Первый мазер на аммиаке (NH3), изобрели ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров у нас, и Дж. Гордон, Г. Цайгер, Ч. Таунс за рубежом в 1954 году. Он имел такой вид:
Несмотря на его такую сложность в металле, его принципиальная схема очень проста.
В источник 1 мазера нагнетается аммиак. Почему аммиак? Наверное, причин много: его много, он дешев, он безопасен и еще много других причин. Это я к тому, что кто-то сидел решал уравнение Шредингера и решение указало на большую вероятность в необходимости именно аммиака.
Дальше на выходе из источника следовало получить более-менее узкий пучок молекул аммиака, чтобы они не расползались по пространству, а летели в одном направлении примерно параллельно. Эту работу выполняет фокусирующая система. Думаю, что и в этом случае никто никакую волновую функцию не привлекал. Возможно рассчитывали там кривизну и размер зеркал или какие-то другие параметры установки, но без волновой функции. Сфокусированный пучок поступает в квадрупольный конденсатор 2. Вот я взял из сети его конструкцию:
Он состоит из двух отрицательных и двух положительных параллельных стержней.
В аммиаке, который подается в устройство, есть возбужденные и не возбужденные молекулы. Молекулы спонтанно переходят из одного состояния в другое и при термодинамическом равновесии соотношение количества этих молекул примерно одно и то же. Задача этой части устройства разделить поток газа на две части. Нам важно выбрать из потока возбужденные молекулы и направить их в резонатор. Оказывается, что электрическое поле этого конденсатора отклоняет в сторону невозбужденные молекулы, а возбужденные молекулы летят прямо, что нам и нужно. И в этом случае больше ориентировались на Кауфмана, нежели на Шредингера.
Эти возбужденные молекулы попадают в резонатор 3. Резонатор представляет собой пустотелое устройство, в котором движутся фотоны от одной стенки к другой – противоположной и обратно. Конечно хотя на вид резонатор простое устройство, но технически его изготовление составляет некоторые трудности: надо выдержать размеры, соотносясь с длиной волны излучения, выдержать параллельность стенок, их отражательную способность и другое.
Что происходит, когда пучок возбужденных молекул аммиака влетает в резонатор? В резонаторе молекулы просто тормозятся, газ расширяется. Молекула, а точнее ее какой-то атом излучает фотон, которые летит к стенке резонатора и может от нее отразится, как от зеркала. И затем снова отразится от противоположной стенки. И так несколько раз.
То же самое происходит и с остальными излученными фотонами. Они все вразнобой будут бегать между стенками камеры. Но если стенки отражающих камер сдвинуть так, чтобы расстояние между ними было кратно длине волны излучения фотона, количество одновременно отраженных фотонов может оказаться большим. Что же происходит с этими фотонами?
1. В большинстве случаев эти фотоны, как и все остальные, побегают между стенками передадут энергию стенкам резонатора, попросту нагреют его, как в холодильнике заднюю стенку. Но у фотона может быть и другая судьба.
2. Бегающий, от стенки до стенки в резонаторе, фотон может встретить электрон возбужденного атома, который поглотит данный фотон, что будет разогревать сам газ. Энергия фотона перейдет в тепло.
3. Но возможен и третий сценарий поведения фотон – атом. Электрон возбужденного атома может просто ретранслировать (пере излучить) попавший на него фотон. Так обычно и происходит, так свет распространяется в любой среде.
Но в данном случае может возникнуть особая, скажем, не стандартная ситуация. Дело в том, что поглощаемый фотон всегда тянет электрон на себя, даже если они не резонансная пара. Это обычная 10. Гравитация.. И электрон, движущийся по орбите, может затормозится и не успеть в точку встречи со своим обменным фотоном, как изображено на рисунке 3. (см. статьи ”Атом” и “Вынужденное излучение.”
В этом случае обменный фотон излучится атомом. А падающий фотон пере излучится и возвратит электрон на законное место, но будет уже поздно.
И теперь нужных фотонов будет 2: он сам, как ретранслировавшийся по Гюйгенсу, и выбитый обменный фотон. Исходный фотон, казалось бы, должен быть поглощен электроном, так как он похож на обменный, который всегда поглощается. Но не тут то было. Электрон готов поглотить такой фотон, только в том случае, когда он идентичен излученному абсолютно. Разница фотонов в 1 квант (ничтожно маленькая часть энергии) и это уже совершенно разные фотоны. Один их них будет точно поглощаться электроном, а другой также точно будет ретранслироваться. И никакой тут принцип Гейзенберга не работает.
Теперь мы можем получить лавинообразный процесс. Каждый фотон порождает 2 фотона. Теоретически все верно, но на практике оказалось все сложнее. Не всегда получался заметный поток излучения. Газ поступает, молекулы сепарируются, параметры резонатора меняются, а излучения все нет.
