конструкции мазера является угол, под которым магнитное поле направлено к оси кристалла. В то время предпочтительным углом был 15°. Но при этом угле, чтобы рассчитать положение требовался компьютер, который в те дни был недоступен. Кикучи выбрал угол 54°44' (рис. 44). При этом угле вычисления упрощаются так, что можно получить аналитические выражения. Они показывают, что можно построить мазер на длину волны 3,2 см, которая была хорошо знакома техникам, имеющими дело с радарами.
Однако работа продвигалась медленно, и только 20 декабря 1957 г. мазер заработал. После этого Маквортер и Мейер из MIT, весной, смогли сделать мазер, используя калий-кобальт цианид с добавкой хрома. Таунс со своими сотрудниками запустили мазер на 3 см, а Бломберген с сотрудниками с помощью этого же материала сделали свой собственный мазер на 21 см.
Калий-кобальтовый цианид — очень ядовитый материал. В 1958 г. Бломберген и Таунс с женами обедали в ресторане Нью-Йорка. Миссис Таунс похвасталась перед мисс Бломберген золотой цепочкой с кулоном из великолепного рубина. Она сказала, что ее муж сделал этот подарок в ознаменования мазера. Той же ночью, в отеле миссис Бломберген спросила мужа: «Когда ты собираешься сделать мне подарок в ознаменование твоего мазера?» На это Бломберген ответил: «Видишь ли, дорогая, мой мазер работает на цианиде». Таким образом, он избавился от необходимости покупать дорогой подарок!
Рис. 44. Энергетические уровни рубина с его осью под углом θ = 54°44' по отношению к магнитному полю
Рубиновый мазер сделал использование других кристаллов ненужными. Искусственный рубин был доступен, он прочен, удобен в эксплуатации, и с ним легко получалась перестройка частоты. В совершенствовании конструкции рубинового мазера активное участие в работе научного центра Bell Labs принял Жозеф Гёзик.
В течение 1957 г. и 1958 г. много мазеров было построено в нескольких лабораториях, включая Гарвард. В них использовались ионы хрома в кристаллах рубина. Рубины были использованы в большом числе типов мазеров с разными характеристиками. С 1958 г. многие мазеры были построены для использования в радиоастрономии или в качестве компонент приемников радаров. Почти все они были основаны на рубинах.
Мазеры, как только они появились, вызвали большой интерес военных, которые думали использовать их в качестве очень чувствительных приемников с малым уровнем шумов. Растущей областью применений также стала радиоастрономия. Рассматривалось использование их для обнаружения очень слабых сигналов, поскольку мазеры обладают весьма малыми шумами. Однако существовали и большие неудобства. Мазер, трехуровневая версия которого обладала наиболее подходящими характеристиками для этих применений, был достаточно мал и надежен в эксплуатации, но требовал охлаждения до температуры жидкого гелия и помещался в сильное магнитное поле. Эта система охлаждения и магнит были громоздкими и тяжелыми (рис. 45). Представлялось, что такое устройство не годится на поле боя и для установки на самолет. Также и для радиоастрономических применений его вес и габариты были нежелательны, имея в виду, что для полного использования его низких шумовых характеристик приемник должен был быть смонтирован в центре гигантской антенны (рис. 46). В противном случае пришлось бы использовать систему передачи сигнала от антенны к мазеру, а ее собственные шумы свели бы на нет его преимущества.
Также и для спутниковой связи, где спутники используются для передачи или ретрансляции сигналов от них к Земле, мазеры не оправдали надежд. Были разработаны новые полупроводниковые устройства, параметрические генераторы, которые хотя и не обладали столь малыми шумами, как мазеры, но были легки и компактны и не требовали охлаждения и сильных магнитных полей,
В конце концов применения мазеров ограничилось очень малым числом. Однако бурная активность вокруг них, полученные новые знания, и первые демонстрации практического применения вынужденного излучения содействовали появлению и развитию лазеров со всеми последующими применениями.
Рис. 45. Основные элементы твердотельного мазера
Рис. 46. Типичная параболическая антенна, используемая в радиоастрономии, телеметрии, радиолокации и др., с мазером, установленным в фокальной точке
Тем не менее для мазеров был момент славы. Мазер на рубине был использован А. Пензиасом и Р. Вильсоном в их открытии в 1965 г. излучения черного тела с температурой 3 К, которое является следствием Большого Взрыва Вселенной (реликтовое излучение). Оба были удостоены за свое открытие Нобелевской премии по физике в 1978 г. вместе с П.Л. Капицей (российский физик, который получил эту премию за свои исследования при низких температурах, которые привели его к обнаружению необычных свойств жидкого гелия, а именно его свертекучести). Эта история интересна тем, что показывает, что Нобелевскую премию можно получить почти случайно.
