История лазера - Марио Бертолотти

Блох не обратил внимания на эту особенность, сосредоточившись на проблеме определения времени релаксации и измерения его точного значения. Инверсная населенность, получаемая таким способом, получившим название быстрого адиабатического прохождения, была позднее, в 1958 г., использована, чтобы создать инверсную населенность в двухуровневом твердотельном мазере.

В следующем году Н. Бломберген, молодой голландский физик, о котором мы более подробно поговорим позднее, вместе с Парселлом и Паундом продолжал изучать времена релаксации. Он ввел в теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся на разных энергетических уровнях. Эти уравнения сыграли фундаментальную роль в описании действия мазеров и лазеров.

Отрицательная температура

В 1951 г. Парселл и Паунд в короткой заметке в Physical Review ввели понятие отрицательной температуры и показали существование отрицательного поглощения. Они рассматривали эксперимент по ядерному поглощению и рассуждали следующим образом. При напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести к намагничиванию, которое противоположно новому направлению поля. Это обращение должно осуществляться за такое короткое время, чтобы намагничивание не могло мгновенно следовать за полем. Они выполнили эксперимент с образцом флюорида лития, помещаемого в магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Это время инверсии делалось короче, чем спин-решеточная релаксация, и, таким образом, конфигурация ядерных спинов имела достаточно времени, чтобы измениться в течение инверсии поля. В пределах короткого интервала времени, в течение которого спины остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, т.е. испускание.

Этот эффект показан на рис. 40, причем частота периодически варьировалась взад и вперед через значение резонансной частоты. Пик, крайне слева, представляет нормальную резонансную кривую, перед тем как поле инвертируется. Как раз справа от этого положения поле было инвертировано, и следующий пик направлен вниз, что соответствует отрицательному поглощению. Эти отрицательные пики становятся слабее, вплоть до состояния, где исчезают и положительное и отрицательное поглощения (ноль пика). В этом состоянии населенности верхнего и нижнего уровней равны. Последующее увеличение положительных пиков показывает новое установление термодинамического равновесия населенностей.

Если мы теперь вспомним, что в случае молекул, которые могут находиться на двух энергетических уровнях, число молекул, находящихся в верхнем состоянии, равно числу молекул, находящихся в нижнем состоянии, умноженному на экспоненциальный фактор, который является отрицательным отношением разности энергий двух уровней к kT, то мы увидим, что для положительного значения температуры экспоненциальная функция всегда отрицательна, и поэтому экспоненциальный член всегда меньше единицы. Это означает, что населенность частиц в верхнем состоянии всегда меньше, чем населенность в нижнем состоянии. Ситуация, при которой населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, соответствует случаю, при котором экспоненциальный множитель больше единицы. Это получается, если kT является отрицательным, т.е. температура отрицательна.

Отрицательная температура просто означает, что занятие состояний с большей энергией более вероятно, чем состояния с меньшей энергией. Это получается в одних и тех же уравнениях. Но дело не только в формулах, отрицательная температура имеет глубокий физический смысл. Через семь лет после введения этого понятия, полное объяснение его значения было дано двумя исследователями, Абрагамом и Проктором. Парселл прокомментировал их работу, говоря: «Это как получение свидетельства о браке через семь лет после рождения ребенка».

Н. Рамси, который в нескольких работах (даже философских) обсуждал смысл отрицательной температуры, писал:

«Паунд, Парселл и Рамси выполнили серию экспериментов с кристаллами LiF, которые имеют очень большое время релаксации. Они обнаружили, что спиновая система существенно изолирована в течение времени, которое изменяется от 15 с до 15 мин, и что за времена, короткие по сравнению с этим временем, спиновая система может находиться в состоянии с отрицательной температурой. В этом состоянии уровни с более высокой энергией заселены более полно по сравнению с уровнями с низкой энергией. Такая система характеризуется тем, что когда на нее падает внешнее излучение, то вынужденное излучение превосходит поглощение».

В эксперименте Парселла и Паунда они наблюдали сигнал, который получался из-за распада инверсной населенности зеемановских уровней. Никто не придал значения тому, что это — метод, который позволяет получить инверсию, или тому факту, что система с отрицательной температурой, связанная с микроволновым резонатором или волноводом, может дать когерентное усиление благодаря процессу вынужденного излучения. Вероятно, это было из-за того факта, что этот метод получения инверсии давал только краткосрочное существование инверсной населенности. Лишь позднее методы получения инверсии были использованы для создания мазеров.

Глава 10

МАЗЕР

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.