He-Ne 鐳射器發明兩年後,1962年,蘭姆位移的發現者,諾貝爾物理獎得主小W.E.蘭姆教授正在耶魯大學對氦氖鐳射器作理論分析。他的目的是要根據原子在電磁場作用下振盪的經典模型,計算鐳射強度隨空腔引數改變的關係。他原來預計,空腔原子有一定的自然躍遷頻率,當空腔頻率與原子躍遷頻率一致時,會因為諧振而使鐳射強度達最高值。可是出乎他的意料,計算所得的曲線卻在諧振處呈現極小值,形成一凹陷。他花了許多時間反覆核算,沒有找出錯誤,肯定計算是正確的。當時,蘭姆並不知道這就是由於飽和和多普勒頻寬引起燒孔效應的後果(不久就清楚了),但是他敏感地預見到,這一凹陷有助於頻率的穩定,因為他在理論計算中參考了二十年代電子學家範德泡爾(van der Pol)關於多頻振盪器的理論,這一理論證明只要滿足一定條件就可以出現頻率鎖定現象。
蘭姆凹陷
姆凹陷的發現和應用是科學與技術,理論與實踐密切結合取得重要成果的又一個極好例證。
He-Ne 鐳射器發明兩年後,1962年,蘭姆位移的發現者,諾貝爾物理獎得主小W.E.蘭姆教授正在耶魯大學對氦氖鐳射器作理論分析。他的目的是要根據原子在電磁場作用下振盪的經典模型,計算鐳射強度隨空腔引數改變的關係。他原來預計,空腔原子有一定的自然躍遷頻率,當空腔頻率與原子躍遷頻率一致時,會因為諧振而使鐳射強度達最高值。可是出乎他的意料,計算所得的曲線卻在諧振處呈現極小值,形成一凹陷。他花了許多時間反覆核算,沒有找出錯誤,肯定計算是正確的。當時,蘭姆並不知道這就是由於飽和和多普勒頻寬引起燒孔效應的後果(不久就清楚了),但是他敏感地預見到,這一凹陷有助於頻率的穩定,因為他在理論計算中參考了二十年代電子學家範德泡爾(van der Pol)關於多頻振盪器的理論,這一理論證明只要滿足一定條件就可以出現頻率鎖定現象。
蘭姆作出理論預測後,並沒有馬上發表,而是將手稿寄給鐳射器的另外兩位先驅,賈萬和本勒特(Bennett),請他們發表意見。賈萬回信說,他雖然沒有觀察到這個現象,但相信會有,因為他曾觀察到與之有關的推頻效應。本勒特則把自己的實驗記錄寄給蘭姆,他在鐳射輸出隨調諧頻率變化的曲線中沒有找到凹陷訊號,表示對此沒有信心。他所在的貝爾實驗室有一位同事叫R.A.麥克發倫(R.A.McFarlane),得知後對這個問題產生了興趣,主動承擔起實驗研究的工作。他用磁致伸縮方法使氦氖鐳射器的光學腔改變長度,從而調整諧振頻率,開始時,他的鐳射管中用的是自然丰度的氣體(氖的成分為20Ne,90.92%;21Ne,0.26%;22Ne,8.82%),在諧振曲線上也沒有觀察到凹陷,但他注意到曲線有些不對稱,似乎是兩種頻率疊加而成的。他意識到這可能是氖的同位素效應,於是在賈萬的幫助下,做了22Ne(純度達99.5%)的氦氖鐳射器,果然,在中心頻率附近出現了微淺的凹陷訊號。功率加大後,凹陷隨之變深,形成明顯的鴕峰曲線。於是,麥克發倫、本勒特和蘭姆三人聯名於1963年發表了實驗結果,正式宣佈蘭姆凹陷的存在。與此同時,賈萬也發表了類似報告。從此,單模穩頻氦氖鐳射器登上了精密計量工作的舞臺,在長度和頻率的計量中發揮了重要作用,並且開闢了鐳射穩頻的廣闊領域。