Синтезатор Басова — Прохорова¶
Синтезатор Басова — Прохорова — сверхвысокочастотный генератор (СВЧ-генератор), созданный в 1951—1954 годах советскими физиками Николаем Басовым и Алексеем Прохоровым. Прибор порождал электромагнитные волны миллиметрового диапазона с помощью принципа, который позднее был назван вынужденным излучением (мазерной генерацией). Разработка стала одним из ключевых этапов на пути к созданию лазеров и квантовой электроники как научной дисциплины.
¶Историческая предпосылка
В конце 1940-х годов в лаборатории П. Л. Капицы при Физико-техническом институте АН СССР (ФТИ, Харьков) работала группа, занимавшаяся спектроскопией молекул в миллиметровом диапазоне. Руководителем группы был В. Ф. Шапошников, в неё входили Н. Г. Басов и А. М. Прохоров.
Основная задача исследований состояла в измерении частот резонансных переходов молекул аммиака и воды. Для этого требовался источник излучения с высокой спектральной чистотой и мощностью, достаточной для регистрации сигнала. Существующие ламповые генераторы не обеспечивали нужных характеристик в миллиметровом диапазоне.
¶Принцип работы
В 1951 году Басов и Прохоров предложили использовать явление вынужденного излучения: атомы или молекулы, возбуждённые в необычном состоянии (с населённостью верхнего уровня, превышающей населённость нижнего), под действием проходящего через них излучения переходят на нижний уровень, излучая фотоны, когерентные с исходным сигналом. Это приводит к усилению излучения.
Для реализации идеи Басов и Прохоров разработали метод селекции молекул аммиака в необычном состоянии. Молекулы аммиака NH₃ пропускались через неоднородное электрическое поле (фокусирующий электродный патрон), которое разделяло поток: молекулы в возбуждённом состоянии фокусировались в осевой области, а в основном — отклонялись. В результате в резонатор подавался поток с инвертированной населённостью уровней.
¶Создание прибора
В 1954 году в ФТИ была собрана первая установка, в которой пучок селектированных молекул аммиака проходил через резонатор, настроенный на частоту 24 000 МГц (24 ГГц, длина волны около 12,5 мм). Установка генерировала непрерывные электромагнитные волны с мощностью порядка 0,1 мВт.
Это была первая в мире работающая генераторная установка, работающая на принципе вынужденного излучения. Результаты были опубликованы в 1954—1955 годах в журнале «Доклады Академии наук СССР».
¶Значение
Работа Басова и Прохорова заложила основы квантовой электроники. В 1955 году они предложили идею использования трёхуровневой схемы накачки, а в дальнейшем разработали теорию полупроводникового лазера.
В 1964 году Н. Г. Басов и А. М. Прохоров совместно с Чарльзом Таунсом (США) были удостоены Нобелевской премии по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров».
¶Связь с лазерной техникой
После успеха мазера Басов и Прохоров сосредоточились на разработке лазеров. В 1958 году они предложили схему лазера с накачкой с помощью газового разряда. В 1961 году в ФТИ под руководством Прохорова был создан первый в СССР рубиновый лазер. В 1965 году там же был разработан один из первых в мире CO₂-лазеров.
Басов в 1960-е годы предложил метод получения инверсии населённости с помощью полупроводниковых структур, что легло в основу полупроводниковых лазеров.
¶Наследие
Синтезатор Басова — Прохорова считается отправной точкой квантовой электроники. Мазеры нашли применение в радиоастрономии, спутниковой связи, радиолокации и медицине. Лазеры, созданные на основе тех же принципов, стали одним из ключевых технологий XX века.
Исследования, начатые в харьковской группе ФТИ, привели к формированию крупных научных школ в области квантовой электроники в СССР и России.
¶Источники
- Басов Н. Г., Прохоров А. М. «Использование молекулярных пучков для получения мазеров на аммиаке» // Доклады АН СССР, 1954.
- Прохоров А. М. «Квантовая электроника» // Успехи физических наук, 1960.
- Басов Н. Г. «Лазеры и квантовая электроника» // Вопросы философии, 1964.
- Хрущёв И. С. «Академик Н. Г. Басов» // М.: Наука, 2008.
- Таунс Ч. «Как произошли лазеры и мазеры» // М.: Мир, 1966.