Идеи воплощаются в реальность. Рождение мазера

Было как раз то время, когда молодые физики Лаборатории колебаний ФИАНа приступили под руководством А.М. Прохорова к разработке совершенно нового научного направления — молекулярной спектроскопии. После неудачи с синхротроном Басов с большим увлечением, скорее даже — с энтузиазмом занялся спектроскопией.

Словосочетание «молекулярная спектроскопия», по существу, означает, что, исследуя спектры поглощения молекул можно расшифровывать их строение и свойства. Прибавление к слову «спектроскопия» слова «радио» означает, что молекулы облучаются радиоволнами.

Особый интерес к теме «подогревался» тем обстоятельством, что улучшающиеся при укорочении волн свойства радиолокаторов внезапно вновь ухудшались по мере приближения длины волны к сакраментальной величине 1,25 см. Большинство сходилось на том, что этот таинственный «провал» происходит из-за рассеивания радиоволн на молекулах каких-то газов, находящихся в атмосфере,— возможно даже, водяных паров. (Впоследствии оказалось, что «виноваты» тут молекулы аммиака, того самого газа, который работал в первых квантовых генераторах, — здесь еще раз можно отметить глубину связей между, казалось бы, разрозненными явлениями, тонкий намек природы, раскрывающей один из важных своих секретов. Связи в конце концов были замечены, намек разгадан).

А.М. Прохоров

На протяжении 1946—1982 Прохоров работал в Физическом институте АН СССР, с 1954 возглавлял Лабораторию колебаний. В 1982 году назначен директором Института общей физики АН СССР, который возглавлял до 1998, а затем являлся его почётным директором. Одновременно преподавал в МГУ (с 1959 в должности профессора) и МФТИ, где с 1971 года заведовал кафедрой. В 1960 Прохоров избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1966 — академиком. В течение двадцати лет (1973-93) он являлся академиком-секретарём Отделения общей физики и астрономии АН СССР, был членом и в конце жизни советником Президиума РАН. С 1969 Прохоров занимал должность главного редактора Большой советской энциклопедии, под его руководством вышло её третье издание, а также множество других энциклопедических словарей.

Идея исследователей необычайно изящна и смела — нельзя ли приспособить к генерации радиоволн именно молекулу: раз она поглощает радиоволны, стало быть, она может и излучать их! Если бы эту идею удалось осуществить, в руки человека попал бы удивительный радиогенератор, не подверженный поломкам, старению, всегда работающий ровно и устойчиво. Учитывая квантовый характер процессов излучения, следовало бы говорить о квантовом генераторе.

Надо сказать, что эта идея имела под собой весьма солидное теоретическое обоснование.

Пытаясь произвести новый вывод формулы Планка, желательно без квантов, к которым он относился с некоторым подозрением, Эйнштейн задумался над проблемой: что произойдет, если частота внешнего электромагнитного поля совпадет с частотой спектральных линий атомов? Опираясь на законы термодинамики, он был вынужден предположить, что они могут быть соблюдены лишь в том случае, если при облучении атомов извне сами они тоже начнут излучать. Таким образом, Эйнштейн разделил процессы спонтанного и индуцированного излучения.

Предсказания Эйнштейна и Дирака, относящиеся к све­ту, к оптике, квантам, как оказалось, имеют самое прямое касательство к абсолютно классическим, «волновым», впол­не радиотехническим поискам наших героев.

Как говорилось ранее, Н.Г. Басов и А.Н. Прохоров работали в области микроволновой радиоспектроскопии. Чтобы повысить чувствительность спектрометров и их раз­решающую способность с целью изучить тонкую и сверхтонкую структуру молекулярных спектров, нужно было как можно больше сузить линию поглощения молекул. У Басова и Прохорова возникла радикальная идея добить­ся этого путем изменения самой сущности изучаемого про­цесса, превратив его из поглощения в излучение. Други­ми словами, Басов и Прохоров решили превратить погло­щающую радиоволны молекулу в молекулярный гене­ратор.

Впервые об этой сногсшибательной идее их коллеги узнали в мае 1952 года, когда состоялась Общесоюзная конференция по радиоспектроскопии. Затем эта же мысль прозвучала в докладе о применении молекулярных пуч­ков в радиоспектроскопии, на Всесоюзном совещании по магнитным моментам ядер, которое состоялось в январе 1953 года. В сообщениях Басова и Прохорова 1952—1953 годов были суммированы результаты теоретического ана­лиза эффектов усиления и генерации электромагнитных излучений квантовой системы и разработана физика этих процессов.

Над такими же проблемами, как потом оказалось, размышляли и в США. Еще в 1951 году на Симпозиуме по субмиллиметровым волнам в Иллинойском университете выступил Л. Нетеркот, который, между прочим, упомянул об идеях, разрабатывавшихся его коллегой Ч. Таунсом и связанных с новыми подходами к генерации и усилению радиоволн. В декабре того же года Ч. Таунс описал эти идеи в секретном отчете лаборатории излучений Колум­бийского университета. В 1953 году Ч. Таунс был пригла­шен в Японию инженерами-электриками. Там оп прочел на совместном заседании двух электротехнических об­ществ лекцию на тему «Физические и технические приме­нения субмиллиметровых волн». Лекция и последовавшие вопросы были записаны на магнитофон, переведены на японский язык и затем опубликованы в журнале японско­го общества электросвязи. Отвечая на один из вопросов, Таунс сказал, что последовательное уменьшение волны приведёт к тому, что размеры резонаторов, применяемых в микроволновом диапазоне, «уменьшаются уже настолько, что становится необходимым использовать весьма миниатюрные резонансные цепи, естественно приводящие к молекулам и электронам...»

