История лазера - читать онлайн книгу. Автор: Марио Бертолотти cтр.№ 77

Победы в судах сделали Гоулда мультимиллионером. Кстати, если бы он получил свои патенты без задержки, они принесли бы ему существенно меньше денег, поскольку объем рынка лазеров был сначала невелик. Именно так и случилось с патентом Таунса, срок которого истек до того, как объем лазерной продукции стремительно вырос.

Для людей, которые желают спросить, насколько идеи Таунса и Гоулда развились из общедоступной информации, учитывая, что оба были в Колумбии и хорошо знали друг друга, можно дать ответ, принимая во внимание два соображения.

Первое: идея нуждается в питательной среде для своего развития, т.е. все общие соображения должны быть развиты, прежде чем идея другого человека будет оставлена, но и благоприятно сработает на новую идею. Другими словами, идея пускает корни только в подготовленных умах. Даже если разговоры с Таунсом и дали Гоулду идею, что можно возбуждать атомы путем оптической накачки, Гоулд должен был бы уже разработать концепцию использования инверсной населенности, оптического резонатора и т.д., чтобы объединить их в своем лазерном проекте.

Второе если мы посмотрим, как два человека разрабатывают идею лазера и, конкретно, как они приходят к решению одной из принципиальных проблем, а именно резонатора, мы увидим, что два предложенных решения типичны для их разных индивидуальностей. Таунс — изобретатель мазера и эксперт по микроволнам, начинал рассмотрения с куба, с отражающими стенками, т.е. типичной формы микроволнового резонатора. И лишь позднее, по предложению Шавлова, убрал все стенки, кроме двух. Гоулд, с оптической подготовкой, с самого начала рассматривал резонатор, образованный длинной трубкой (~ 1 м) с двумя плоскопараллельными зеркалами на концах, а затем разработал все возможные конфигурации с плоскими внешними зеркалами, сферическими зеркалами, призмами полного внутреннего отражения и т.д.

Гоулд был, прежде всего, изобретателем (по свидетельству жены, его идолом с детства был Томас Эдисон). Набросав в своей записной книжке эскиз своей идеи и ряд особо разработанных предложений, он оформил их в предложении для контракта по монтажу всего устройства. Таунс и Шавлов, с их мировоззрением профессиональных физиков, сперва подумали о написании статьи для сообщения их идеи научному миру, не без того, чтобы первыми получить патент (не будем забывать, что их поддерживала коммерческая фирма), и уж затем они работали над деталями теоретически, прежде чем включиться в экспериментальную работу. Поэтому, как следует из этой истории, мало сомнений в том, что идея лазера родилась независимо и одновременно у этих трех исследователей ^[7].

Сразу же после опубликования работы Шавлова и Таунса и даже до того целый ряд людей стали размышлять о разных способах создания инверсной населенности в инфракрасной и видимой областях. Творческая ментальность исследователя, который стремится улучшить существующие знания и прорваться в новом направлении без предубеждений, приводит почти одновременно и независимо к рассмотрению нескольких различных систем. В ряде случаев, например, как тот, в котором используется излучение, испускаемое за счет стимулированной рекомбинации электрон-дырочных пар в полупроводнике, исследования проводились до обсуждения Шавловым и Таунсом.

Конечно, главные темы исследований были под воздействием идей этих двух ученых, и большинство людей ожидало, что первая работа лазера осуществится в возбужденном газе. Но получилось так, что первый работающий лазер был создан в июле 1960 г. ^[8] в Исследовательских лабораториях фирмы Hughes (Малибу, Южная Калифорния, США) Теодором Мейманом, который использовал рубин в качестве активного материала. Затем последовало огромное число других лазеров на твердотельных материалах, газах и жидкостях. Это продемонстрировало, что многие люди в различных частях мира устремились к проблеме с разных направлений, работая, более или менее, независимо друг от друга. Более того, они показали, как, сравнительно легко сделать лазер, после того как поняты основные принципы его работы.

Теодор Мейман родился в 1927 г. После учебы в университете Колорадо и после получения докторской степени по физике в 1955 г. в Стэнфордском университете по диссертации, посвященной микроволновой спектроскопии, он стал работать в промышленности. Вначале он был исследователем в Lockheed Aircraft, где занимался изучением проблем коммуникаций для управляемых снарядов. Затем он перешел в Hughes для работы над мазером.

Во время своей работы над диссертацией в Стэнфорде Мейман изучал тонкую структуру возбужденных состояний гелия. В своей работе он использовал разработанные им измерительные методики, которые представляли комбинацию электроники, техники микроволн и оптических приборов. В Hughes он стал работать во вновь созданном Отделе атомной физики. Главной целью была генерация когерентных частот, более высоких, чем удавалось получать в то время. Это было время, когда появился аммиачный мазер. В Hughes возник большой интерес к исследованиям мазеров. Однако Мейман сперва работал по другому контракту. Когда он окончил эту работу, то пожелал работать в области фундаментальных исследований, но ведомство Армии, которое финансировало эту работу, требовало в то время практический мазер, работающий на длине волны 3 см. Их не интересовали какие-либо научные достижения, они просто хотели иметь такой мазер, и Меймана попросили возглавить проект. У него это не вызвало энтузиазма, поскольку проект был чисто техническим, а он стремился к исследовательской деятельности. Но затем он заинтересовался и, хотя заказчики не требовали, чтобы он сделал выдающееся изделие, решил, что может сделать мазер более практичным.

Мазеры в то время имели два серьезных практических недостатка. Главная трудность была в том, что твердотельный мазер (наиболее полезный тип) требовал для своей работы очень низких температур. В самом деле температура жидкого гелия, которая требовалась, всего лишь на 4 К выше абсолютного нуля. Другая проблема была в том, что в обычном мазере использовался огромный магнит весом около двух тонн. Он был нужен, чтобы получить зеемановские уровни, требуемые для работы мазера. Внутри магнита помещался дьюар (специальный сосуд, в котором может продолжительное время сохраняться сжиженный газ). В него приходилось подливать жидкий азот с температурой — 166° С, которая была первой стадией охлаждения гелия. В дьюар с жидким азотом помещался второй дьюар с жидким гелием. Сам мазер представлял маленький резонатор с кристаллом внутри него. Все это помещалось в дьюар с жидким гелием, который, в свою очередь, помещался между полюсами магнита. Магнит должен был обеспечить сильное поле во всей области, занимаемой дьюарами, резонатором и кристаллом. Поэтому он имел большие размеры и вес.

Предпочтительным материалом для мазера в то время был рубин. Мейман решил, что он может кое-что сделать, также используя рубин. Он сделал миниатюрный резонатор, используя сам кристалл рубина. С этой целью рубин вырезался в виде маленького параллелепипеда. Его грани покрывались слоем серебра, имеющего высокую проводимость. В одной из стенок, делалось маленькое отверстие. Таким образом получался резонатор и, одновременно, активный материал. Затем он решил, вместо того, чтобы помещать двойной дьюар в громадный магнит, взять маленький постоянный магнит и поместить его в дьюар. Были опасения, что магнит лопнет, но все сработало прекрасно. В результате все устройство стало весить не более 15 кг вместо двух тонн и работало много лучше и много более стабильно, чем прежде.