Предложение Таунса и Шавлова

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.

В то время там работали не менее восьми будущих лауреатов Нобелевской премии: ядерный физик Хидеки Юкава (1907-1981), который получил Нобелевскую премию, спустя несколько месяцев после появления Шавлова, за предсказание существования мезона, элементарной частицы, необходимой для объяснения взаимодействия протонов и нейтронов в атомных ядрах; сын Бора Ог (г. р. 1922) который стал лауреатом в 1975 г. вместе с Моттельсоном и Рейнвотером за изучение атомных ядер; Раби, Таунс, Куш, Лэмб, о которых уже говорилось.

Шавлов был очень взволнован и постарался получить финансирование на 1949—1950 гг. В следующем году он остался в Колумбийском университете как научный сотрудник. Шавлов и Таунс стали друзьями и часто вместе обедали в профессорском клубе факультета. В течение этого периода Шавлов познакомился с младшей сестрой Таунса и женился на ней. После женитьбы он не мог работать с Таунсом (правила университета запрещали семейственность) и должен был найти работу. Его жена хотела оставаться вблизи Нью-Йорка, где она обучалась пению. Поэтому Шавлов поступил в 1951 г. в Bell Labs. Там работал Джон Бардин (1908-1991), один из изобретателей транзистора и дважды лауреат Нобелевской премии по физике. Одну он получил в 1956 г. с У. Шокли и У. Браттейном «за их исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора». Вторую он получил в 1972 г. с Л. Купером и Дж. Шриффером «за их совместную разработку теории сверхпроводимости». Бардин проводил исследования по сверхпроводимости и ему нужен был помощник. У Шавлова не было опыта работы с низкими температурами и с полупроводниками, тем не менее, он согласился. Но, когда он появился в Bell Labs, Бардин решил перейти в университет Иллинойса, и Шавлов остался один на один с тематикой, о которой он знал немного. В это время он также писал с Таунсом книгу по микроволновой спектроскопии и проводил почти каждую субботу в Колумбийском университете.

После изобретения лазера Шавлов переехал в Стэнфордский университет (Калифорния, США) профессором физики. Одна из причин была в том, что старший из его трех детей был аутизматиком, а лучшие институты по аутизму были в Калифорнии. В Стэнфорде он разработал много новых спектроскопических методик, основанных на использовании лазеров, в частности для высокого спектрального разрешения и прецизионной точности. Вместе с Теодором Хэншем, который в 1970 г. поступил в его лабораторию, он разработал новые методики для лазерной спектроскопии и предложил охлаждать атомарный газ с помощью лазерного излучения. За свои заслуги в области лазерной спектроскопии он был награжден в 1981 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Бломбергеном и К. Сигбаном.

Шавлов обладал хорошим чувством юмора и комедийным талантом. Одна из его шуток заключалась в следующем. Он вытаскивал свой знаменитый красный игрушечный пистолет, в котором был установлен маленький рубиновый лазер. Затем он шумно начинал надувать большой прозрачный шар, внутри которого также надувался голубой шарик с большими ушами Микки Мауса. «Там мышь, внутри шарика» — говорил Шавлов. «Вы знаете, это ужасно, что мыши проникают всюду, Нам нужно использовать наш лазер». Он стрелял лучом пистолета, который прожигал внутренний шарик, оставляя внешний шар без повреждений. «Это очень важный эксперимент», — объяснял Шавлов — «он показывает, что с помощью лазера мы имеем свет, который не только можем видеть, но которым можем воздействовать на вещи, которые мы видим, но к которым не имеем прямого доступа». Артур Шавлов умер 28 апреля 1999 г.

В сентябре 1957 г. Таунс написал проект с общей идеей, согласно которой, впервые могла бы быть работа мазера на оптических частотах, т.е. так называемого оптического мазера. Он мог быть состоять из системы, в которой активная среда облучалась излучением подходящей длины волны (этот метод называется оптической накачкой). Она помещалась в полость, имеющей форму коробки с размерами около 1 см, т.е. много большими, чем длина волны света (~ 0,5 мкм). . Часть стенок удалялась, так, чтобы свет накачки мог попадать на активную среду, а другие серебрились, чтобы иметь высокий коэффициент отражения. Таунс уже видел недостатки своего устройства, но полагал, что оно способно работать. Активным веществом предполагался газ, и он первоначально думал о парах таллия, которые предполагалось освещать подходящим источником света.

14 сентября Таунс попросил аспиранта из Колумбии, Дж. Джормейна, расписаться в записной книжке, в которой описывался световой резонатор. Он состоял из стеклянного ящика с четырьмя отражающими стенками. Для возбуждения газа таллия внутри полости использовалась талливая спектральная лампа. Подпись требовалась для подтверждения приоритета изобретения.

