Из статьи А. М. Прохорова «Квантовая электроника»

Радиоспектроскопия — основа квантовой электроники

Можно считать общепринятым, что квантовая электроника начала свое существование с конца 1954 г. и первой половины 1955 г. Именно в этот период были даны ее теоретические основы, а также создан первый квантовый прибор - молекулярный генератор Явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 г., - фундамент всей квантовой электроники. Возникла же эта отрасль науки значительно позже.

Какие причины препятствовали созданию квантовых приборов раньше, например в период 1930 - 1940 гг.? Для того чтобы произвести такой анализ, коротко напомним те основы, на которых базируется квантовая электроника Известно, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, может отдать свою энергию в виде излучения (кванта) двумя путями Первый путь - это спонтанное излучение, когда атом самопроизвольно излучает энергию.

Второй путь, по которому атом может отдать свою энергию, - это индуцированное излучение, существование которого было предсказано Эйнштейном при описании термодинамического равновесия между полем и атомами. Явление индуцированного излучения атома заключается в том, что возбужденный атом излучает, когда он взаимодействует с внешним квантом поля. Кроме внешнего кванта, появляется другой, испущенный самим атомом. Эти два кванта неразличимы, т. Е. частота и направление их совпадают. Это очень важное свойство индуцированного излучения, на которое, видимо, впервые было указано Дираком в 1927 г., и позволило создать квантовые приборы.

Для наблюдения индуцированного излучения нужно, чтобы, во-первых, существовали возбужденные атомы и, во-вторых, вероятность индуцированного излучения была бы больше вероятности спонтанного излучения. В обычных условиях это соотношение не выполняется. Если атомы находятся в тепловом равновесии, оптические уровни не заселены и при возбуждении атомов в обыкновенных условиях они переходят на нижний уровень благодаря спонтанному излучению.

Совершенно ясно, что, если в некоторой системе все атомы будут находиться в возбужденном состоянии, такая система атомов будет усиливать излучение.

Как же получить особое состояние вещества, при котором молекулы находились бы только на верхнем уровне. Оказывается, если пропустить молекулярные (атомные) пучки через неоднородное магнитное или электрическое поле, то происходит сортировка молекул по различным состояниям. Таким способом, в частности, можно получать пучки молекул, находящихся только в верхнем состоянии С другой стороны, физики, работавшие в области микроволновой радиоспектроскопии стали искать возможности применения молекулярных пучков для увеличения разрешающей силы радиоспектроскопов. Для максимального поглощения в пучках нужно, чтобы молекулы были в нижнем или в верхнем состоянии, т. е. необходимо применять сортировку.

Итак, если молекулы после сортировки будут находиться в верхнем состоянии, то такая система будет усиливать электромагнитные колебания.

Условия для генерации

Из радиотехники хорошо известно, что всякая система, способная усиливать колебания, может их также и генерировать. Для этого нужна, во-первых, обратная связь. Теория обычных генераторов радиодиапазона хорошо разработана. При описании таких генераторов вводится понятие отрицательного сопротивления или проводимости, т. е. вводится элемент, имеющий отрицательные потери. В случае квантового генератора таким «элементом» и будет среда с отрицательным коэффициентом поглощения. Поэтому условие самовозбуждения квантового генератора должно записываться аналогично обычному «классическому» генератору. По аналогии с обычными генераторами радиодиапазона волн следовало ожидать, что и для квантового генератора колебания будут близки к гармоническим. Такие колебания действительно получаются в квантовом генераторе.

Во-вторых, важный элемент квантового генератора, как и всякого другого источника синусоидальных колебаний, - резонаторная система. Для мазеров, излучающих в радиодиапазоне, были использованы резонаторы, применяющиеся для этих длин волн, а именно - объемные резонаторы, которые также были хорошо известны ученым, работающим в области радиоспектроскопии.

Таким образом, для этих ученых отдельные элементы мазера уже были «готовы», и чтобы его создать, оставалось лишь их синтезировать...

Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут сконструированы квантовые генераторы и в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через 5 - 6 лет. Чем это было вызвано? Главным образом, двумя трудностями. Первая заключалась в том, что в то время еще не были предложены резонаторы для оптического диапазона волн, и вторая - не были разработаны конкретные системы для получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне.