Предложение Вебера
Отрывок из книги М. Бертолотти «История лазера» (журнальный вариант).
Первое изложение на публике основного принципа, на котором может работать мазер (однако без самого работающего устройства), сделал Джозеф Вебер (1919—2000) в Оттаве (Канада) в 1952 году на конференции по электронным лампам (Electron Tube Research Conference). Это была престижная конференция, в которой участвовали лишь по приглашениям и на которой часто представляли идеи новых устройств.
Вебер был тогда молодым профессором электротехники университета Мэриленда и консультантом Военно-морской лаборатории США. Он получил диплом в Аннаполисе и стал первым квалифицированным инженером в области микроволн в отделе электронного противодействия флота. Здесь он имел возможность оценить технологическую важность усилителей с высокой чувствительностью к микроволновым и миллиметровым волнам, способных обнаруживать слабые волны от радаров. Информация о длинах волн, на которых работает радар, и их источнике позволяла затем посылать сигналы, ослепляющие вражеские приёмники, тем самым не позволяя врагу определять цели.
Идея мазера появилась у Вебера после лекции Карла Герцфельда (1892—1978) о вынужденном излучении. В 1951 году Вебер получил докторскую степень по физике, работая в области микроволновой спектроскопии, и стал профессором в университете Мэриленда. Здесь он продолжал работы по микроволновой спектроскопии.
Механизм процессов поглощения и испускания, которые возникают, когда излучение взаимодействует с газом, всегда интересовал учёного. В типичном эксперименте микроволновой спектроскопии микроволны от некоторого источника попадают на приёмник. Если между источником и приёмником 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, делённая на постоянную Планка, приблизительно равна частоте микроволн.
Чтобы лучше понять, как это происходит, Вебер рассматривал систему только с двумя энергетическими уровнями, E1 и Е2 (причём Е2 > E1), на каждом из которых имеется число атомов или молекул соответственно n1 и n2 (мы будем называть n1 и n2 населённостями энергетических уровней E1 и Е2 соответственно). Когда микроволновая частота имеет правильное значение, поглощённая мощность пропорциональна населённости первого уровня, то есть n1. Частицы, находящиеся на верхнем уровне 2, в свою очередь, испускают вынужденное излучение на той же частоте, мощность которого пропорциональна n2. Итоговая мощность равна разности между поглощённой и испущенной мощностью, то есть пропорциональна n1–n2. Поскольку при термическом равновесии n1 всегда больше, чем n2, Вебер заключил, что «эта итоговая мощность всегда положительная величина. Поэтому в обычных условиях мы получаем поглощение излучения». Однако, добавлял он, «мы можем получить усиление, если каким-нибудь способом сделаем число осцилляторов в верхнем состоянии бoльшим, чем число их в нижнем состоянии», и заключал, что «способ осуществить это предложен в эксперименте Парселла по отрицательной температуре».
Эти рассуждения Вебер представил на конференции в 1952 году. Позднее он объяснял, что намеревался опубликовать свои результаты в широко читаемом журнале. Но профессор Г. Рейх из Йельского университета написал ему, что он, будучи председателем конференции в 1952 году, является также редактором журнала (не широко читаемого, по мнению Вебера) и предполагает опубликовать в нём материалы конференции. В результате краткое сообщение в виде аннотации к докладу было опубликовано в июньском номере 1953 года «Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices».
В докладе Вебер подчёркивал, что усиление является когерентным. Метод, который он предлагал для получения инверсной населённости, фактически никогда не был осуществлён на практике. И даже казалось маловероятным, чтобы его можно было реализовать. 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 её.
Вебер даже оценил количественно возможности усилителя, но расчёты, полученные им, показали столь слабые характеристики, что он решил оставить эту затею и не пытался построить что-либо. Однако идея вызвала определённый интерес, и после представления работы на конференции Вебер был приглашён RCA провести семинар по своей идее, за который получил гонорар $50. После того семинара Чарлз Таунс написал ему письмо с просьбой прислать копию статьи. Однако Таунс не ссылался на работу Вебера в своих первых работах, хотя сделал это позже.
Попытки Вебера отмечены IRE (Institute of Radio Engineers) в 1958 году за «его раннее установление концепции, приводящей к мазеру».
От редакции. В 1964 году Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе» была присуждена Ч. Таунсу, Н. Г. Басову и А. М. Прохорову.
Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru
Статьи по теме
Читайте в любое время