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.
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)
Космические мазеры
Здесь читатель может подумать, что мазер это человеческое изобретение. Однако Природа, как часто бывает, показала, что ничто не ново под Луной! Несколько лет назад в радиоастраномии ученые стали проводить наблюдения на частоте 1420 МГц, которая соответствует испусканию газообразного водорода в межзвездных облаках. Это конкретное радиоизлучение представляет спонтанное испускание определенного перехода в атоме водорода при термическом равновесии с довольно низкой температурой (менее, чем 100 К). При этом нет никаких особенностей мазерного усиления. Эти исследования были распространены на другие частоты и привели к обнаружению присутствия различных межзвездных газов.
В 1965 г. радиоастрономическая группа, руководимая профессором Г. Вивером из Беркли (Калифорния, США), наблюдала радиоизлучение около 1670 МГц, приходящее от молекул ОН, расположенных вблизи некоторых звезд. Это излучение состоит на самом деле из четырех известных переходов ОН на 1612, 1665, 1667 и 1720 МГц. Если излучение на этих линиях происходит на спонтанных переходах, они должны иметь интенсивности в отношениях 1:5:9:1, как следует из известных вероятностей для этих четырех переходов. Однако наблюдаемые отношения интенсивностей были совершенно другими и изменялись довольно быстро во времени (пределах временной шкалы месяцев). Распределение испускаемых частот этих линий было не гладким, но иногда содержало очень узкие компоненты. Эти ширины линий были такими, что температуры, соответствующие им, должны были бы быть менее 50 К. В то же время, интенсивность была столь высока, что температура источника должна была бы быть 1012 К. Было очевидно, что испускание происходит либо от крайне узких точечных источников, либо получается в виде хорошо направленных пучков.
Единственным разумным объяснением этих результатов было, что такое излучение возникает из-за спонтанного излучения в некоторой части облака, содержащего ОН, а затем сильно и направленно усиливается мазерным усилителем, проходя остальные части облака. Такое усиление могло бы объяснить аномальное отношение интенсивностей, высокую интенсивность и направленность излучения.
Также представлялось разумным, что свойства мазерного усиления могут быстро изменяться во времени, причем за такие времена, что не могут измениться как общее количество ОН, так и связанное с ними спонтанное излучение. Механизм накачки, ответственный за инверсную населенность, теперь понятен. Молекулы возбуждаются инфракрасным излучением, испускаемым космической пылью, и при соответствующих условиях создается инверсная населенность.
В 1968 г. были найдены другие субстанции, излучающие подобным образом, и сегодня в нашей галактике открыто более тысячи мазеров, в которых задействованы более чем 36 молекул и почти 200 переходов. Среди этих молекул, кроме ОН, — вода, метанол, аммиак и SiO.
Сегодня полагают, что эти космические мазеры существуют в областях, где формируются звезды или где звезды близки к концу своего жизненного цикла. Оба типа звезд обычно сопровождаются сильными потоками вещества в окружающее пространство. Типичные струи имеют скорости около 30 км/с, а наиболее энергичные достигают 300 км/с. Вещество, испущенное в пространство, быстро конденсируется и может быть накачено инфракрасным излучением, испускаемым самой звездой.
Механизм излучения различных молекул может быть в некоторых случаях обусловлен накачкой струй инфракрасным излучением, как утверждалось, но в других случаях это может быть возбуждением за счет столкновений. Например, в случае SiO были получены результаты, подтверждающие эту идею. Большинство SiO мазеров находятся во внешней атмосфере звезд-гигантов и супергигантов, сильно эволюционирующих звезд. Звезды этого типа теряют большую часть своей атмосферы в виде ветра, который обогащает межзвездное вещество галактики. Во время этого сильного ветра молекулы SiO могут быть возбуждены за счет столкновений с другими молекулами, которые обладают высокими скоростями, будучи веществом ветра.
Более недавно, в ядрах более чем 50 галактик, были открыты мазеры, которые в миллион раз ярче, чем те, что находятся в самих галактиках. Эти мега мазеры, как их называют, в некоторых случаях, вероятно, накачиваются через механизм инфракрасного излучения, но в других случаях механизм накачки неясен.
Изучение этих мазеров, интересное само по себе, обещает быть полезным для понимания астрофизических процессов эволюции звезд.