ЛАЗЕР КАК ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ТЕМА 1

История создания лазеров

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями в области оптического приборостроения, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения – лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1916 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

Однако в то время никто не обратил внимания на принципиальную ценность этого явления. Никому не были известны способы получения индуцированного излучения и его использования.

В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А.Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.

В 1952 г. ученые трех стран одновременно — в Советском Союзе Н.Г.Басов и А.М. Прохоров, в США Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер — независимо друг от друга предложили основанный на использовании явления индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые обладали очень высокой стабильностью частоты. Использование мазеров в качестве усилителей позволило повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в квантовых генераторах использовались двухуровневые энергетические системы и пространственная сортировка молекул с различными энергетическими уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили использовать для получения неравновесного состояния частиц трехуровневые энергетические квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения.

_______________________________________________________________

Басов и сотрудники

Последний день последнего года войны означал для Н.Г. Басова конец его воинской службы. Он был демобилизован. Перед молодым офицером могла бы встать проблема — кем быть теперь, но этот вопрос был решен раньше. Он должен заниматься физикой, причем физикой наиболее современной.

Н.Г. Басов

С 1948 года он работал лаборантом в Физическом институте имени Лебедева АН СССР (ФИАН), где и продолжил работу после получения диплома под руководством М.А. Леонтовича и А. М. Прохорова. В 1953 году Басов защитил кандидатскую, а в 1956 году — докторскую диссертацию.

В 1958—1972 годах Басов являлся заместителем директора ФИАН, а с 1973 по 1989 годы был директором этого института. Здесь в 1963 году он организовал Лабораторию квантовой радиофизики, которую возглавлял до своей смерти. В 1962 году Басов был избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1966 году — академиком АН СССР, впоследствии избирался в президиум Академии наук (член президиума АН СССР с 1967 по 1990 год, РАН с 1991).

Как-то случайно, в трамвае, он краем уха услышал о новом факультете Московского механического института – инженерно-физическом, на который производился необычный, «зимний», набор. Это как раз то, что нужно. Сдал документы в приемную комиссию, и уехал домой, в Воронеж. Вызова на экзамены долго не было, Басов забеспокоился, приехал в Москву. Оказалось, что он опоздал. Абитуриенты, с которыми он сдавал документы, набирали очки на начавшихся уже экзаменах. После бурного объяснения в деканате Басов был все-таки допущен к конкурсу. Чтобы догнать остальных, все пришлось делать в головокружительном темпе. И вот сегодня сдана математика, завтра — химия, а затем — физика, русский. Абитуриент в гимнастерке уверенно берет один барьер за другим. Наконец, вывешиваются списки: Басов — студент нового факультета института.

...И сразу очутился он в новом для себя мире. Институт был необычным. Он создавался с целью сочетать глубокую теоретическую подготовку студентов с решением наиболее насущных практических задач. Преподаватели института — в основном блестящие теоретики — были в то же время связаны с важными конкретными практическими проектами. Читали лекции, вели семинары крупнейшие ученые Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР. Даже простое перечисление их имен способно поразить: И.Е. Тамм, впоследствии Нобелевский лауреат, Л.А. Арцимосич, впоследствии руководитель советской термоядерной программы, академики И.К. Кикоин, М.Л. Леоптович, М.Д. Миллионщиков...

Учиться было необычайно сложно, но молодому воронежцу способностей, упорства и терпения было не занимать, и учился он блестяще, хотя условия жизни, прямо надо сказать, не слишком благоприятствовали.

Под общежитие заняли цех эвакуированного завода. Ходили, спотыкаясь о бетонные фундаменты вывезенных на восток станков. Для тепла прямо в цехе жгли костры, готовили нехитрую еду из продуктов, полученных
по карточкам или выменянных на «профсоюзные талоны».

Все эти житейские сложности не имели, однако, ровно никакого значения, поскольку Басов понял, что он попал как раз туда, куда мечтал. Институт действительно был связан с самыми современными проблемами физики. Здесь готовили специалистов по радиолокационной технике для советской атомной программы, для создания современных ускорителей заряженных частиц. Тема дипломной работы Басова — «Работа циклотрона на режиме кратного резонанса». Руководителями назначены будущие академики М.А.Леонтович и А.М. Прохоров.