Таким образом, уже в начале 50-х годов Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в ФИАНе и Ч. Таунсом в Колумбийском университете была независимо сформулирована важнейшая идея использования индуцированного излучения на практике и открыта принципиальная возможность постройки молекулярного усилителя и генератора.

Устроены эти приборы были, на удивление, просто: источник молекулярного пучка, сортирующая и фокусирующая системы, объемный резонатор, волновой вывод. Все это – в глубоком вакууме. Пучок молекул аммиака, поступающий из источника, под действием сильного и неоднородного электрического поля между пластинами конденсатора претерпевает серьезные изменения. Слабо возбужденные молекулы выбрасываются из пучка, в то время, как сильно возбужденные фокусируются на оси конденсатора и узким пучком поступают в объемный резонатор, представляющий собой металлическую полость, обычно прямоугольной формы. Резонатор настроен точно на частоту «инверсного перехода». Именно здесь под действием радиоволны длиной 1,25 см и происходит «сбрасывание» молекул с верхнего энергетического уровня на нижний и следствие этого — излучение радиоволны. На выходе ге­нератора можно наблюдать радиоколебания необычайно высокой стабильности и частоты спектрального состава. Статья Н.Г. Басова и А.М. Прохорова «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательного спектра в молекулах» поступила в редакцию «Журнала экспериментальной и теоретической физики» в начале 1954 года. В октябре того же года она вышла в свет. Начиная читать статью, поначалу можно подумать, что речь идет о высокоточном радиоспектроскопе с большой разрешающей способностью и громадной чувст­вительностью. Однако дальше это впечатление быстро ис­чезает, ибо весьма знаменателен сам способ улучшения этих характеристик! «...Ширина спектральной линии,— пишут Н.Г. Басов и А.М. Прохоров,— может быть су­щественно уменьшена, если наблюдать поглощение микроволн не в газе, как это делается в радиоспектроскопах, а в молекулярном пучке...» Заканчивается статья описанием нового прибора, с помощью которого можно было осуще­ствлять генерацию радиоволн путем индуцированного излучения, то есть молекулярного генератора.

С одной стороны, новый прибор — это «всего лишь» пучковый радиоспектроскоп, снабженный устройством для сортировки молекул. С другой, это — совершенно новый по принципу действия физический прибор — молекуляр­ный генератор. Вот знаменательная фраза из этой статьи: «Применение сортировки молекул по вращательным со­стояниям дает возможность изучить не только спектры поглощения молекул, но и спектры излучения молекул, так как из пучка по желанию можно отсортировать моле­кулы, находящиеся в нижнем или в верхнем состоянии рассматриваемого перехода. Используя молекулярный пу­чок, в котором отсутствуют молекулы в нижнем состоя­нии рассматриваемого перехода, можно сделать «молеку­лярный генератор». Как видно, здесь, в общедоступном журнале, впервые прямо и недвусмысленно изложена важ­нейшая мысль о создании генератора. До этого в откры­той литературе таких идей никто не высказывал.

Постепенно идея молекулярного радиоспектроскопа отходит на второй план, а на первый выступает кванто­вый генератор. В ноябре 1954 года в журнал «Доклады Академии паук СССР» поступила статья Басова и Про­хорова «Теория молекулярного генератора и молекуляр­ного усилителя мощности», где было дано исчерпывающее определенно нового устройства. «Молекулярным генера­тором, — пишут авторы,— мы называем автоколебатель­ную систему, использующую энергию, связанную с перехо­дами между различными энергетическими уровнями». Здесь же приведена и разработка теории нового при­бора.

Статья была опубликована в январе 1955 года, а в мае того же года и редакцию журнала «Физикл ревью» посту­пила и в августе напечатана статья Дж. Гордона, X. Цайгера и Ч. Таунса «Мазер — новый тип микроволнового усилителя, стандарта частоты и спектрометра». В ней опи­сываются принцип действия прибора и его конструкции. Дано краткое название нового прибора, которое быстро привилось: мазер (аббревиатура английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает: усиление микроволн (СВЧ) в результате вынужденного излучения. Как видно, речь идет о генерации микроволнового радиоизлучения. Генерация же света происходит в лазерах, что также отражено в самом названии «лазер», первая буква которого является сокращением английского слова Light (свет)). Сообщено также о действующем мо­лекулярном генераторе на аммиаке. Авторы ссылаются на работы Басова и Прохорова.

Новое устройство обладало уникальными характеристиками. Прежде всего, частота его излучения была необычайно стабильной. Это позволяло создать на его основе спектроскоп с очень высокой разрешающей силой, а также использовать этот новый прибор в качестве стандарта частоты, своеобразных атомных часов.

В 1959 году Н.Г. Басову и А.М. Прохорову была присуждена Ленинская премия «за открытие нового принципа генерации и усиления электромагнитного излучения на основе квантовых систем». Через пять лет Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и Ч. Таунса назвали и Нобелевскими лауреатами.

_______________________________________________________________

В 1958 г. была рассмотрена возможность применения метода создания мазеров для создания генераторов оптического диапазона (в СССР — Н.Г. Басов, Б.М.Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США — Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин.

Первый лазер на рубине

С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер». Это слово составлено из первых букв английского выражения: «light amplification by stimulated emission of radiation» (laser), что в переводе означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось мощным источником света.

Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д.Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские ученые Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Ю.М. Попов. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

_______________________________________________________________