Современная электроника №8/2024
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2024 более точным, чем другие микроволно - вые источники, доступные в то время. Эта работа Таунса была революцион - ной, поскольку она впервые предоста - вила новый способ генерации и усиле - ния когерентных электромагнитных волн с беспрецедентной частотной точностью [21]. В 1954 году в статье «Применение молекулярных пучков для радиоспек - троскопического изучения вращатель - ных спектров молекул», опубликован - ной в журнале «ЖЭТФ» в 1954 году, Басов и Прохоров изложили ключе - вые идеи, которые легли в основу соз - дания мазеров и лазеров [23]. В этой статье они обосновали схему использования резонатора, настроен - ного на частоту перехода между энер - гетическими уровнями молекул, для получения инверсии электронных населенностей (ИЭН) энергетиче - ских уровней в молекулах, необходи - мой для обеспечения вынужденного излучения. Другой важный аспект этой работы заключался в описании общих прин - ципов создания генераторов когерент - ного электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне. Таким образом, можно говорить, что Николай Басов и Александр Прохоров разработали нелинейную теорию моле - кулярного генератора, которая объяс - няла механизмы генерации и усиле - ния электромагнитного излучения. Эти базовые положения стали одной из основ для нового направления в квантовой электронике. За исследова - ния в этой области Басов, Прохоров и Таунс получили Нобелевскую премию по физике в 1964 году [23]. Однако в то время мощность пер - вых мазеров, работавших в СВЧ- диапазоне, составляла всего лишь единицы нановатт, что не позволяло использовать их в каких-либо реаль - ных прикладных целях. Много поз - же, спустя десятилетия, идеи Басова, Прохорова и Таунса были реализова - ны в военных и прикладных отрас - лях СВЧ-техники. Сегодня существу - ют разные типы мазеров различных конструкций, среди которых можно назвать, например, атомные лучевые мазеры, аммиачный мазер, водород - ный мазер, твердотельные мазеры, мазер на циклотронном резонансе (гиротрон). Современные мазеры, адаптирован - ные под конкретные виды приложе - ний, излучают не только в микровол - новом диапазоне, но также в широком электромагнитном спектре. Так, мазе - ры используются для высокоточных стандартов частоты. Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из форм атомных часов. Мазеры так - же используются в качестве электрон - ных усилителей в радиотелескопах. В качестве примера экзотических работ в области мазеров можно отме - тить так называемые «природные кос - мические мазеры». Космические мазеры – это обла - сти в космосе, которые усиливают микроволновое излучение с помо - щью процесса вынужденного излуче - ния аналогично тому, как работают искусственные мазеры. Однако кос - мические мазеры могут иметь раз - меры, превышающие нашу Солнеч - ную систему [24]. Схема действия точно такая же, как и у искусственных мазеров: 1) в возбуждённом состоянии находит - ся больше молекул, чем в основном состоянии (инверсия населённости); 2) входящий фотон вызывает высво - бождение большего количества фото - нов на той же частоте и фазе (вынуж - денное излучение); 3) многократное повторение процесса приводит к уси - лению исходного сигнала. С помо - щью космических мазеров в далёких галактиках зарегистрированы такие молекулы, как, например, вода (H 2 O), гидроксильный радикал (OH), моно - оксид кремния (SiO), метанол (CH 3 OH) и другие. Реализация на практике мазера стимулировала исследования в этом направлении. Однако требования мирового рынка склонялись к подоб - ным устройствам, но работающим в оптическом диапазоне. Поэтому большинство учёных сосредоточились на поисках вари - антов создания подобных генерато - ров когерентного электромагнитно - го излучения оптического диапазона. Впервые реальный «когерентный технический свет» был получен в 1960 году Теодором Мейманом, кото - рый создал устройство, представ - лявшее собой генератор-усилитель когерентных световых колебаний (Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation – Laser). Этот пер - вый лазер излучал красный когерент - ный свет с длиной волны 694,3 нано - метра. В качестве активной среды в этом устройстве использовался искусствен - ный рубин, представлявший собой кристалл оксида алюминия, легиро - ванного атомами хрома (Al 2 O 3 -Cr). В самом первом варианте своего лазера Мейман использовал яркую лампу с эллипсоидным рефлектором для создания избытка возбуждён - ных атомов в инверсном слое (т.е. оптической накачки). Однако надёж - ность такого лазера была очень низ - кой. Поэтому в следующем варианте оптическая накачка была реализова - на с помощью сверхъярких стробоско - пических ламп (фотовспышек). Таким образом, лазер Меймана стал работать в импульсном режиме. Упрощённая схема рубинового лазера показана на рис. 5 [25]. Для возбуждения атомов хрома применялась ксеноновая импульс - ная лампа накачки, изготовленная в виде спирали, внутри которой находится рубиновый стержень. При поглощении фотонов, испускаемых импульсной лампой, атомы хрома переходят сначала на верхний воз - буждённый уровень, а затем на мета - стабильный уровень, где задержива - ются на доли микросекунды, создавая состояние с инверсией электронных заселённостей. Дальше процесс про - должался по описанной выше «схе - ме стимулированного излучения», которая вызывала лавинообраз - ный переход атомов хрома из мета - стабильного состояния в основное, сопровождавшийся потоком коге - рентных фотонов с одной длиной волны 694,3 нм. Торцы рубинового стержня были закрыты двумя зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Фото - ны, генерируемые в активной среде, многократно отражались между зерка - лами, усиливаясь за счёт вынужденно - го излучения. Когда количество фото - нов достигало критического уровня, они проходили через полупрозрачное зеркало, создавая когерентный моно - хроматический свет [26, 27]. Предложенная Теодором Мейманом схема имела ряд недостатков, главны - ми из которых были низкая эффек - тивность, громоздкость и сложность управления. Поэтому конструкция непрерыв - ного рубинового лазера Меймана не получила широкого развития, усту - пив место другим лазерным техноло - гиям. Однако его работы стали важ - ной вехой в истории создания первого практического лазера.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTQ4NjUy