Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
усилителя возникает тепловой шум, мощность которого равна kTAx (Av -
ширина полосы усилителя). Если коэффициент усиления g, то минимальный шум
на выходе будет равен gkTAv. Однако действительный уровень мощности шума
на выходе в F раз превышает это минимальное значение из-за шума,
создаваемого самим усилителем. Величина F и называется коэффициентом
шума.
272
тора. Объемный резонатор, прекрасно оправдавший себя в микроволновом
диапазоне, не мог быть применен даже в инфракрасной области спектра, не
говоря уже о видимой.
"Чтобы работать с отдельной модой колебаний резонатора в инфракрасном
диапазоне, его линейные размеры должны быть порядка длины волны, т. е.
слишком малыми, чтобы такой резонатор можно было создать на практике. Это
относится, по крлйней мере, к области самых высоких инфракрасных частот,
а тем более к видимой области. Следовательно, приходится рассматривать
резонаторы, размеры которых велики по сравнению с длиной волны, так что в
них может одновременно существовать большое число мод интересующего нас
диапазона частот...
Рассмотрим теперь, насколько должна уменьшаться обычная ширина линии
спектра атомной системы в результате мазерного эффекта, иными словами,
насколько монохроматично излучение инфракрасного или оптического
мазера... Предположим, нам удалось выделить одну моду. Спонтанное 1
излучение на этой частоте дает конечную ширину линии
Av0CI1 = (Av)2,
где Av - полуширина резонанса на уровне половины максимальной
интенсивности, Р - мощность осциллирующего поля.
Для случая, рассмотренного ранее в статье, inhvAv/P составляет около 10_6
при минимальном значении Р, необходимом для поддержания колебаний, так
что AvocU ~ 10-6Av. Это значение соответствует чрезвычайно высокой
степени монохроматичности излучения. Однако для многомодового резонатора
монохроматическое излечение накладывается на фон иидуцированного
[очевидно, имеется в виду спонтанное - Дж. Г.] излучения с шириной полосы
Av; для принятого значения мощности Р интенсивность монохроматического
излучения равна интенсивности индуцированного излучения2.
--------
1 В этой цитате, по-видимому, перепутаны обозначения спонтанного и
индуцированного излучения.
2 Спонтанное излучение доставляет гораздо больше затру пе-вий в
оптическом, чем в микроволновом, диапазоне. При пр> к
273
Другая проблема, связанная с мазерами на многомодовых резонаторах
(вероятно, не фундаментальная, но способная, однако, привести к
значительным практическим трудностям), - это возможность перехода
колебаний, первоначально возникших на одной моде, в другую или вообще
непрерывное изменение мод, связанное с внезапными скачками частоты".
Иными словами, проблема сводилась к получению эквивалента объемного
резонатора, способного к селективному отклику на данную колебательную
моду, но размеры которого не обязательно должны были соответствовать
длине волны. Шавлову и Таунсу удалось показать, что этого можно добиться,
используя резонатор без боковых стенок, но с частично прозрачными
торцевыми стенками для связи с внешним пространством, иначе говоря, с
помощью устройства типа оптического интерферометра Фабри - Перо. В этом
устройстве колебания всех типов, кроме одного или нескольких желаемых,
уходят из резонатора через боковые стенки еще до того, как успевают
набрать достаточную для создания помех интенсивность.
Авторы исследовали параметры подобного устройства в инфракрасном
диапазоне, используя в качестве активной среды пары натрия, а в качестве
источника - натриевую лампу; они убедились в том, что соответствующие
характеристики вполне достижимы. Шавлов и Таунс рассмвтрели также
возможность использования активных материалов других типов, и наконец был
применен один из них - пары цезия, возбуждаемые гелиевой лампой.
Несколько менее оптимистично эти авторы оценивали перспективу создания
оптического мазера с использованием твердого тела в качестве активного
материала 1 Частично это объяснялось большей шириной спектральных линий,
затрудняющей выделение мод, а частично - ограниченными возможностями
накачки на
равных условиях вероятность спонтанного излучения возрастает
пропорционально кубу частоты, тогда как вероятность индуцированного
излучения не зависит от частоты (в обоих случаях предполагается
электрическое дипольное излучение).
1 Авторы сомневались в этом, несмотря на то что Шавлов заявил следующее
"За время работы в лабораториях фирмы "Белл" я довольно глубоко уверился
в том, что все, что возможно в газе, осу1' ществимо и в твердом теле,
причем в последнем случае даже более успешно".
274
соответствующей частоте. Однако они сознавали, что не исключены "более
изящные решения". "Может быть, удастся накачать одно из верхних
состояний, расположенных над метастабильным. Тогда атомы будут переходить
в метастабильное состояние (возможно, за счет безызлучательных процессоа
с участием кристаллической решетки) и накапливаться там, пока их число не
окажется достаточным для лазерного эффекта".
