兰姆凹陷的发现和应用是科学与技术,理论与实践密切结合取得重要成果的又一个极好例证。
He-Ne
激光器发明两年后,1962年,兰姆位移的发现者,诺贝尔物理奖得主小W.E.兰姆教授正在耶鲁大学对氦氖激光器作理论分析。他的目的是要根据原子在电磁场作用下振荡的经典模型,计算激光强度随空腔参数改变的关系。他原来预计,空腔原子有一定的自然跃迁频率,当空腔频率与原子跃迁频率一致时,会因为谐振而使激光强度达最高值。可是出乎他的意料,计算所得的曲线却在谐振处呈现极小值,形成一凹陷。他花了许多时间反复核算,没有找出错误,肯定计算是正确的。当时,兰姆并不知道这就是由于饱和和多普勒频宽引起烧孔效应的后果(不久就清楚了),但是他敏感地预见到,这一凹陷有助于频率的稳定,因为他在理论计算中参考了二十年代电子学家范德泡尔(vanderPol)关于多频振荡器的理论,这一理论证明只要满足一定条件就可以出现频率锁定现象。
兰姆作出理论预测后,并没有马上发表,而是将手稿寄给激光器的另外两位先驱,贾万和本勒特(Bennett),请他们发表意见。贾万回信说,他虽然没有观察到这个现象,但相信会有,因为他曾观察到与之有关的推频效应。本勒特则把自己的实验记录寄给兰姆,他在激光输出随调谐频率变化的曲线中没有找到凹陷信号,表示对此没有信心。他所在的贝尔实验室有一位同事叫R.A.麦克发伦(R.A.McFarlane),得知后对这个问题产生了兴趣,主动承担起实验研究的工作。他用磁致伸缩方法使氦氖激光器的光学腔改变长度,从而调整谐振频率,开始时,他的激光管中用的是自然丰度的气体(氖的成分为20Ne,90.92%;21Ne,0.26%;22Ne,8.82%),在谐振曲线上也没有观察到凹陷,但他注意到曲线有些不对称,似乎是两种频率叠加而成的。他意识到这可能是氖的同位素效应,于是在贾万的帮助下,做了22Ne(纯度达99.5%)的氦氖激光器,果然,在中心频率附近出现了微浅的凹陷信号。功率加大后,凹陷随之变深,形成明显的鸵峰曲线。于是,麦克发伦、本勒特和兰姆三人联名于1963年发表了实验结果,正式宣布兰姆凹陷的存在。与此同时,贾万也发表了类似报告。从此,单模稳频氦氖激光器登上了精密计量工作的舞台,在长度和频率的计量中发挥了重要作用,并且开辟了激光稳频的广阔领域。
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