Развитие лазера

Новое устройство — мазер — оказалось настолько интересным, что на некоторое время оно как бы заставило забыть о возможности использования молекулярных генераторов в оптическом диапазоне, то есть не для генерации радиоволн, а для генерации света, о которой писал Эйнштейн.

Наиболее драматические страницы предыстории квантовых генераторов связаны с работами московского физика В.А. Фабриканта. Он изучал оптические свойства газового разряда. В своей докторской диссертации 1939 года Фабрикант впервые прямо указывает, что, осуществив условие инверсии (сделав так, чтобы высокие уровни энергии молекул были более «населены», чем низкие), «мы получим интенсивность выходящего излучения большую, чем падающего».

Работа Фабриканта, опубликованная в 1939 году в трудах московского Всесоюзного электротехнического института, к сожалению, не привлекла внимания исследователей. Более того, сама защита им докторской диссертации в ФИАНе, на которой присутствовали крупнейшие советские физики, также никого не навела на мысль о возможности постройки генераторов или усилителей нового типа. Видимо, то, что предлагал Фабрикант, было слишком сложно, чтобы этим заниматься, особенно учитывая, что в правильности выводов Эйнштейна никто не сомневался. Практические же выгоды от применения этого устройства тогда невозможно было даже вообразить.

В.А. Фабрикант

Валентин Александрович Фабрикант (9 октября 1907 — 3 марта 1991) — выдающийся советский физик, доктор физико-математических наук, профессор, действительный член Академии педагогических наук СССР, лауреат Сталинской премии второй степени. Валентин Александрович Фабрикант сформулировал принцип усиления электромагнитного излучения при прохождении сред с инверсной населённостью, лежащий в основе квантовой электроники. Он был крупнейшим специалистом по физической оптике, физике газового разряда и квантовой электронике. Работы В. А. Фабриканта хорошо известны как в нашей стране, так и за рубежом. В. А. Фабрикант — автор научного открытия «Явление усиления электромагнитных волн (когерентное излучение)», которое занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 12 с приоритетом от 18 июня 1951 г.

Теперь, по прошествии нескольких десятков лет, нашлось много охотников, претендующих на лавры первопроходцев. Так, американец Ф. Хоутерман опубликовал в I960 году статью, в которой утверждает, что он, начиная с 1932 года, неоднократно обсуждал со своими друзьями, а именно В. Паули, Г. Копферманом, Л. Ландау, Ю. Румером и другими крупными физиками, идею, связанную с созданием оптического квантового генератора. Это кажется маловероятным. Дело в том, что в 30-е годы Хоутерман жил в Советском Союзе и являлся редактором журнала «Совьет физик», издававшегося в Харькове, что существенно облегчало для него публикацию любой статьи по указанному вопросу. Он мог бы, в конце концов, вернуться к своей идее сразу после открытий Басова, Прохорова и Таунса.

Фабрикант и его группа, тем не менее, продолжали работы. Они велись урывками, в небольших островках времени, остающихся от учебной деятельности, от трудов по промышленному внедрению ламп дневного света... |

Летом 1951 года в Министерство промышленности средств связи СССР поступила заявка на изобретение. Тогда Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР еще не существовало, и авторы обращались в соответствующие министерства. Заявка была подписана сотрудниками Московского энергетического института В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.A. Бутаевой. Ее тема — «Новый способ усиления электромагнитного излучения ультрафиолетовых, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн» — существенно расширяет взгляды Фабриканта 1939 года.

Во-первых, речь уже идет не только о световом диапазоне, но и о ультрафиолетовом, инфракрасном и радиодиапазоне. Во-вторых, обогатились методы получения инверсией заселенности: кроме резонансного возбуждения частиц ударом второго рода — возбуждение вспомогательным высокочастотным излучением и импульсным разрядом. Предложение было зарегистрировано 18 июня 1951 года.

Заявка ученых была всеобъемлюща, охватывала фактически все, что можно было впоследствии предста­вить себе под термином «квантового усиления», как писалось в одном американском журнале. И все же она в силу трагического стечения обстоятельств не могла оказать никакого влияния на развитие квантовых генераторов. Причина в том, что признали и опубликовали ее лишь в1959 году, когда вся лазерная эпопея осталась уже позади. Свидетельство об открытии было выдано по матери­алам заявки лишь в 1964 году, то есть спустя 13 лет, уже Государственным комитетом по делам изобретений и открытий СССР. Это произошло в год, когда Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс получали свои нобелевские медали — высшее международное отличие ученых.

К этому времени были разработаны и построены не только мазеры, но и лазеры — оптические квантовые генераторы.

В принципе казалось, что ничего сложного в постройке лазеров не было, поскольку свет — это те же электромагнитные колебания, что и радиоволны, использовавшиеся и получаемые в мазерах. Для создания квантового оптического генератора можно было бы в принципе использовать ту же конструкцию, что и для радиочастот, то есть готовую конструкцию мазера.

