История лазера - Марио Бертолотти

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.