Изобретено в СССР - читать онлайн книгу. Автор: Тим Скоренко cтр.№ 39

Но как приятно думать о том, что главным элементом такого крупного международного проекта – в нём задействовано 35 стран – стало советское изобретение!

«А мазер – то же самое, что и лазер?» Такой вопрос я слышал не раз. Я бы сказал, что мазер и лазер связаны примерно так же, как чоппер и спортбайк. И то и другое – мотоциклы, два колеса, руль, цепной привод, но предназначены они для разных задач и, соответственно, имеют разные характеристики. А ещё мазер появился на шесть лет раньше своего более известного собрата.

И мазер, и лазер относятся к квантовым усилителям (они же квантовые генераторы), действие которых основано на принципе вынужденного, или индуцированного, излучения, сформулированного Альбертом Эйнштейном. Суть этого явления состоит в том, что если атом находится в возбуждённом состоянии, то под действием внешнего фотона строго определённой частоты, равной частоте перехода между возбуждённым и основным состоянием, он, в свою очередь, может излучать фотоны такой же частоты. Это касается не только атомов, но и молекул, ионов, электронов или ядер. Проще говоря, когда в возбуждённый атом попадает сторонний (индуцирующий) фотон, он стимулирует переход системы с более высокого на более низкий энергетический уровень и атом излучает новый фотон с характеристиками, идентичными индуцирующему фотону. Первый фотон при этом не поглощается, так что на выходе у нас уже два когерентных, то есть имеющих одинаковую частоту и фазу фотона!

Именно этот принцип лежит в основе квантовых усилителей – мазеров и лазеров. А раз принцип общий, проще будет сперва объяснить, как работает более известная нам система – лазер, а затем рассказывать об отличиях мазера.

Важнейший элемент лазера – рабочая, или активная, среда, то есть вещество, атомы которого, собственно, излучают фотоны при переходе из возбуждённого состояния в основное. При нормальных условиях количество атомов с низкой энергией (то есть в основном состоянии) в рабочей среде значительно превышает количество возбуждённых атомов. Для того чтобы перевести как можно большее число атомов в возбуждённое состояние, активную среду накачивают, то есть сообщают ей дополнительную энергию. Существует много вариантов накачки: с помощью газоразрядных ламп, электрического разряда, излучения других лазеров и т. д.

Когда число возбуждённых атомов превышает число атомов с низкой энергией, активная среда переходит в состояние, которое называется инверсией населённостей. При этом система уже не может находиться в термодинамическом равновесии, и некоторые возбуждённые атомы начинают спонтанно, без внешнего воздействия излучать фотоны. Эти фотоны соударяются с возбуждёнными атомами активной среды, вызывая индуцированное излучение. Для эффективного усиления света лазер имеет оптический резонатор – в простейшем случае это два зеркала, расположенных друг напротив друга. Резонатор отражает свет, заставляя фотоны проходить через активную среду снова и снова и вызывая эффект снежного кома. Собственно, это и есть лазерное излучение.

Длина испускаемых лазером волн напрямую зависит от рабочей среды и колеблется от 150 нанометров (у эксимерных лазеров, работающих на благородных газах) до 570 микрометров (у метаноловых лазеров). Чтобы вы представляли, о чём идёт речь: длины волн видимого спектра занимают участок с 380 до 780 нанометров, а привычный нам по кино красный луч – это длины примерно в 620–680 нанометров, то есть очень небольшой промежуток. Остальное пространство занимают другие цвета, а также ультрафиолетовые и инфракрасные лазеры.

Вот тут и кроется основное отличие мазера.

Вы не поверите, но – то же самое, что и лазер: активная среда, механизм накачки, резонатор. Просто он генерирует волны других длин – сантиметрового диапазона, так называемые микроволны. Длина такой волны может составлять от одного миллиметра (то есть в два раза больше, чем предельная длина волны у лазера) до целого метра! Естественно, необходимость генерировать другие волны подразумевает другие активные среды и механизмы накачки, но общий принцип сохраняется. Даже названия-аббревиатуры обоих приборов очень похожи. MASER – это microwave amplification by stimulated emission of radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), а LASER – light amplification by stimulated emission of radiation («усиление света с помощью вынужденного излучения») – отличие всего в одно слово.

Впрочем, несмотря на единство принципа, мазер устроен несколько иначе, нежели лазер. Классический молекулярный мазер использует в качестве рабочей среды газ – водород или аммиак. Газ непрерывно подаётся в камеру низкого давления, где возбуждается с помощью СВЧ-излучения и формирует направленный атомный или молекулярный пучок. Пучок проходит через селектор (нечто вроде фильтра), отсеивающий атомы или молекулы в невозбуждённом состоянии с помощью неоднородного электрического поля. Затем пучок возбуждённых молекул попадает в резонатор, и дальнейший процесс соответствует описанному выше.

Конечно, мазеры, как и лазеры, бывают не только атомные (молекулярные), но и газовые, и твердотельные – есть несколько типов. Вот тут у многих возникает вопрос: зачем нужен мазер? В отличие от лазерного луча, его лучом нельзя ничего осветить, разрезать или соединить, поскольку мощность излучения мазера очень мала (порядка пиковатт).

Сегодня есть две основные области применения мазеров. В первую очередь они используются в качестве хранителей частоты в системах национального точного времени. Эталоном времени сейчас является секунда, равная 9 192 631 770 периодам излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такую секунду измеряют с помощью атомных цезиевых часов, генерирующих очень стабильную эталонную частоту. По принципу действия эти часы похожи на камертон: музыкант периодически ударяет по нему, слушает ноту и сравнивает её со звучанием струны – и так же атомные часы включаются периодически для настройки эталонного времени. А в интервалах между этими включениями точное время поддерживается хранителями частоты – водородными мазерами. Второе применение мазеров – в качестве микроволновых усилителей с низким уровнем шума в радиотелескопах.

Ну что ж, мы разобрались с теорией и теперь давайте перейдём к истории.

В 1950 году французский физик Альфред Кастлер предложил метод оптической накачки рабочей среды для создания в ней инверсной населённости. Он предположил, что электроны при воздействии на них света или других электромагнитных волн могут подниматься на более высокий энергетический уровень, – и не ошибся. На тот момент речи о квантовых усилителях ещё не шло и идея Кастлера была чисто теоретической, хотя в начале 1952-го он подтвердил правильность своего предположения с помощью лабораторного эксперимента и опубликовал работу, описывающую методику накачки.

Идея Кастлера подтолкнула других учёных к мысли о практическом применении накачки. В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии молодые физики Николай Басов и Александр Прохоров из Физического института АН СССР прочли совместный доклад на тему разработки оптического квантового генератора (слова «мазер» тогда ещё не существовало). В теории их доклад охватывал и мазер, и лазер, до изобретения которого оставалось ещё восемь лет. А несколькими неделями позже американский физик Джозеф Вебер из Мэрилендского университета в Колледж-Парке на Исследовательской конференции по электронным трубкам (Electron Tube Research Conference) в Оттаве прочёл публичную лекцию ровно на ту же тему.