§ 1.2. История квантовой электроники

Квантовую электронику можно считать новой главой теории света и вообще теории взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Первые (в хронологическом порядке) главы этой теории содержат эмпи­рическое описание нормальной дисперсии света в окнах прозрачности вещества, изучавшейся около 300 лет назад Ньютоном и его современ­никами. Следующие шаги, сделанные в прошлом веке,—■ изучение аномальной дисперсии в полосах поглощения и классическая теория дисперсии Лоренца. Квантовая эпоха в оптике и вообще в физике началась в первые годы XX века с теории равновесного излучения Планка, приведшей Эйнштейна к понятию фотона, и с постулатов Бора. Квантовая теория дисперсии была сформулирована в двадцатые годы Крамерсом и Гейзенбергом. В это же время Дирак, Гейзенберг и Паули основали квантовую электродинамику.

Весьма интересна и поучительна история самой квантовой электро­ники 121]- В принципе, еще в начале этого века уровень лабораторной техники был достаточно высок для создания, например, газоразряд­ного лазера, однако эта потенциальная возможность не могла быть реа­лизована до установления ряда понятий и закономерностей, лежащих в основе идеи квантового генератора.

Первые шаги. Первый шаг на этом пути, занявшем несколько де­сятилетий, сделал в 1916 г. А. Эйнштейн, введя понятия вынужден­ного излучения и поглощения. Количественная теория этих процессов была создана примерно через 10 лет П. Днраком. Из теории следовало, что возникающие при вынужденном излучении фотоны по всем своим параметрам (энергии, направлению распространения и поляризации) совпадают с исходными фотонами. Это свойство называется когерент­ностью вынужденного излучения.

Первые эксперименты, обнаружившие влияние вынужденного из­лучения, были описаны в 1928 г. Ладенбургом и Копферманом. В этих экспериментах исследовалась дисперсия показателя преломления неона, возбуждаемого электрическим разрядом (отметим, что и в пер­вом газоразрядном лазере, созданном лишь через 33 года, также ис­пользовался неон). В работе Ладенбурга и Копфермана четко сформу­лированы условие инверсии населенностей и необходимость избира­тельного возбуждения уровней для ее получения. В 1940 г. В. А. Фаб­рикант впервые отметил, что интенсивность света в среде с инверсией населенностей должна возрастать (этот эффект рассматривался им лишь как доказательство существования вынужденного излучения, а не как явление, имеющее прикладное значение). К сожалению, эта ра­бота, как и поданная в 1951 г. В. А. Фабрикантом с сотрудниками авторская заявка на изобретение, не была своевременно опубликована в распространенных научных изданиях и поэтому не повлияла на дальнейшее развитие квантовой электроники.

Радиоспектроскопия. Первые приборы квантовой электроники — мазеры, получившие в дальнейшем важные практические применения для генерации и усиления сантиметровых волн,— были созданы лишь в середине пятидесятых годов. Характерно, что сперва квантовой электроникой был освоен радиодиапазон, лазеры же появились в на­чале шестидесятых годов. Это отчасти связано, по-видимому, с тем, что в обычных оптических экспериментах N_t^>N₂ и поэтому вынуж­денное излучение, как правило, не играет роли. В то же время в радио­спектроскопии Nif&N^Wt—N₂\ и наблюдаемое поглощение радио­волн связано с очень небольшим относительным превышением вынуж­денного поглощения над излучением.

Большую роль сыграло также то обстоятельство, что в сороковые годы радиоспектроскопия достигла высокого уровня развития как в теоретическом, так и в экспериментальном плане (экспериментальная база радиоспектроскопии СВЧ-диапазона была обеспечена успехами радиолокационной техники). К тому времени была хорошо разработана теория взаимодействия радиоволн с молекулами в газах, детально рассчитана структура вращательных спектров, понята роль процессов, релаксации и эффекта насыщения. Важное значение имели исследоваг

п

ния с пучковыми радиоспектроскопами, начавшиеся еще в тридцатые годы. Существенно было, вероятно, и то, что радиоспектроскописты, в отличие от оптиков, хорошо понимали принципы действия СВЧ-генераторов и усилителей на пучках свободных электронов (клистро­нов, магнетронов, ламп бегущей и обратной волны), они были знакомы с понятиями отрицательного сопротивления и положительной об­ратной связи и имели практический опыт работы с высокодоброт-ньмн СВЧ-резонаторами.

