Мазер Лазер
В 1964 году Нобелевскую премию по физике «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе» разделили Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и Чарльз Хард Таунс. Удивительно, но мазер изобрели совершенно независимо и одновременно две команды — советская и американская. Об этом и пойдёт речь.
«А мазер — то же самое, что и лазер?» Такой вопрос я слышал не раз. Я бы сказал, что мазер и лазер связаны примерно так же, как чоппер и спортбайк. И то и другое — мотоциклы, два колеса, руль, цепной привод, но предназначены они для разных задач и, соответственно, имеют разные характеристики. А ещё мазер появился на шесть лет раньше своего более известного собрата.
И мазер, и лазер относятся к квантовым усилителям (они же квантовые генераторы), действие которых основано на принципе вынужденного, или индуцированного, излучения, сформулированного Альбертом Эйнштейном. Суть этого явления состоит в том, что если атом находится в возбуждённом состоянии, то под действием внешнего фотона строго определённой частоты, равной частоте перехода между возбуждённым и основным состоянием, он, в свою очередь, может излучать фотоны такой же частоты. Это касается не только атомов, но и молекул, ионов, электронов или ядер. Проще говоря, когда в возбуждённый атом попадает сторонний (индуцирующий) фотон, он стимулирует переход системы с более высокого на более низкий энергетический уровень и атом излучает новый фотон с характеристиками, идентичными индуцирующему фотону. Первый фотон при этом не поглощается, так что на выходе у нас уже два когерентных, то есть имеющих одинаковую частоту и фазу фотона!
Именно этот принцип лежит в основе квантовых усилителей — мазеров и лазеров. А раз принцип общий, проще будет сперва объяснить, как работает более известная нам система — лазер, а затем рассказывать об отличиях мазера.
Важнейший элемент лазера — рабочая, или активная, среда, то есть вещество, атомы которого, собственно, излучают фотоны при переходе из возбуждённого состояния в основное. При нормальных условиях количество атомов с низкой энергией (то есть в основном состоянии) в рабочей среде значительно превышает количество возбуждённых атомов. Для того чтобы перевести как можно большее число атомов в возбуждённое состояние, активную среду накачивают, то есть сообщают ей дополнительную энергию. Существует много вариантов накачки: с помощью газоразрядных ламп, электрического разряда, излучения других лазеров и т. д.
Когда число возбуждённых атомов превышает число атомов с низкой энергией, активная среда переходит в состояние, которое называется инверсией населённостей. При этом система уже не может находиться в термодинамическом равновесии, и некоторые возбуждённые атомы начинают спонтанно, без внешнего воздействия излучать фотоны. Эти фотоны соударяются с возбуждёнными атомами активной среды, вызывая индуцированное излучение. Для эффективного усиления света лазер имеет оптический резонатор — в простейшем случае это два зеркала, расположенных друг напротив друга. Резонатор отражает свет, заставляя фотоны проходить через активную среду снова и снова и вызывая эффект снежного кома. Собственно, это и есть лазерное излучение.
Длина испускаемых лазером волн напрямую зависит от рабочей среды и колеблется от 150 нанометров (у эксимерных лазеров, работающих на благородных газах) до 570 микрометров (у метаноловых лазеров). Чтобы вы представляли, о чём идёт речь: длины волн видимого спектра занимают участок с 380 до 780 нанометров, а привычный нам по кино красный луч — это длины примерно в 620–680 нанометров, то есть очень небольшой промежуток. Остальное пространство занимают другие цвета, а также ультрафиолетовые и инфракрасные лазеры.
Вот тут и кроется основное отличие мазера.
Что такое мазер?
Вы не поверите, но — то же самое, что и лазер: активная среда, механизм накачки, резонатор. Просто он генерирует волны других длин — сантиметрового диапазона, так называемые микроволны. Длина такой волны может составлять от одного миллиметра (то есть в два раза больше, чем предельная длина волны у лазера) до целого метра! Естественно, необходимость генерировать другие волны подразумевает другие активные среды и механизмы накачки, но общий принцип сохраняется. Даже названия-аббревиатуры обоих приборов очень похожи. MASER — это microwave amplification by stimulated emission of radiation (‘усиление микроволн с помощью вынужденного излучения’), а LASER — light amplification by stimulated emission of radiation (‘усиление света с помощью вынужденного излучения’) — отличие всего в одно слово.
Впрочем, несмотря на единство принципа, мазер устроен несколько иначе, нежели лазер. Классический молекулярный мазер использует в качестве рабочей среды газ — водород или аммиак. Газ непрерывно подаётся в камеру низкого давления, где возбуждается с помощью СВЧ-излучения и формирует направленный атомный или молекулярный пучок. Пучок проходит через селектор (нечто вроде фильтра), отсеивающий атомы или молекулы в невозбуждённом состоянии с помощью неоднородного электрического поля. Затем пучок возбуждённых молекул попадает в резонатор, и дальнейший процесс соответствует описанному выше.
Конечно, мазеры, как и лазеры, бывают не только атомные (молекулярные), но и газовые, и твердотельные — есть несколько типов. Вот тут у многих возникает вопрос: зачем нужен мазер? В отличие от лазерного луча, его лучом нельзя ничего осветить, разрезать или соединить, поскольку мощность излучения мазера очень мала (порядка пиковатт).
Сегодня есть две основные области применения мазеров. В первую очередь они используются в качестве хранителей частоты в системах национального точного времени. Эталоном времени сейчас является секунда, равная 9 192 631 770 периодам излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такую секунду измеряют с помощью атомных цезиевых часов, генерирующих очень стабильную эталонную частоту. По принципу действия эти часы похожи на камертон: музыкант периодически ударяет по нему, слушает ноту и сравнивает её со звучанием струны — и так же атомные часы включаются периодически для настройки эталонного времени. А в интервалах между этими включениями точное время поддерживается хранителями частоты — водородными мазерами. Второе применение мазеров — в качестве микроволновых усилителей с низким уровнем шума в радиотелескопах.
