Марио Бертолотти - История лазера

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.

ГЛАВА 11

ПРЕДЛОЖЕНИЕ «ОПТИЧЕСКОГО МАЗЕРА»

Таунс в своих исследованиях собирался построить аммиачный мазер на длине волны около 0,5 мм, а затем обратился к много большей длине волны 1,25 см, ради упрощения конструкции. Все другие мазеры, построенные после этого, работали в сантиметровом диапазонах. Не было генератора, основанного на вынужденном излучении, способного испускать излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Хотя другие типы традиционных генераторов, таких, как клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, улучшались и позволяли дойти до чуть более, чем 1 мм, эта длина волны была самая короткая для этих устройств, а их мощности были очень низки. Фактически не было реальных запросов на когерентные излучатели в миллиметровом и инфракрасном диапазон. Одно из важных применений — ночное видение — использовало инфракрасные лучи, испускаемые самими нагретыми предметами, и требовало лишь хороший приемник, но не нуждалось, в каком бы то ни было излучателе. Для другого важного применения, спектроскопии, обычные инфракрасные лампы уже обладали достаточной мощностью. Поэтому не было никакого смысла разрабатывать новые источники. Однако, исследователи любопытны и любят расширять границы знания. Так что, даже без какой-либо поспешности, как только был запущен мазер, стали думать, а нельзя ли принцип его действия использовать для создания генератора света, который стали называть оптическим мазером. Этой задачей занялись независимо в США и в бывшем Советском Союзе.

Чтобы сделать оптическое устройство этого типа, следует рассмотреть другие энергетические уровни по сравнению с микроволновым мазером. Микроволновые частоты настолько низкие, что зазор энергии между уровнями, нужный для генерации, можно найти во вращательно-колебательных состояниях молекул или в тонкой структуре атомов в магнитном поле, как мы уже об этом говорили. В оптическом случае испускаемые фотоны должны иметь энергию, по крайней мере, в сто раз большую, и поэтому требуются переходы между электронными уровнями атомов.

Другим существенным элементом является резонатор, который необходим для работы генератора и в микроволновой области, и в области существенно более коротких длинах волн. Микроволновые резонаторы имеют размеры, сравнимые с длиной волны, т.е. порядка сантиметра. С помощью существующей технологии изготовления таких резонаторов не представляет труда. В случае света, длина волны порядка 1 мкм или даже меньше. Поэтому изготовление резонатора таких размеров представлялось невозможным. Без резонатора невозможно получить существенное взаимодействие между частицами и излучением, вынужденное излучение слабо, и теряются принципиальные особенности устройства. Однако были рассмотрены альтернативные методы, способствующие эффективному взаимодействию между возбужденными частицами и излучением. Это была система, состоящая из двух полупрозрачных плоских зеркал, параллельных друг другу. Такая система уже использовалась в спектроскопии для измерений длин волн с высокой точностью. Как мы увидим далее, эта система является настоящим резонатором, хотя другой вид ее использовался для микроволновой области частот[6]. Она была придумана в 1899 г. двумя французскими учеными С. Фабри (1867—1945) и А. Перо (1863-1925). Сегодня эту систему двух зеркал называют интерферометром Фабри—Перо, или просто Фабри-Перо. Если излучение распространяется взад и вперед между зеркалами, то из-за интерференции внутри резонатора имеются лишь определенные длины волн. При пропускании излучения через такую систему зеркал получается система концентрических колец, радиусы которых зависят от длины волны. Этот интерферометр со времен Фабри и Перо используется для прецизионного исследования спектров (например, тонкой и сверхтонкой структуры).