Для работы над дипломом надо было чаще бывать в ФИАНе: там был и ускоритель, и знаменитый теоретический семинар Тамма. И вот Басов, не прерывая учебы, становится сначала лаборантом, а затем инженером знаменитой на весь мир Лаборатории колебаний Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР, основанной Л.И. Мандельштамом и тогда возглавляемой М.А. Леонтовичем.

Нелегко было Прохорову заполучить Басова для работы в ФИАНе, ведь те годы отличались громадным спросом на физиков всех специальностей. За каждого выпускника инженерно-физического факультета шла борьба различных ведомств и институтов, порой необычайно влиятельных. А уж тем более стоило бороться за отличника Басова, прошедшего фиановскую школу, человека устойчивого, трудолюбивого, неунывающего, организованного, да еще и бывшего фронтовика! Пришлось Прохорову, говорят, не раз сходить в деканат, настаивая, чтобы его дипломника Басова направили именно в Физический институт Академии наук. Поговаривали потом, что для распределения Басова туда, куда следует, Прохоров пожертвовал инженерно-физическому факультету лабораторный синхротрон...

Дипломная работа Басова была посвящена ускорителю заряженных частиц. Речь шла о синхротроне, незадолго до того изобретенном В.И. Векслером. Но не сама проблема ускорения частиц, столь успешно решенная В.И. Векслером, интересовала Басова и Прохоровa. Они пытались использовать синхротрон совсем по-другому. Их, если так можно выразиться, интересовал не только сам синхротрон, сколько его «отходы производства».

Только что закончившаяся война сильно продвинула вперед методы радиолокации. Чем ближе к концу, тем более совершенными становились радиолокационные станции, и укорачивалась длина рабочей волны. Это генеральная линия прогресса. Если в самом начале войны локаторы работали в метровом диапазоне волн, то уже к середине типичными стали дециметровые волны, а к концу – и сантиметровые. Чем короче волна, тем точнее нащупает луч радиолокатора невидимую опасность.

Однако сантиметровые волны несли с собой новые проблемы. Это была уже область СВЧ — сверхвысоких частот. Приборы уменьшались, а мощность и частоты их увеличивались. Размеры радиоламп приближались к длине излучаемой волны. Плотность энергии в радиолампах миллиметрового диапазона достигала столь значительных величин, что их уже становилось невозможно охлаждать. В поисках новых принципов генерации миллиметровых и более коротких волн физики обратились к совершенно новым, даже экзотическим, неизведанным еще устройствам…

Синхротрон — вот что привлекло внимание последователей из ФИАНа. Этот остроумный ускоритель позволял резко повысить энергию частиц. Двигаясь по орбитам ускорителя, они излучали электромагнитные волны, причем доля этой энергии с ростом энергии ускорителя увеличивалась. Нельзя ли излученные ускорителем электромагнитные волны использовать в качестве рабочих воли радиолокаторов новых типов? Вот идея, которую хотели воплотить в жизнь Прохоров и Басов.

Они понимали, что ускоритель, построенный Векслером,— уникален. Он не может простаивать. Каждый час его рабочего времени обходится очень дорого, каждая минута его учтена. Экспериментировать на таком сверхзагруженном оборудовании неудобно. И Прохоров решает сам создать ускоритель. Ему удается достать магнит — от ускорителя другого типа, небольшого и уже давно «списанного». Он переделывает радиосхему, создает новую камеру. Самодельный синхротрон — вот ускоритель, на котором исследователи пробовали свои силы. Но хотя диплом был защищен Басовым на год раньше установленного срока, вывод из дипломной работы разочаровывал: ускоритель не годился как радиолампа для будущих радиолокаторов.

В 1950 году двадцативосьмилетний Басов оканчивает институт. Его оставляют в аспирантуре по кафедре теоретической физики Московского инженерно-физического института. Да, теперь это уже не инженерно-физический факультет Механического института, а самостоятельный институт, решающий важные для страны задачи.

