Современная электроника №8/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 7 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2024 излучит второй фотон частоты ν 21 . Фотоны, вызывающие снятие воз - буждения без поглощения атомом, получили название «инициирую - щий фотон – ИФ» . Когда ИФ прохо - дит вблизи возбуждённого атома, он взаимодействует с электронами ато - ма, используя при этом их электро - магнитные поля. Колеблющееся элек - тромагнитное поле ИФ резонирует с энергетическим состоянием возбуж - дённого электрона. Это заставляет электрон колебаться в фазе с полем ИФ. В результате резонанс вызывает переход возбуждённого электрона в более низкое энергетическое состоя - ние, сопровождающееся излучением фотона. Испускаемый фотон имеет ту же энергию, частоту, фазу и направле - ние, что и ИФ. Таким образом, полу - чаются два идентичных фотона: один инициирующий фотон (ИФ) и другой, вновь испущенный. Такое излуче - ние получило название «Stimulated Emissions» – «стимулированное или вынужденное излучение» (рис. 3) [16]. Этот сложный квантово-механиче - ский процесс «Stimulated Emissions» описывается с помощью нестационар - ной теории возмущений для случая, когда поле падающего фотона действу - ет как триггер волновой функции ато - ма, вызывающий переход в состояние с более низкой энергией. Теоретиче - ское объяснение процесса «Stimulated Emissions» представляет собой доста - точно сложный раздел квантовой электродинамики и выходит за рам - ки нашей статьи. Дополнительную информацию по этому вопросу мож - но найти, например, в объёмной моно - графии [17]. Самым важным в «эффекте вынуж - денного излучения» является то, что второй фотон имеет ту же частоту, направление и фазу, что и первый ν 21 . В этом случае говорят, что оба фото - на «когерентны». Это свойство явля - ется одним из базовых для всех типов лазеров. Первыми в мире пути реализации изложенных выше идей Эйнштейна предложили советские физики Нико - лай Басов и Александр Прохоров из Физического института имени Лебе - дева. На Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии АН СССР в мае 1952 года они впервые сформу - лировали концепцию использования вынужденного излучения для усиле - ния и генерации миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Суть их предложения заключалась в том, что для достижения вынужденного излу - чения необходимо создать состояние с инверсией электронных населённо - стей (ИЭН) в активной среде. Следует упомянуть, что среди докладчиков этого совещания была группа американских физиков во гла - ве с Чарльзом Таунсом, которая зани - малась аналогичными вопросами [18]. В июне 1953 года Джозеф Вебер из Мэрилендского университета опубли - ковал статью в журнале «Transaction of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices», в которой рассматривались вопросы, связанные с использованием инвер - сии населённости между вращатель - ными уровнями молекул, необходи - мой для создания микроволнового излучения. Кроме того, Вебер описал конструк - цию оптического резонатора, который был необходим для усиления излуче - ния и создания когерентного микро - волнового сигнала [19]. В 1953 году Чарльз Таунс (Charles Hard Townes) со своими коллегами Джеймсом Гордоном (James P. Gordon), Гербертом Зейгером (Herbert J. Zeiger) из Колумбийского Университета (Columbia University) продемонстриро - вали работу первого в мире микровол - нового усилителя электромагнитного излучения с помощью вынужденной эмиссии – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В даль - нейшем аббревиатура по первым бук - вам «MASER» утвердилась как общее название этого класса устройств. В лабораторном макете этого устрой - ства, генерировавшего когерентное излучение микроволн на частоте око - ло 24 ГГц, использовалось вынужден - ное излучение в потоке возбуждённых молекул аммиака. На рис. 4 показано, как Чарльз Таунс настраивает свой лабораторный обра - зец установки «Maser» [20]. В качестве активной среды в мазере Таунса использовался поток молекул аммиака, который был выбран из-за хорошо изученной к тому времени его молекулярной структуры и энергети - ческих уровней. Молекулы аммиака в потоке про - пускались через электрическое поле, которое разделяло молекулы, находя - щиеся в возбуждённом состоянии, от молекул в основном состоянии. Затем возбуждённые молекулы направля - лись в резонансную полость, где реа - лизовывалось состояние с инверсией электронных населённостей (ИЭН) и процесс стимулированного излуче - ния на резонансной частоте. По мере того, как всё больше молекул испуска - ли когерентное излучение, происхо - дила стимуляция других молекул, что приводило к многократному уси - лению вынужденного когерентного излучения, все волны которого нахо - дились в одной фазе. Микроволны частотой 24 ГГц выво - дились через вертикальный волновод, показанный на рис. 5. Мазер Таунса позволял получить на уровне крайне низких шумов излуче - ние с исключительно чистым частот - ным выходом, который был гораздо Рис. 4. Чарльз Таунс настраивает изобретённый им лабораторный образец установки «Maser» Рис. 5. Схема рубинового лазера Меймана