Марио Бертолотти - История лазера

С другой стороны, если внутри резонатора Фабри—Перо поместить инвертированную среду, то на этих резонансных частотах получается увеличенное взаимодействие между излучением и возбужденными атомами. В результате испускается излучение на определенных оптических длинах волн. Хотя размеры этого резонатора теперь много большие, чем длина волны, в нем происходит хорошая селекция возможных типов колебаний (мод), так как только излучение, которое распространяется взад и вперед между зеркалами, может генерироваться. Другое излучение, распространяющее даже под малым углом к поверхности зеркал, покидает резонатор после нескольких отражений.

Предложение Фабриканта

Как мы уже видели, первым среди претендентов на идею создать лазер, был Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991), который сделал свое предложение в Советском Союзе в 1940-х гг.

Фабрикант начал свою научную карьеру студентом физико-математического факультета Московского университета у Г.С. Ландсберга. После окончания его он поступил на работу во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). В 1932 г. его внимание было сконцентрировано на проблемах оптики и свойств электрического разряда в газах. Он опубликовал ряд работ, в которых он изучал спектральный состав и интенсивность излучения, испускаемого при электрических разрядах в газах, в частности, исследуя процессы столкновений между возбужденными атомами и электронами и передачи энергии, происходящие в этих процессах.

Атом или очень быстрый электрон может столкнуться с другим атомом и передать часть своей энергии, которая, если она достаточная, может возбудить ударяемый атом и перевести его на возбужденный уровень. Это называется столкновением первого рода. Также существует другой вид столкновения, который называется столкновением второго рода. В нем атом, который уже находится в возбужденном состоянии сталкивается с другим атомом, который находится в основном состоянии, и передает ему свою энергию. В результате первый атом возвращается в основное состояние, а второй атом перепрыгивает на возбужденный уровень. Оба эти атома необязательно должны быть одного и того же вида; существенно, что оба возбужденных уровня имеют одну и ту же энергию. Если два атома разного вида, то тогда возможно с помощью этого механизма, что атомы одного вида, скажем А, возбуждают атомы другого вида, скажем В, при этом возбужденный уровень может иметь больший номер, чем тот, что получился бы в результате термических столкновений первого рода. В результате, для атомов В может получиться распределение на некоторых уровнях, которое будет отличаться от распределения Максвелла— Больцмана. Эта возможность и интересовала Фабриканта.

В 1939 г. он стал изучать возможность получения населенностей возбужденных атомов, больших, чем следует из распределения Больцмана, и старался показать, что когда излучение проходит через среду, в которой реализована такая инверсия, населенностей, то возможно наблюдать усиление излучения, а не поглощение. После он предложил способ экспериментально реализовать инверсную населенность при разряде в смеси газов, при котором используются столкновения атомов. Эти результаты были включены в его докторскую диссертацию, которую он защитил в 1939 г. В это время интересы Фабриканта были связаны с получением экспериментальных доказательств существования вынужденного излучения. Позднее он рассматривал эту проблему более интенсивно, и 18 июня 1951 г., он подал вместе со своими сотрудниками заявку на патент относительно нового метода усиления света, озаглавленную: «Метод усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиоволн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, в которой с помощью дополнительного излучения, или другими способами, создается избыток концентрации на верхних уровнях по отношению к равновесной концентрации атомов, других частиц, или систем». В патенте идеи использования вынужденного излучения для усиления излучения были развиты более конкретным образом.

Однако патент был опубликован лишь в 1959 г. и нет возможности знать, какая формулировка и описание были в первоначальной заявке. Формулировка 1959 г. очень общая и, практически, покрывает все, что относится к мазерам и лазерам. После подачи заявки Фабрикант и его сотрудники проводили экспериментальные работы в разных условиях, но без успехов. Хотя они и опубликовали экспериментальные подтверждения своих идей, но они были опровергнуты.

Работа Фабриканта имеет исторический интерес, поскольку он к своей концепции шел со стороны оптики, без прохождения фазы мазера. Работа не оказала никакого влияния на развитие и мазера и лазера, поскольку она стала известной, после того как оба устройства были реализованы. Даже в России отношение его коллег к его идее было, вероятно, не слишком серьезным, он сам не опубликовал свои результаты. Только после того, как были построены первые мазеры и лазеры, Правительство вспомнило о нем. В 1965 г. Академия наук СССР наградила его Золотой медалью С.И. Вавилова «за важные работы по оптике и газовому разряду». Он получил Государственную премию СССР за разработку люминесцентных ламп.