В октябре того же года Таунс посетил Bell Labs, где он помогал в работе над мазерами, и встретился с Шавловым, которому изложил свои попытки сконструировать инфракрасный или оптический мазер. Шавлов заинтересовался, и Таунс пообещал дать ему копию своих записей. Они договорились сотрудничать. Шавлов предложил убрать все стенки резонатора, оставив только две, которые образуют интерферометр Фабри—Перо. Будучи студентом в Торонто он использовал этот интерферометр для изучения сверхтонкой структуры атомных спектров. Позднее Шавлов писал: «Я сразу вспомнил о интерферометре Фабри—Перо, с которым имел дело. Я понимал, даже не рассматривая подробно теорию его действия, что он является, в некотором роде, резонатором, поскольку пропускает одни длины волн и не пропускает другие».

В заметках, которые Таунс дал Шавлову, он выполнил расчеты возбуждения атомов таллия ультрафиолетовым светом таллиевой лампой. Такие лампы использовались в лаборатории Курша в Колумбийском университете, для оптического возбуждения атомов таллия в экспериментах по резонансным явлениям в атомных пучках. Между 25 и 28 октября Таунс обсуждал с Гордоном Голдом, студентом Куша, который работал с атомными пучками и использовал талливые лампы, какую мощность можно получить с их помощью.

Шавлов быстро показал, что таллий не годится в схеме Таунса, и начал поиск других материалов. В итоге они выбрали калий по простой причине — его линии лежат в видимой области, которые Шавлов мог измерять своим спектрометром. Он получил его для своей работы по полупроводникам, и это был единственный спектральный прибор, которым он располагал. Между тем Таунс рассчитал необходимое число возбужденных атомов и провел некоторые эксперименты. Затем они снова обратили внимание на резонатор. В конце концов, Шавлов понял, что выбор по длинам волн, мог бы быть сделан, если рассмотреть направления распространения различных длин волн в полости. Вместе с Таунсом они сообразили, что свет должен распространяться вдоль оси, перпендикулярной плоскости двух взаимно параллельных зеркал, а свет, распространяющийся под углами к этой оси, быстро теряется. На основе этих соображений они решили использовать в качестве резонатора систему Фабри—Перо, и 29 января 1958 г. Таунс попросил другого аспиранта, С. Миллера, расписаться в книжке, где описывались эти соображения.

В течение весны Шавлов и Таунс решили опубликовать свою работу. По правилам Bell Labs, с которой у них были договоры о найме, следовало до публикации распространить рукопись среди коллег, для того, чтобы получить технические замечания и улучшения. Копия также представлялась в патентный отдел компании, чтобы определить, не содержит ли она материала, стоящего патентования. В результате этой процедуры коллеги попросили их подробнее описать соображения о модах резонатора, поскольку они не верили, что Фабри—Перо может выбирать нужные длины волн, они также хотели видеть расчеты, которые в то время Шавлов не мог сделать. Патентный отдел сначала отказался патентовать и их усилитель, и генератор оптических частот, так как «оптические волны никогда не будут важны для связи, и, следовательно, изобретение имеет малое отношение для Bell System». Однако, по настоянию Таунса, запрос на патент был зарегистрирован в марте 1960 г., а сама статья 26 августа 1958 г. была послана в Physical Review, где была напечатана в декабре того же года. Ее авторы позднее получили Нобелевскую премию; Ч. Таунс в 1964 г., как мы увидим, за изобретение мазера и предложение лазера, а А. Шавлов в 1981 г. — за сходную заслугу: лазерную спектроскопию.

В своей работе, озаглавленной «Инфракрасные и оптические мазеры», Шавлов и Таунс утверждали, что хотя, в принципе, и возможно распространить технику мазеров в инфракрасный и оптический диапазоны и генерировать высокомонохроматическое и когерентное излучения, но возникает ряд новых аспектов и проблем, которые требуют количественного анализа и теоретических обсуждений, а также существенной модификации экспериментальных методик.

Декларированная цель работы состояла в том, чтобы обсудить теоретические аспекты устройства, подобного мазеру, для видимых или инфракрасных длин волн и соответственно, дать наброски конструкций, т.е. содействовать реализации мазера нового типа, названного ими оптическим мазером (позднее названный лазером, с заменой на «l», обозначающей свет). Принципиальными моментами были: выбор резонатора и его свойства выделения мод, выражение для усиления устройства и некоторые предложения активных материалов.

Хотя можно было предположить, что многие материалы могут усиливать, Таунс отмечал, что возбуждение атомов и молекул с помощью пучков света, электрическими разрядами и другими способами изучалось годами, но никто не наблюдал усиления в оптической области. Поэтому он предполагал, что получение усиления может оказаться очень трудным и все эксперименты следует спланировать с большой тщательностью. По этим соображениям они сосредоточились на газах простых атомов, несмотря на то, что твердотельные материалы и молекулы могут иметь преимущества.