Идеи воплощаются в реальность. Рождение мазера

Было как раз то время, когда молодые физики Лаборатории колебаний ФИАНа приступили под руководством А.М. Прохорова к разработке совершенно нового научного направления — молекулярной спектроскопии. После неудачи с синхротроном Басов с большим увлечением, скорее даже — с энтузиазмом занялся спектроскопией.

Словосочетание «молекулярная спектроскопия», по существу, означает, что, исследуя спектры поглощения молекул можно расшифровывать их строение и свойства. Прибавление к слову «спектроскопия» слова «радио» означает, что молекулы облучаются радиоволнами.

Особый интерес к теме «подогревался» тем обстоятельством, что улучшающиеся при укорочении волн свойства радиолокаторов внезапно вновь ухудшались по мере приближения длины волны к сакраментальной величине 1,25 см. Большинство сходилось на том, что этот таинственный «провал» происходит из-за рассеивания радиоволн на молекулах каких-то газов, находящихся в атмосфере,— возможно даже, водяных паров. (Впоследствии оказалось, что «виноваты» тут молекулы аммиака, того самого газа, который работал в первых квантовых генераторах, — здесь еще раз можно отметить глубину связей между, казалось бы, разрозненными явлениями, тонкий намек природы, раскрывающей один из важных своих секретов. Связи в конце концов были замечены, намек разгадан).

А.М. Прохоров

На протяжении 1946—1982 Прохоров работал в Физическом институте АН СССР, с 1954 возглавлял Лабораторию колебаний. В 1982 году назначен директором Института общей физики АН СССР, который возглавлял до 1998, а затем являлся его почётным директором. Одновременно преподавал в МГУ (с 1959 в должности профессора) и МФТИ, где с 1971 года заведовал кафедрой.

В 1960 Прохоров избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1966 — академиком. В течение двадцати лет (1973-93) он являлся академиком-секретарём Отделения общей физики и астрономии АН СССР, был членом и в конце жизни советником Президиума РАН. С 1969 Прохоров занимал должность главного редактора Большой советской энциклопедии, под его руководством вышло её третье издание, а также множество других энциклопедических словарей.

Идея исследователей необычайно изящна и смела — нельзя ли приспособить к генерации радиоволн именно молекулу: раз она поглощает радиоволны, стало быть, она может и излучать их! Если бы эту идею удалось осуществить, в руки человека попал бы удивительный радиогенератор, не подверженный поломкам, старению, всегда работающий ровно и устойчиво. Учитывая квантовый характер процессов излучения, следовало бы говорить о квантовом генераторе.

Надо сказать, что эта идея имела под собой весьма солидное теоретическое обоснование.

Пытаясь произвести новый вывод формулы Планка, желательно без квантов, к которым он относился с некоторым подозрением, Эйнштейн задумался над проблемой: что произойдет, если частота внешнего электромагнитного поля совпадет с частотой спектральных линий атомов? Опираясь на законы термодинамики, он был вынужден предположить, что они могут быть соблюдены лишь в том случае, если при облучении атомов извне сами они тоже начнут излучать. Таким образом, Эйнштейн разделил процессы спонтанного и индуцированного излучения.

Предсказания Эйнштейна и Дирака, относящиеся к свету, к оптике, квантам, как оказалось, имеют самое прямое касательство к абсолютно классическим, «волновым», вполне радиотехническим поискам наших героев.

Как говорилось ранее, Н.Г. Басов и А.Н. Прохоров работали в области микроволновой радиоспектроскопии. Чтобы повысить чувствительность спектрометров и их разрешающую способность с целью изучить тонкую и сверхтонкую структуру молекулярных спектров, нужно было как можно больше сузить линию поглощения молекул. У Басова и Прохорова возникла радикальная идея добиться этого путем изменения самой сущности изучаемого процесса, превратив его из поглощения в излучение. Другими словами, Басов и Прохоров решили превратить поглощающую радиоволны молекулу в молекулярный генератор.

Впервые об этой сногсшибательной идее их коллеги узнали в мае 1952 года, когда состоялась Общесоюзная конференция по радиоспектроскопии. Затем эта же мысль прозвучала в докладе о применении молекулярных пучков в радиоспектроскопии, на Всесоюзном совещании по магнитным моментам ядер, которое состоялось в январе 1953 года. В сообщениях Басова и Прохорова 1952—1953 годов были суммированы результаты теоретического анализа эффектов усиления и генерации электромагнитных излучений квантовой системы и разработана физика этих процессов.

