Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
В 1951 году, сидя на парковой скамейке в Вашингтоне перед деловой встречей, Таунс впервые представил себе принцип, на котором сейчас базируется действие мазера. Вскоре важнейшее значение СВЧ-спектроскопии для техники связи и для других областей науки было установлено столь убедительным образом, что в 1964 году Таунсу вместе с двумя советскими учеными, Н. Г. Басовым и А: М. Прохоровым, работающими в Физическом институте Академии наук СССР в Москве, была присуждена Нобелевская премия «За основополагающие работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию квантовых генераторов и усилителей в радио- и оптическом диапазоне волн (мазеров и лазеров)».
В первом квантовом генераторе — мазере (усилителе и генераторе вынужденного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона), описанном Таунсом, Гордоном и Зиге-ром в 1954 году, в качестве рабочего тела был применен
55 газообразный аммиак, причем использовались два низкоэнергетических уровня молекул аммиака. Разница в энергиях между этими уровнями соответствует частоте 23 870 Мгц, то есть длине волны 1,25 см. Для аммиака при комнатной температуре распределение молекул по уровням энергии, отвечающее больцмановской кривой, таково, что на каждый из двух уровней, использованных
Фиг. 8.
в мазере Таунса, Гордона и Зигера, приходится примерно по 3 процента от общего числа молекул. Величайшей удачей для ученых оказалось то, что молекулы, находящиеся в одном из этих состояний, отличаются от молекул в другом своими электрическими свойствами. Благодаря этому молекулы, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, попав в электрическое поле, стремятся переместиться туда, где поле сильнее, а молекулы, находящиеся в верхнем, — перейти в область, где поле слабее. Этим-то явлением и воспользовались Таунс, Гордон и Зигер, для того чтобы отделить молекулы в верхнем состоянии от молекул в нижнем.
Представьте себе две пары длинных металлических электродов, расположенных так, как это изображено на фиг. 8 (вид с торца). Пусть левый и правый электроды подключены к отрицательному полюсу батареи, а верхний и нижний — к положительному. Точно в центре меж-
56 ду электродами электрическое поле будет равно нулю. По мере удаления от центральной оси поле будет возрастать. Если в объем, ограничиваемый электродами, ввести аммиак, то молекулы аммиака с большей энергией будут стремиться приблизиться к центральной оси, а молекулы с меньшей энергией — удалиться от нее.
Допустим, что в «туннель», образованный электродами, из некоего баллона впускается под малым давлением струя аммиака, как показано на фиг. 9. Сначала вправо
Фиг. 9.
начнут двигаться и молекулы, находящиеся в состоянии с малой энергией, и молекулы с большей энергией. Но молекулы с малой энергией будут притягиваться к электродам и выйдут из струи. Напротив, молекулы с большей энергией будут концентрироваться вдоль оси системы электродов, образуя узкую центральную струю. Таким образом, справа из 'системы электродов будет выходить узкий пучок молекул, целиком состоящий из молекул с высокими.энергиями (в пучке, однако, будут содержаться и молекулы, находящиеся в других, не интересующих нас здесь энергетических состояниях).
В мазере, работающем на газообразном аммиаке, пучок молекул с высокими энергиями впускается в электромагнитный резонатор1, настроенный как раз на частоту
1 Как уже говорилось, электромагнитный резонатор представляет собой металлическую полость. В такой полости могут существовать стоячие электромагнитные волны, или, что то же самое, электромагнитные колебания определенных резонансных частот. Механическим подобием резонатора может служить натянутая струна, которая колеблется как раз на своей резонансной частоте.
57 перехода из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, то есть на частоту 23 870 Мгц. Понятно, что электромагнитная волна той же частоты могла бы отдать часть своей энергии молекулам аммиака и перевести их из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое. Но ведь в пучке уже нет молекул с низкой энергией. Как известно, волна может не только отдавать, но и отбирать часть энергии у молекул аммиака, переводя их из верхнего энергетического состояния в нижнее. Вот это действительно возможно, так как все молекулы находятся именно в верхнем энергетическом состоянии.
В главе 1 говорилось, что электромагнитная энергия определенной частоты распространяется в виде отдельных порций — квантов — и что на радиоволнах любое число квантов может входить в единый вид колебаний в резонаторе. Когда молекулы аммиака отдают свою энергию электромагнитному полю в резонаторе, конфигурация структуры поля не изменяется, увеличивается лишь его интенсивность (возрастает число квантов, его составляющих). С ростом интенсивности поля возрастает и вероятность тогр, что оно вынудит проходящую сквозь резонатор молекулу перейти из верхнего энергетического состояния в нижнее и тем самым отдать свою энергию полю. Таким образом, электромагнитное поле в резонаторе растет до тех пор, пока доля молекул, переводимых в нижнее состояние при прохождении сквозь резонатор, не станет весьма значительной.