Самой насущной проблемой была реализация резонатора. В случае мазера использовался обычный объемный резонатор с металлическими стенками. При соответствующей конструкции такого резонатора получалась одна резонансная мода, осциллирующая вблизи частоты, соответствующей излучатель-ному переходу активной системы. Для того чтобы получить такую одиночную, изолированную моду, линейные размеры резонатора должны быть порядка длины волны. В случае инфракрасного излучения эти размеры оказываются слишком малыми, чтобы быть практически реализованными. Следовательно, необходимо рассматривать резонаторы, размеры которых большие по сравнению с длиной волны и которые могут, поэтому, поддерживать большое число мод в нужной области частот.

Таунс и Шавлов понимали, что нужно найти способ выделения только некоторых из этих мод, в противном случае испускаемая энергия была бы очень мала и недостаточна, чтобы превзойти все потери. Это так же, как водяной поток: если он делится на тысячи ручейков, то вода разбрасывается по земле и не достигает определенного места. После некоторых общих рассмотрений, выбором стал интерферометр Фабри—Перо, состоящий из двух высокоотражающих плоскопараллельных стенок. Они показали, что благодаря этому получается открытый резонатор, лишенный боковых стенок и состоящий только из двух параллельных зеркал. В нем захватываются только те волны, которые распространяются параллельно оси и длины которых кратны длине резонатора (т.е. расстоянию между зеркалами). Чтобы извлечь свет из такого резонатора, они предположили, что одно из зеркал будет частично прозрачным, так чтобы позволить пучку, падающему на это зеркало, частично выходить из резонатора. Идея иметь резонатор с размерами много большими, чем длина волны, предполагалась не только из-за практической невозможности сделать резонатор с размерами порядка длины волны, но также из-за того факта, что резонатор должен содержать достаточное количество активного материала.

Другой проблемой, рассматриваемой в статье, было определение минимального числа молекул или атомов активного материала, которые должны быть на верхнем энергетическом уровне, чтобы обеспечить генерацию света за счет вынужденного излучения.

Монохроматичность такого мазерного генератора также рассматривалась, и Шавлов и Таунс понимали, что это свойство очень тесно связано со свойствами шумов такого устройства, как усилитель. В лазере шум возникает из-за спонтанного излучения активного материала. Они модифицировали вычисления, которые предварительно были проведены для мазеров, и нашли, что ширина линии была порядка одной миллионной от ширины линии, соответствующей спонтанному излучению.

В работе был также раздел, посвященный обсуждению некоторых специфических примеров. В числе газовых систем они рассмотрели атомные пары калия, накачиваемые на 4047 А°, и пары цезия. Шавлов даже предварительно провел некоторые эксперименты с коммерческими калиевыми лампами и попросил Роберта Коллинса, спектроскописта Bell Labs, измерить выходную мощность этих ламп. Они рассчитали, что в случае использования паров калия будет вполне достаточно использовать излучение калиевой лампы, испускающей мощность около 1 мВт на длине волны 4047 А°. Они сочли эту оценку приемлемой, так как уже получали половину милливатта от маленькой коммерческой лампы. По ее техническим характеристикам, она должна была бы излучать только десятую долю милливатта на этой длине волны. Они также рассмотрели твердотельные устройства, хотя не были оптимистичны в отношении их.

Работа Шавлова и Таунса вызвала значительный интерес, и многие лаборатории начали поиск возможных материалов и методов для оптических мазеров. Таунс и его группа в Колумбии начали попытки создать оптический мазер на парах калия. Он работал с двумя аспирантами X. Камминсом и И. Абелла. В то же время к их группе присоединился О. Хивинс, профессор физики университета Йорка (Англия), мировой эксперт в области высоко-отражающих зеркал. Таунс понимал, что зеркала резонатора были наиболее деликатной частью разрабатываемого устройства, и пригласил его провести с ним свой академический отпуск. В их установке использовалась длинная трубка, в которой пары калия возбуждались электрическим разрядом (также как это делается в неоновых трубках рекламы). Резонатор был образован двумя зеркалами внутри трубки, на ее концах. Эти два зеркала должны были иметь высокое отражение. Оно получалось путем нанесения на стеклянную пластинку серии слоев подходящих материалов с помощью методики, в которой Хивенс был мастер. Сегодня мы можем объяснить неудачу того эксперимента тем, что эти покрытия разрушались бомбардировкой ионов газового разряда.

Шавлов в Bell Labs начал рассматривать рубин как возможный твердотельный материал, но в 1959 г. пришел к заключению, что энергетические уровни, позднее использованные Мейманом, не подходят, и таким образом упустил шанс построить один из самых популярных существующих лазеров, несмотря на то, что он правильно предсказал, что устройство твердотельного лазера может быть особенно простым. По существу, это мог быть просто стержень, один конец которого полностью отражает, а другой отражает почти полностью. Поверхность стержня остается без покрытий, чтобы пропускать излучение накачки.