И что же делать? И то ли увеличили по каким-то признакам поток газа, то ли это получилось случайно, но при определенном потоке газа через прибор, кривая интенсивности излучения поползла резко вверх. И снова наберусь наглости утверждать, что и здесь обошлось без расчетов волновой функции.
Что же произошло? Начали думать над этим явлением и поняли, что, хотя фотоны и удваиваются, все равно их недостаточно, чтобы они могли с достаточно большим количеством поступающих в резонатор молекул про взаимодействовать. Часть фотонов терялась, не находя партнера. Тогда просто решили инжектировать в резонатор больше молекул. Вероятность встреч фотонов с электронами возбужденных атомов возросла и потянула за собою рост количества фотонов. Образовался лавинообразный процесс.
Это такое явление, как и в случае с ураном 235 – набирать критическую массу. Потом подсчитали и получилось, что для данного мазера критическая масса набирается, когда поток составляет 1013 молекул в секунду. Как только критическая масса набралась, тогда почти каждый фотон встретит свой электрон и произойдет лавинообразный процесс вынужденных излучений. И хотя будут из процесса выбывать и фотоны, и молекулы, из-за многократных отражений фотонов, возможно, все молекулы и прореагируют. Если бы могли замедлить время, то мы бы увидели в резонаторе вспышку. Исходный материал выгорел. Все молекулы перешли в стационарное состояние.
Поскольку в резонатор поток молекул идет непрерывно, то, казалось бы, и в резонаторе должен быть непрерывный процесс. Это не так. Поток очень медленный по отношению к лавинообразному процессу. Пока идет процесс излучения в резонатор, может быть, залетят единицы молекул. Как и везде все это надо рассчитывать, но только не вероятностными функциями.
Как только фотон излучился, продолжается набор критической массы и процесс повторяется. Фотоны в виде пакетов, о которых рассказано в ролике “Фотон.”, по волноводу или кабелю отправляются в пространство. Конечно, этот фотон немножко размытая структура, но не так сильно, как фотон от костра. Впереди может лететь элементарный фотон первого атома, рядом или, отставая, еще элементарные фотоны, затем снова какое-то количество элементарных фотонов, все утолщаясь и утолщаясь фотон достигает пика и затем идет спад. Но по сравнению с длительностью фотона эти фронты составляют малую часть длины всего пакета из-за лавин образности процесса.
Так устроен и работает мазер.
Мы рассмотрели мазер устроен на газе, но есть еще мазеры на кристаллах, на красителях. И еще много на чем изобретут. Принцип их работы такой же, как и у газового мазера. Они отличаются только методом получения возбужденных атомов. У рассмотренного газового мазера мы выбирали возбужденные молекулы из смеси аммиака и посылали их в резонатор. В мазерах на кристаллах возбужденные атомы получаются путем воздействия на невозбужденные атомы, определенного электромагнитного излучения.
Делается это так, вырезается определенного размера кристалл. Обычно торцевые стенки кристалла представляют собой резонатор. На этот кристалл подается электромагнитное поле, получаемое каким-нибудь способом. Электромагнитное поле переводит невозбужденные атомы в возбужденное состояние. Ученые называют это “перенаселенностью”. А процесс образования “перенаселенности” называют накачкой. Как только “перенаселенность” достигнет определенной критической величины, так сразу начнется лавинообразный процесс.
Все возбужденные атомы переходят в исходное состояние, и процесс накачки начинает новый цикл.
Абсолютно также работает лазер, только длины волн в нем меньше, чем у мазера. Например, у мазера на аммиаке длина волны примерно 1,25 см, а у водорода – 21см. А у лазеров длины волн оптического спектра – это нанометры.
В настоящее время существует множество типов мазеров и лазеров: и на газе, и на жидкости, и на всевозможных твердых телах. Только успевай подбирать режимы накачки и размеры резонаторов. Важно только помнить, что усиливают эти все приборы не фотоны из накачки, а обменные фотоны атома. Поэтому если встретите такую картинку:
Не верьте ей. Переходов без излучения быть не может. Без какой-нибудь потери или приобретения ничего происходить не будет. Если Вы что-то безвозмездно отдадите, то тут же появится множество других получить это бесплатно, и Вы быстро кончитесь. Если же Вы что-то бесплатно получите, то вскорости Вы заберете все и станете Вселенной или Богом.
Басов и Прохоров нарисовали эту картинку от безысходности. У них не было модели атома, и они не могли понять, как зеленый цвет превращается в красный. Такое с учеными встречается довольно часто. Все знать не будешь.
Главная Вверх