Главная трудность заключалась в том, что для оптических частот очень сложно создать резонатор. Пытаясь решить эту проблему, Н.Г. Басов летом 1957 года направ­ит в журнал «Радиотехника и электроника» статью, в которой он предлагает конструкцию молекулярного генератора вообще без объемного резонатора. А через год, А.М. Прохоров предложил конкретное устройство для генерации и усиления волн короче одного миллиметра. В статье о молекулярном усилителе — генераторе на субмиллиметровых волнах, опубликованной в 1958 году в «Журнале экспериментальной и теоретической физики», он рекомендует употребить в качестве резонатора два плоскопараллельных зеркала, то есть использовать, по существу, уже известный оптический интерферометр Фабри-Перо, который с тех пор стал называться резонатором открытого типа и получил широчайшее применение в лазерах — квантовых генераторах волн оптического диапазона. Тут же новый тип резонатора был исследован экспериментально.

Работа была проведена в ФИАНе Л.М. Прохоровым и его сотрудниками. Подобный же тип резонатора для со­здания мазеров инфракрасного и светового диапазона (фактически — лазеров) был предложен в работе А. Шавлова и Ч. Таунса, опубликованной все в том же 1958 году в «Физикл ревью». В статье

дана широкая панорама сведений о лазере, о его теории и возможных конструкциях.

И тут в дело вмешивается малоизвестный физик Г. Гоулд. Оказывается, он тоже работал над созданием лазера и, более того, был настолько предусмотрителен, что заверял у нотариуса каждую страницу своего лабораторного журнала. 13 ноября 1957 года Гоулд принеся нотариусу девять страниц своего журнала, где была вчерне сформулирована идея создания таллиевого лазера. Заявка Таунса и Шавлова на оптический мазер была подана 30 июля 1958 года. 22 марта 1960 года им был выдан патент, несмотря на то что Гоулд подал в патентное ведомство встречную заявку на аналогичное устройство. Но Гоулд сделал это лишь 6 апреля 1959 года. Нотариальное заверенные записи не помогли и спор завершился в пользу того, кто первым обратился в Патентное бюро. Подобный вопрос возникал еще не раз. Спорить было из-за чего. Победивший становился нобелевским лауреатом, изобретателем лазера, проигравший оставался малозначащей фигурой в истории науки, примером неудачника, «мученика науки».

В Советском Союзе над созданием лазера работал ряд групп ученых. Не прекращала свою деятельность группа В.А. Фабриканта и Ф.Л. Бутлевой. В 1957 году они предложили создать газовый лазер и провели с этой целью серию теоретических и экспериментальных исследовании.

На следующий год Н.Г. Басов высказал идею использовать в квантовых генераторах и усилителях не твердые тела, не газы, а полупроводники. Еще через год Н.Г. Басов, Б.М. Вул и Ю.М. Попов публикуют работу, где отражены основные проблемы, связанные с созданием полупроводниковых лазеров. В 1959 году в журнале «Успехи физических наук» выходит обзор Н.Г. Басова, О.Н. Крохина и Ю. М.Попова, как бы подводящий итог первому этапу исследований квантовых генераторов и намечающим основные направления работ на будущее. В конце статьи авторы указывали, что «отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн».

Эти слова оказались пророческими. В конце I960 года в английском журнале «Нейчур» была опубликована статья Т. Меймана, в которой рассказывалось о том, что, оптически возбуждая образец розового рубина, автор впервые поучил на нем генерацию в оптическом диапазоне волн. Тут же начал бурно исследоваться вопрос о других возможных твердых телах для лазеров, например, кристаллах, стекловолокнах. Но оказалось, лишь один материал может успешно конкурировать с рубином — неодимовое стекло.

Вскоре под руководством Басова в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук был создан газовый лазер на смеси неона и галлия, а затем и полупроводниковый лазер.

Наступила лазерная эра!!!

_______________________________________________________________

В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Рабочим веществом могут служить органические соединения, активированные ионами редкоземельных элементов. Удалось получить генерацию с использованием обычных паров воды и даже воздуха. Создан новый класс газовых лазеров — так называемые ионные лазеры.

Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

Главная ценность этих оптических приборов состоит в том, что излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств. В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и времени, монохроматично, распространяется очень узким пучком (направленно) и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической. Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера в качестве тончайшего инструмента для исследований различных веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул, уточнения природы их взаимодействия, определения биологической структуры живых клеток.

С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать связь как в земных условиях, так и в космосе принципиально на любых расстояниях. Лазерные линии связи позволяют передавать одновременно значительно большее количество информации по сравнению с традиционными линиями связи, даже самыми совершенными. Кроме того, при этом практически к нулю сводятся внешние помехи.

Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности, науки и техники, медицины сегодня трудно себе представить без применения лазеров и устройств на их основе.