История лазера - Марио Бертолотти

Используя весьма изощренную спектроскопическую технику, Ладенбург и его сотрудники изучили эффект отрицательной дисперсии в 1926 и 1930 гг. В одном из этих исследований, выполненных в сотрудничестве с Г. Копферманом (1895—1963), Ладенбург исследовал дисперсию газа неона вблизи его красных линий испускания. Неон возбуждался в стеклянной трубке электрическим разрядом, примерно так, как это делается сейчас в рекламных устройствах. Была измерена дисперсия как функция интенсивности от величины тока разряда. Они обнаружили, что при увеличении тока выше некоторого значения, дисперсия уменьшается (т.е. падает разница от показателя преломления, равного единице). Убедительно наблюдалось, что эффект отрицательной дисперсии можно объяснить уменьшением дисперсии, поскольку увеличивалось число атомов в высшем состоянии. Эти эксперименты явились первым экспериментальным доказательством существования отрицательных членов в уравнении дисперсии. Если бы эти измерения были бы продолжены систематически, усиление за счет вынужденного излучения, вероятно, могло бы быть получено в то время.

Другие исследователи изучали эффекты вынужденного излучения. Одним из них был Дж. ван Флек (1899—1980), один из наиболее выдающихся американских физиков-теоретиков среди основателей современной теории твердого тела и, в частности, магнетизма. Он получил свою докторскую степень в Гарварде в 1922 г. за первую в Америке диссертацию по квантовой механике, и в 1977 г. получил вместе с Н. Ф. Мотом и П. В. Андерсоном Нобелевскую премию за «квантово-механическое описание магнитных свойств вещества». Другим был американец Р. Толмен (1881—1948) — специалист по теории относительности и статистической механики, который открыл эффект, демонстрирующий существование свободных электронов в металлах. Они наблюдали, что вынужденное излучение, названное ван Флеком «индуцированным излучением» может привести к отрицательному поглощению, и Толмен писал, что «...молекулы, находящиеся в верхнем состоянии, могут возвратиться в нижнее квантовое состояние таким образом, что первоначальный пучок усиливается за счет «отрицательного поглощения». После столь ясной основы для изобретения лазера Толмен сказал, что в экспериментах по поглощению, которые обычно выполняются, величиной отрицательного поглощения можно пренебречь.

Причина, почему ученые считали, что явления, связанные с вынужденным излучением, не дают существенных экспериментальных эффектов, заключается в тех следствиях, которые получаются при использовании закона Максвелла-Больцмана (выведенного в конце 19 столетия), который устанавливает вероятность нахождения при равновесии системы, обладающей определенной энергией. Этот закон, используемый в нашем случае для набора атомов, находящихся в термическом равновесии, в основном или в возбужденном состоянии, утверждает, что число атомов в возбужденном состоянии всегда много меньше числа атомов, находящихся в основном состоянии. В природе все физические системы находятся в тепловом равновесии или очень мало отличаются от него и быстро в него возвращаются. Поэтому в случае атомов, следует ожидать, что число возбужденных атомов всегда будет малым по сравнению с атомами, находящимися в основном состоянии. Тем самым разумно полагать, что эффект вынужденного излучения, который требует наличия возбужденных атомов, будет очень мал.

Позднее, в 1940 г., российский ученый В. А. Фабрикант в своей докторской диссертации показал, что если число молекул в возбужденном состоянии могло быть больше, чем число молекул в основном состоянии, то могло бы быть усиление излучения. Однако эта диссертация не была опубликована и, кажется, не имела последствий даже в России. Его предположение стало известным только тогда, когда после изобретения мазера Фабрикант получил российский патент.

В конце концов в 1947 г. У. Лэмб (г. р. 1913) и Р. Ризерфорд (г. р. 1912) захотели проверить точность предсказания Поля Дирака об энергетических уровнях и спектральных линиях водорода. Предсказание Дирака утверждало, что атом водорода имеет два возможных состояния с равными энергиями. В знаменитом эксперименте, сделанном при изучении разряда в водороде, эти исследователи обнаружили, что имеется маленькое различие между этими энергетическими уровнями. Этот «лэмбовский сдвиг» показал, что нужна ревизия теории взаимодействия электрона с электромагнитным излучением. За этот результат Лэмб в 1955 г. получил Нобелевскую премию по физике, которую он разделил с Поликарпом Куршем. В приложении к своей работе, опубликованной в 1950 г., Лэмб и Ризерфорд, обсуждая результаты, указали, что в их эксперименте могли быть осуществлены условия достижения инверсной населенности (т.е. больше возбужденных атомов, чем атомов, находящихся в основном состоянии). Однако они заключили, что их расчеты были слишком оптимистичны, и они не предприняли усилий для дальнейших проверок. Позднее Лэмб писал, что в то время концепция отрицательного поглощения и ранние исследования были новыми для них и что в любом случае их интересы были принципиально устремлены на изучение тех вещей, которые принесли ему Нобелевскую премию. По этой причине они не исследовали тщательно аспекты проблемы, связанной с вынужденным излучением.

ГЛАВА 7

МИКРОВОЛНЫ

Мы теперь возвращаемся к концу 19 столетия, во времена сразу же после публикации (1873 г.) знаменитой работы Treatise on Electricity and Magnetism Максвелла.

Несмотря на прогресс, сделанный Максвеллом и его первыми последователями в теории электромагнитных колебаний, связь между классической электродинамикой и теорией света не была найдена, кроме интуитивной идеи Максвелла, что электромагнитные волны и световые волны имеют одну природу. Ирландский физик Джордж Френсис Фитцджеральд (1851 — 1901) заложил первый камень в 1882 г., указав, что если унификация, указанная Максвеллом, правильна, то должна быть возможность генерировать излучаемую энергию чисто электрическими способами. Он утверждал: «Представляется высоко вероятным, что энергия переменных токов частично излучается в пространство и, тем самым, теряется для нас», обращая внимание только на отрицательную сторону явления, и описывал методы, с помощью которых можно было бы получить излучаемую энергию. Однако он замечал, что трудность лежит в обнаружении таких волн, когда они будут получены, поскольку подходящих детекторов еще не существовало.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (1857—1894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.

Герман фон Гельмгольц переехал в Берлин в 1870 г. из Гейдельберга, сменив кафедру физиологии на кафедру физики. В течение многих лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов и биологическими процессами, в частности процессами ощущений. Эти изучения убедили его в том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией в живых телах, и важную роль играет термодинамика и электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. Когда он приехал в Берлин, то начал серию исследований в области электричества, и Герц, который появился в 1878 г., принял участия в этом деле. Ему посчастливилось обратить на себя внимание Гельмгольца, который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.