Ну что ж, мы разобрались с теорией и теперь давайте перейдём к истории.
Кто изобрёл мазер?
В 1950 году французский физик Альфред Кастлер предложил метод оптической накачки рабочей среды для создания в ней инверсной населённости. Он предположил, что электроны при воздействии на них света или других электромагнитных волн могут подниматься на более высокий энергетический уровень, — и не ошибся. На тот момент речи о квантовых усилителях ещё не шло и идея Кастлера была чисто теоретической, хотя в начале 1952-го он подтвердил правильность своего предположения с помощью лабораторного эксперимента и опубликовал работу, описывающую методику накачки.
Идея Кастлера подтолкнула других учёных к мысли о практическом применении накачки. В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии молодые физики Николай Басов и Александр Прохоров из Физического института АН СССР прочли совместный доклад на тему разработки оптического квантового генератора (слова «мазер» тогда ещё не существовало). В теории их доклад охватывал и мазер, и лазер, до изобретения которого оставалось ещё восемь лет. А несколькими неделями позже американский физик Джозеф Вебер из Мэрилендского университета в Колледж-Парке на Исследовательской конференции по электронным трубкам (Electron Tube Research Conference) в Оттаве прочёл публичную лекцию ровно на ту же тему.
Далее последовали публикации. Статья Вебера вышла в июне 1953 года в профессиональном ежегоднике, издаваемом для радиоинженеров, а статья Басова и Прохорова — в октябре 1954-го в «Журнале экспериментальной и теоретической физики»1. При этом статья советских учёных была более детальной.
Тем временем в «гонку мазеров» вступил игрок более важный, чем Вебер. Его звали Чарльз Хард Таунс, и он работал в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Ещё в 1951 году Таунс высказывал идею мазера, но не занимался практической стороной вопроса — именно тогда он предложил аббревиатуру, ставшую современным названием прибора. Услышав выступление Вебера, он попросил того прислать ему тезисы лекции и взялся за вопрос всерьёз. Меньше чем за год, в 1953–1954-м, вместе со своими студентами Джеймсом Гордоном и Гербертом Зейгером Таунс построил первый в истории аммиачный мазер. В англоязычной литературе устройство так и называется: мазер Таунса — Гордона — Зейгера.
Забавно, но практически все коллеги Таунса в один голос утверждали, что его конструкция работать не будет. А когда она заработала, бросились изобретать всевозможные вариации на тему мазеров, пробуя всякие активные среды и системы накачки. С критикой Таунса в начале 1950-х выступали такие гиганты, как Нильс Бор, Джон фон Нейман и Люэлин Томас — очень значительные в научном мире фигуры.
Басов и Прохоров построили свою модель мазера в Физическом институте полугодом позже. А в 1955-м они представили трёхуровневую схему создания инверсной населённости — то есть оптическую накачку, при которой используется не два, а три энергетических уровня атомов. В случае с аммиачным мазером эта схема не использовалась, а вот лазер без неё не создать.
Вообще говоря, история мазера и история лазера связаны очень тесно. Даже странно, что мазер появился раньше: по сложности конструкции они примерно одинаковы, а лазер можно изготовить в значительно большем количестве вариаций, с десятками и даже сотнями различных активных сред, да и практическое применение его намного шире. Тем не менее началось всё именно с мазера, и в 1964 году, как говорилось выше, Таунс, Басов и Прохоров разделили за разработки в этой области Нобелевскую премию. Кастлер, к слову, тоже её получил — чуть позже, в 1966-м, за смежные исследования.
После разработки мазера Таунс со своей группой вплотную занялся квантовыми генераторами, работающими в инфракрасном спектре, то есть будущими лазерами. В этом же направлении двигались Басов и Прохоров, и тут надо заметить, что для научного сообщества в тот период железный занавес приподнялся: началась оттепель, Хрущёв побывал в США, статьи советских учёных стали активно, почти как в 1920–1930-е годы, появляться в зарубежных научных журналах.
А первый рабочий лазер в 1960 году построил, опираясь на статьи и разработки Таунса и его коллеги Артура Шавлова, сотрудник Hughes Aircraft Company Теодор Майман. Но это уже совсем другая история.
Источник https://elementy.ru/bookclub/chapters/434935/Izobreteno_v_SSSR_Glavy_iz_knigi
Это интересно
+4
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Физик заявил, что на Земле живут миллионы пришельцев
(4)
TatiKa
,
26.02.2022
-
Британский ученый призывает к освоению Нептуна и Урана
(4)
фм+/
,
14.02.2022
-
NASA наймет теологов для выполнения необычного задания
(6)
TatiKa
,
10.02.2022
-
Сан-Марино может стать новой «Женевой НЛО»
(4)
фм++)
,
11.01.2022
-
Стивен Хокинг предсказал появление коронавируса
(2)
TatiKa
,
19.11.2021
-
Итальянский физик-теоретик: наша реальность – это «игра квантовых зеркал»
(5)
TatiKa
,
15.11.2021
-
Как «поет» Солнце и звучат другие объекты космоса
(4)
TatiKa
,
29.10.2021
-
Следы мифической планеты в вавилонских текстах
(2)
TatiKa
,
26.09.2021
-
Астрономы будут искать технологии, созданные внеземными цивилизациями
(3)
TatiKa
,
26.09.2021
20250131225618