Среди работ, непосредственно предшествовавших появлению ма­зеров, надо отметить работы Кастлера во Франции, разработавшего в 1950 г. метод оптической накачки газов для увеличения разности населенностей близко расположенных подуровней. Кроме газовой и пучковой радиоспектроскопии большую роль сыграла также магнит­ная радиоспектроскопия, возникшая в сороковых годах, изучающая взаимодействие радиоволн с ферромагнетиками и с ядерными или электронными парамагнетиками (Е. К- Завойский, 1944 г.). Именно достижения теории и техники магнитного резонанса привели к соз­данию парамагнитных усилителей, имеющих рекордно низкий уро­вень собственного шума. Впервые инверсия населенностей была полу­чена в системе ядерных спинов, помещенных в магнитное поле (Пар-селл и Паунд, 1951 г.).

Мазеры. Идея использования вынужденного излучения в среде с инверсией населенностей для усиления и генерации электромагнит­ных волн СВЧ-диапазона была высказана на нескольких различных конференциях в начале пятидесятых годов Н. Г. Басовым и А. М. Про­хоровым (Физический институт АН СССР), Таунсом (Колумбийский университет, США) и Вебером (Мэрилендский университет, США). Пер­вая количественная теория квантового генератора была опубликована Басовым и Прохоровым в 1954 г. В этой работе была определена по­роговая разность населенностей, необходимая для самовозбуждения генератора, и был предложен метод получения инверсии в молекуляр­ном пучке с помощью неоднородного электростатического поля. Впо­следствии заслуги Басова, Прохорова и Таунса в развитии квантовой электроники были отмечены Нобелевской премией.

В 1954 г. появилось описание первого действующего мазера, создан­ного Гордоном, Цайгером и Таунсом. Рабочим веществом был аммиак в виде молекулярного пучка, сфокусированного с помощью электриче­ского поля. В настоящее время пучковые мазеры служат государствен­ными стандартами частоты и времени.

Второй основной тип мазера — парамагнитный усилитель — был создан в 1957 г. Сковилом, Феером и Зайделем по предложению Блом-бергена. В парамагнитных усилителях для инверсии используется вспомогательное излучение — накачка, насыщающая населенности уровней 1 и 3 (рис. 1.2). При этом на уровнях / и 2 (или 2 и 3) обра­зуется инверсное распределение населенностей. Идея метода накачки в трехуровневой системе, получившего впоследствии широкое приме­нение в твердотельных и жидкостных лазерах, принадлежит Басову и Прохорову (1955 г.). Рабочее вещество парамагнитных усилителей — диамагнитный кристалл с небольшой (порядка Ю^-3) примесью пара-

магнитных атомов (т. е. атомов с нечетным числом электронов) — охтаждают до температур жидкого гелия. Охлаждение необходимо для уменьшения собственных шумов и ослабления процессов релаксации, препятствующих инверсии населенностей (в парамагнетиках релакса­ция населенностей обусловлена взаимодействием между колебаниями кристаллической решетки и магнитными моментами некомпенсиро­ванных электронов).

Лазеры. Переход от радиодиапазона к оптическому потребовал около пяти лет — первый действующий лазер, излучающий коге­рентный красный свет, был описан Мейманом в I960 г. Рабочим ве­ществом в нем служил кристалл розового рубина (окись алюминия с примесью хрома), инверсия осуществлялась с помощью синего и зе­леного света импульсной лампы-вспышки. Важным промежуточным шагом было осознание того, что интерферометр Фабри — Перо — два плоскопараллельных зеркала — является высокодобротным резо­натором, т. е. колебательной системой для световых волн (Прохоров, Дике, 1958 г.).

Началась лазерная эпоха физики. Вскоре после создания твердо­тельных лазеров с оптической накачкой был разработан целый ряд других типов лазеров: газоразрядные (1961 г.), полупроводниковые на р—я-переходах (1962 г.), жидкостные на растворах органических красителей (1966 г.). Довольно быстро был перекрыт диапазон длин волн от далекого инфракрасного (ИК) до далекого ультрафиолетового (УФ). Непрерывно улучшались параметры лазеров (мощность, моно­хроматичность, направленность, стабильность, перестраиваемость) и расширялась область их применения. Большую роль сыграло изобре­тение методов укорочения длительности световых импульсов лазеров (методы модуляции добротности и синхронизации мод).

После первых экспериментов по удвоению частоты света (Франкен и др., 1961 г.) начала бурно развиваться нелинейная оптика, изучаю­щая и использующая нелинейность вещества на оптических частотах. Второе рождение пережили голография и оптическая спектроскопия, возникли оптоэлектроника, когерентная спектроскопия и квантовая оптика. На очереди разработка лазеров рентгеновского и у-диапазонов.

Следует еще раз подчеркнуть, что бурное развитие квантовой элект­роники было обеспечено большим запасом идей и конкретной инфор­мации, накопленной к пятидесятым годам в радиочастотной и оптиче­ской спектроскопии. Такие, казалось бы, далекие от непосредственных практических применений направления физики, как магнитный резо­нанс или молекулярно-пучковая спектроскопия, привели к «лазер­ной революции» во многих областях науки и техники.