История лазера - Марио Бертолотти

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!

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.

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.