Чтение онлайн

Сразу же после войны работы по микроволновой спектроскопии стали, в основном развиваться в Америке в лабораториях прикладных исследований. Четыре независимые группы стали изучать газы с помощью этой методики: Bell Labs, лаборатории «Вестингауз», лаборатории RCA и Колумбийский университет, единственный из университетов. После нескольких лет активности, которая была признанной экономически мало эффективной и прекращенной в промышленных лабораториях, исследования переместились в университеты, где физики и химики заинтересовались использованием микроволн для изучения молекул. Однако большинство молекул имеют наиболее интенсивные спектральные линии на длинах волн в миллиметровой области и слабо взаимодействуют с излучением с длинами волн около сантиметра, которое производилось генераторами радаров. Это вызвало сильное желание спектроскопистов, занимающихся молекулярной спектроскопией, разрабатывать источники в миллиметровой и субмиллиметровой области. Военные были также заинтересованы в миллиметровых системах, поскольку они были более компактны и более легкими для военных применений.

Во время войны самые знаменитые американские ученые сотрудничали с военными, и теперь, когда война окончилась, это сотрудничество естественно продолжалось и желательным были взаимные контакты. В этой атмосфере, в 1946 г., Военно-морское министерство, Сигнальный корпус армии и Военно-воздушные силы образовали Объединенные службы программ по электронике (JSEP), чтобы поддержать две лаборатории, которые проводили исследования по электронике во время войны и которые продолжались. Это Лаборатория радиации MIT, которая была реорганизована в Исследовательскую лабораторию электроники, и Колумбийская лаборатория радиации физического факультета Колумбийского университета. К концу 1946 г. к этой программе присоединился Гарвардский университет, а в 1947 г. и Стэнфордская лаборатория электроники в Калифорнии.

Министерство обороны США одобрительно относилось к этим лабораториям, которые продвигали науку и технологию, которые могли бы оказаться полезными в военном деле. Более того, они поддерживали высококвалифицированных ученых, стремясь привлечь их к военным задачам и заботясь о появлении нового поколения исследователей. Таким образом, и ученые, и военные работали в области генерации миллиметровых волн с большой взаимной заинтересованностью.

В 1950-х гг. назрело время для изобретения нового устройства, и, как это часто бывает, фундаментальные принципы его работы были установлены одновременно и независимо несколькими разными людьми. Читатель, которого не сбили с толку многочисленные отступления, совершенно необходимые для понимания нашей истории, может увидеть точный путь, который приводит нас к окончательной цели. После извилистого начала наше путешествие проходит с введением Эйнштейном в 1916 г. концепции вынужденного излучения, которая сначала, в 1920-х гг., была использована теоретиками для объяснения различных явлений, и которая позднее была экспериментально подтверждена. В то время, пока эта концепция была в умах исследователей, в 1930-х гг. развивались микроволны и соответствующая техника, и немедленно после интенсивных исследований радаров во время войны, был открыт ядерный резонанс. В экспериментах по ядерному резонансу была получена инверсия населенности. Она возникала на короткое время, как переходное явление, но была достоверно и правильно установлена. Точно так же была установлена роль вынужденного излучения и его противоположность по отношению к явлению поглощения. Теперь давайте посмотрим, как вынужденное излучение было использовано для создания мазера.

Первое изложение в публичной аудитории основного принципа, на котором может работать мазер (однако без самого работающего устройства), было сделано Джозефом Вебером (1919—2000) в Оттаве (Канада) в 1952 г. на конференции по электронным лампам (Electron Tube Research Conference). Это была престижная конференция, в которой участвовали лишь по приглашениям и на которой часто представлялись идеи для прогрессивных устройств.

Вебер был тогда молодым профессором электротехники университета Мэриленда и консультантом Военно-морской лаборатории США. Он получил диплом в Аннаполисе и был первым морским офицером, который был, как квалифицированный инженер в области микроволн, в секции электронного противодействия во флоте. Здесь он имел возможность ознакомиться с технологической важностью усилителей с высокой чувствительностью к микроволновым и миллиметровым волнам, поскольку для целей противодействия вражеским радарам требовались такие усилители для обнаружения слабых волн от радаров. Информация о длинах волн, на которых работает радар, и их источнике позволяла затем посылать сигналы, ослепляющие вражеские приемники и, и тем самым, не позволяя врагу определять цели.

