Молекулярный генератор представляет собой уникальное устройство, в котором электромагнитные колебания, известные как брэгговские, генерируются благодаря вынужденным квантовым переходам молекул. Эти переходы происходят, когда молекулы перемещаются из исходного, более высокого энергетического уровня в состояние с меньшей внутренней энергией, высвобождая при этом энергию в виде излучения.
Историческое открытие
Молекулярный генератор стал первым в мире квантовым генератором. Его разработка велась практически одновременно в середине 1950-х годов двумя независимыми группами ученых. В 1954 году советские физики Александр Прохоров и Николай Басов создали свой вариант устройства, а в США над аналогичным проектом работали Чарльз Таунс, Джеймс Гордон и Герберт Цейгер. Интересно, что обе команды использовали в качестве активной среды молекулы аммиака (NH₃), благодаря чему их генераторы производили электромагнитные колебания с одинаковой частотой — 24 840 МГц, что соответствует сантиметровому диапазону радиоволн.
Принцип действия и ключевые условия
Для успешной генерации когерентных колебаний необходимо соблюдение двух фундаментальных условий. Во-первых, в рабочей зоне устройства должно быть достигнуто так называемое состояние инверсии населённостей: количество частиц (молекул) на верхнем энергетическом уровне должно превышать их количество на нижнем уровне. Во-вторых, необходимо обеспечить обратную связь между частицами, излучающими в разное время, чтобы их излучение складывалось согласованно.
В молекулярных генераторах первое условие решается с помощью остроумного метода электростатической сортировки молекулярного пучка. Второе условие — обратная связь — реализуется с помощью объемного резонатора, который представляет собой полость, настроенную в резонанс с частотой излучения молекул. Пучок молекул формируется при их истечении из источника в вакуумную камеру через систему узких отверстий или капилляров.
Технология сортировки молекул
Электростатическое разделение молекул по энергетическим состояниям основано на их поведении в неоднородном электрическом поле. Молекулы, обладающие собственным электрическим дипольным моментом (как молекулы аммиака), отклоняются таким полем от прямолинейной траектории, причем направление и степень отклонения напрямую зависят от их внутренней энергии.
В первом генераторе в качестве сортирующего элемента использовался квадрупольный конденсатор — система из четырех параллельных стержней особой формы, подключенных к высоковольтному источнику. Создаваемое им сильно неоднородное поле разделяло молекулы аммиака: те, что находились в нужном верхнем энергетическом состоянии, фокусировались на оси и направлялись внутрь резонатора, а молекулы в нижнем состоянии отбрасывались в стороны.
Процесс генерации и самовозбуждения
Отсортированный пучок, состоящий преимущественно из «возбуждённых» молекул, попадает в объемный резонатор. Под воздействием уже существующего в резонаторе слабого электромагнитного поля эти молекулы начинают совершать вынужденные переходы на нижний уровень, излучая фотоны. Эти фотоны остаются в резонаторе, усиливая поле и увеличивая вероятность вынужденного излучения для последующих молекул. Таким образом, процесс лавинообразно нарастает.
Если интенсивность пучка достаточно высока и вероятность вынужденного излучения превышает потери энергии в стенках резонатора, в системе возникает самовозбуждение. Мощность поля резонатора быстро растет за счет внутренней энергии молекул, пока не достигает стационарного уровня. Этот уровень определяется балансом: поле становится настолько сильным, что примерно половина молекул успевает испустить фотон за время пролета через резонатор, уравнивая процессы излучения и поглощения.
Мощность первых генераторов на аммиаке была невелика, порядка 10⁻⁸ Вт, но они обладали выдающейся стабильностью генерируемой частоты — в пределах 10⁷—10¹¹.
Эволюция и значение
После первоначального успеха были созданы молекулярные генераторы на основе других полярных молекул, работающие в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, а также квантовые генераторы на пучке атомов водорода (излучающие на знаменитой длине волны 21 см). Подобные устройства, включая квантовые усилители радиодиапазона, часто объединяют под общим названием мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Конструкции молекулярных генераторов продолжали совершенствоваться: появлялись новые типы сортирующих систем, многорезонаторные схемы и т.д. Их ключевой особенностью, унаследованной от принципа действия, является чрезвычайно высокая стабильность частоты, достигающая 10⁻¹³. Это делает их незаменимыми в качестве первичных квантовых стандартов частоты — самых точных «часов» в мире, используемых в фундаментальной науке, навигации и связи.
От мазеров к лазерам
Молекулярный генератор стал прародителем целого семейства квантовых приборов. Логическим продолжением его развития стали квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), первые из которых появились в 1960 году.
Лазеры радикально расширили возможности квантовой электроники, работая от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного (субмиллиметрового) диапазона. Они могут функционировать как в непрерывном, так и в импульсном режиме с огромной мощностью. Существуют лазеры на самых разных активных средах: твердотельные (на кристаллах и стеклах), газовые, жидкостные, полупроводниковые и другие.
Главное отличие лазерного излучения от света обычных источников — его высочайшая когерентность (согласованность волн) и монохроматичность (одноцветность). Кроме того, лазерный луч обладает малой расходимостью, что позволяет концентрировать огромную энергию в очень узком телесном угле, открывая возможности для точнейшей обработки материалов, хирургии, передачи информации и многих других областей.