Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Предложение Вебера

Отрывок из книги М. Бертолотти «История лазера» (журнальный вариант). — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2015.

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.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

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


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «У книжной полки»