После демобилизации из флота он поступил в Католический университет Вашингтона. Квантовая механика была частью его занятий, и идея мазера появилась у него после лекции о вынужденном излучении Карла Герцфельда (1892—1978). Он получил докторскую степень по физике в 1951 г., работая в области микроволновой спектроскопии, и стал профессором в университете Мэриленда. Здесь он продолжал работы по микроволновой спектроскопии. Механизм поглощения и испускания, который имеет место, когда излучение взаимодействует с газом, всегда интересовал его. В типичном эксперименте микроволновой спектроскопии микроволны от некоторого источника попадают на приемник. Если между источником и приемником располагается газ, то можно наблюдать поглощение некоторой части падающего излучения. Какова природа этого поглощения? Оно происходит, если молекулы газа обладают парой уровней и разность энергий между ними, деленная на постоянную Планка, приблизительно равна частоте микроволн.

Чтобы лучше понять, как это происходит, Вебер рассматривал систему только с двумя энергетическими уровнями, E 1и E 2(причем Е 2> Е 1), на каждом из которых имеется число атомов или молекул соответственно n 1и n 2(мы будем называть n 1и n 2населенностями энергетических уровней E 1и E 2соответственно). Когда микроволновая частота имеет правильное значение, поглощенная мощность пропорциональна населенности первого уровня, т.е. n 1. Частицы, которые находятся на верхнем уровне 2, в свою очередь, испускают вынужденное излучение на той же частоте, мощность которого пропорциональна n 2. Итоговая мощность равна разности между поглощенной и испущенной мощностью, т.е. пропорциональна n 1— n 2. Поскольку при термическом равновесии n 1всегда больше, чем n 2, Вебер заключал, что «эта итоговая мощность всегда положительная величина. Поэтому при обычных условиях мы получаем поглощение излучения». Однако, добавлял он, «мы можем получить усиление, если каким-нибудь способом можно сделать число осцилляторов в верхнем состоянии большим, чем число их в нижнем состоянии» и заключал «метод осуществить это, предложен в эксперименте Парселла по отрицательной температуре».

Эти рассмотрения были сделаны Вебером в 1951 г. и представлены на конференции в 1952 г. Вебер позднее объяснял, что он намеревался опубликовать свои результаты в широко читаемом журнале. Вместо этого, профессор Г. Рейх из Йельского университета написал ему, что он, будучи председателем конференции в 1952 г., является также редактором журнала (не широко читаемого, по мнению Вебера) и предполагает опубликовать в нем материалы конференции. В результате краткое сообщение в виде абстракта доклада было опубликовано в июньском номере 1953 г. Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices.

В своей работе Вебер подчеркивал факт, что усиление является когерентным. Метод, который он предлагал для получения инверсной населенности, фактически никогда не был осуществлен на практике и даже казался маловероятным быть реализованным. Более того, Вебера интересовал только усилитель. Идея обратной связи, столь существенная в мазере Таунса, как мы увидим, не представляла важности для Вебера, и он не обсуждал ее. Вебер также оценил количественно возможности своего устройства, но расчеты, которые он получил при вычислениях, показали столь малые характеристики, что он решил оставить это и не старался построить что-либо. Однако идея вызвала определенный интерес, и после представления своей работы на конференции, Вебер был приглашен RCA провести семинар по его идее. За это он получил гонорар 50$. После этого семинара Таунс написал ему, с просьбой прислать копию статьи. Однако Таунс не ссылался на работу Вебера в своих первых работах, но ссылался на нее позже.

Попытки Вебера были отмечены IRE, когда он был удостоен членством в 1958 г. за «его раннее установление концепции, приводящей к мазеру». Он провел 1955/56 академический год, как член Института передовых исследований в Принстоне и включился в изучение общей теории относительности. В течение начала 1960-х гг. он заинтересовался гравитационными волнами, и построил детекторы, которые, однако, не дали определенных доказательств существования гравитационных волн.

Между тем была выполнена наиболее известная работа, в которой было создано работающее устройство. Эта работа была проведена в Колумбийском университете, в котором проводились значительные исследования в области радиоспектроскопии, поддержанные дальновидным сотрудничеством с военными организациями. Результатом группы исследователей, возглавляемой Ч. Таунсом, стало создание и запуск первого мазера. Чарльз Таунс родился в 1915 г. в Гринвилле, Южная Каролина (США). В возрасте всего лишь 16 лет он поступил в университет. Хотя он вскоре обнаружил свое пристрастие к физике, также изучал греческий, латинский, англо-саксонский, французский и немецкий языки и получил степень бакалавра по современным языкам после 3-летнего обучения в университете. В 4-й год он получил и степень по физике. Затем он преподавал и в возрасте 21 года закончил работу над диссертацией, продолжая изучать французский, русский и итальянский языки. Затем он поступил в Калифорнийский технологический институт, где в 1939 г. получил докторскую степень и получил назначение в Bell Telephone Laboratories. Во время войны работал над проектом радара для бомбардировщиков. Хотя Таунс предпочитал теоретическую физику, он тем не менее работал над этим практическим проектом