Оптическая бомба

В Америке Роберт Дике (1916—1997) опубликовал в 1953 г. работу, в которой он ввел новую концепцию, которую назвал «сверхизлучением». Это было стержнем обсуждения метода получения излучения с характерной когерентностью. Поскольку в 1953 г. названий мазер и лазер еще не существовало, Дике назвал свое устройство «оптической бомбой», предсказывая, что оно способно испустить крайне короткий и интенсивный импульс света.

Дике был профессором физики в Принстонском университете и консультантом RCA. Он интересовался основными проблемами физики и сделал важный вклад в изучение гравитации, но также не был чужд изобретательства. Должность консультанта помогала ему облекать некоторые из своих идей в патенты или в проекты для лабораторий фирмы. Он интересовался методами сужения линии излучения атома водорода, чтобы изучить взаимодействие электрона с ядром, и это привело его к исследованию общих свойств когерентного излучения и к концепции сверхизлучения. Узкие линии были важны для создания стандартов частоты, и RCA имела контракт с военными, основанный на идее Дике получения когерентного излучения. Позднее, в 1960 г. он стал интересоваться гравитацией, а в 1964 г. теорией Большого Взрыва и побудил своего коллегу Пиблса рассчитать температуру излучения черного тела, оставшегося как память об этом великом взрыве. В начале февраля 1956 г. Дике описал в своей записной книжке три изобретения. Одно касалось исследований переходов в аммиаке для получения излучения в миллиметровой области. Второе было методом получения большей мощности за счет формирования источника молекул аммиака в виде кольца вокруг микроволнового резонатора. Третье предлагало использовать такой «кольцевой мазер», чтобы генерировать волны в диапазоне от 0,25 до 0,03 мм, т.е. вплоть до инфракрасной области. Чтобы сделать свой мазер работающим в этой части спектра, Дике заменил микроволновый резонатор парой параллельных зеркал, т.е. эталоном Фабри—Перо. На основе этой идеи в 1958 г. был выдан патент под названием: «Молекулярные системы и методы усиления и генерации». Однако эта идея не получила развития.

Предложение Таунса и Шавлова

Тем временем в Советском Союзе Басов и Прохоров в Физическом институте им. П.Н. Лебедева исследовали, как продвинуть свойства мазера в видимый диапазон, а Гордон Голд (г. р. 1920), работал в США над своим собственным проектом, о котором мы расскажем после.

Но Чарльз Таунс и Артур Шавлов были первыми, кто опубликовали детальное и исчерпывающее предложение, которое и привело впоследствии к конструкциям лазеров разного типа.

В 1957 г. Чарльз Таунс приступил к рассмотрению проблем, связанных с созданием устройств, подобных мазеру, работающих на оптических длинах волн. Таунс проводил эту работу в тесном сотрудничестве с Артуром Шавловым, физиком, работающим в то время в Bell Labs.

Артур Шавлов родился в Маунт Верной (Нью-Йорк, США) 5 мая 1921 г. Сначала он хотел стать радиоинженером, но после окончания школы ему было всего лишь 16 лет, а в Канаде, где он жил в то время, в университет принимали с 17 лет. Кроме того, его семья не могла поддержать его. В конце концов он сумел получить стипендию для занятий по физике и математике и смог учиться в университете Торонто, окончив его в 1941 г. Его увлекала исследовательская работа и в 1949 г. он получил в этом университете степень доктора. За несколько месяцев до этого в Оттаве проходил Конгресс Канадской Ассоциации Физиков, в котором принял участие И. Раби, рассказав об удивительных открытиях Виллиса Лэмба и Поликарпа Куша, за которые они получили Нобелевскую премию. Молодой Шавлов загорелся и старался сделать всё, чтобы попасть в Колумбийский университет. Итак, он написал Раби в Колумбийский университет, который предложил ему стипендию для работы под руководством Таунса. Эта стипендия, как мы уже говорили, была назначена корпорацией Юнион Карбайд для поддержки прикладных исследований в области микроволновой спектроскопии для органической химии. Шавлов совсем не интересовался органической химией, но очень интересовался микроволнами и работал с клистроном. По условиям стипендии он должен был работать с человеком по имени Чарльз Таунс, о котором он ничего не слышал, но поскольку он хотел попасть в этот университет, он согласился.