Над такими же проблемами, как потом оказалось, размышляли и в США. Еще в 1951 году на Симпозиуме по субмиллиметровым волнам в Иллинойском университете выступил Л. Нетеркот, который, между прочим, упомянул об идеях, разрабатывавшихся его коллегой Ч. Таунсом и связанных с новыми подходами к генерации и усилению радиоволн. В декабре того же года Ч. Таунс описал эти идеи в секретном отчете лаборатории излучений Колумбийского университета. В 1953 году Ч. Таунс был приглашен в Японию инженерами-электриками. Там оп прочел на совместном заседании двух электротехнических обществ лекцию на тему «Физические и технические применения субмиллиметровых волн». Лекция и последовавшие вопросы были записаны на магнитофон, переведены на японский язык и затем опубликованы в журнале японского общества электросвязи. Отвечая на один из вопросов, Таунс сказал, что последовательное уменьшение волны приведёт к тому, что размеры резонаторов, применяемых в микроволновом диапазоне, «уменьшаются уже настолько, что становится необходимым использовать весьма миниатюрные резонансные цепи, естественно приводящие к молекулам и электронам...»

Таким образом, уже в начале 50-х годов Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в ФИАНе и Ч. Таунсом в Колумбийском университете была независимо сформулирована важнейшая идея использования индуцированного излучения на практике и открыта принципиальная возможность постройки молекулярного усилителя и генератора.

Устроены эти приборы были, на удивление, просто: источник молекулярного пучка, сортирующая и фокусирующая системы, объемный резонатор, волновой вывод. Все это – в глубоком вакууме. Пучок молекул аммиака, поступающий из источника, под действием сильного и неоднородного электрического поля между пластинами конденсатора претерпевает серьезные изменения. Слабо возбужденные молекулы выбрасываются из пучка, в то время, как сильно возбужденные фокусируются на оси конденсатора и узким пучком поступают в объемный резонатор, представляющий собой металлическую полость, обычно прямоугольной формы. Резонатор настроен точно на частоту «инверсного перехода». Именно здесь под действием радиоволны длиной 1,25 см и происходит «сбрасывание» молекул с верхнего энергетического уровня на нижний и следствие этого — излучение радиоволны. На выходе генератора можно наблюдать радиоколебания необычайно высокой стабильности и частоты спектрального состава. Статья Н.Г. Басова и А.М. Прохорова «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательного спектра в молекулах» поступила в редакцию «Журнала экспериментальной и теоретической физики» в начале 1954 года. В октябре того же года она вышла в свет. Начиная читать статью, поначалу можно подумать, что речь идет о высокоточном радиоспектроскопе с большой разрешающей способностью и громадной чувствительностью. Однако дальше это впечатление быстро исчезает, ибо весьма знаменателен сам способ улучшения этих характеристик! «...Ширина спектральной линии,— пишут Н.Г. Басов и А.М. Прохоров,— может быть существенно уменьшена, если наблюдать поглощение микроволн не в газе, как это делается в радиоспектроскопах, а в молекулярном пучке...» Заканчивается статья описанием нового прибора, с помощью которого можно было осуществлять генерацию радиоволн путем индуцированного излучения, то есть молекулярного генератора.

С одной стороны, новый прибор — это «всего лишь» пучковый радиоспектроскоп, снабженный устройством для сортировки молекул. С другой, это — совершенно новый по принципу действия физический прибор — молекулярный генератор. Вот знаменательная фраза из этой статьи: «Применение сортировки молекул по вращательным состояниям дает возможность изучить не только спектры поглощения молекул, но и спектры излучения молекул, так как из пучка по желанию можно отсортировать молекулы, находящиеся в нижнем или в верхнем состоянии рассматриваемого перехода. Используя молекулярный пучок, в котором отсутствуют молекулы в нижнем состоянии рассматриваемого перехода, можно сделать «молекулярный генератор». Как видно, здесь, в общедоступном журнале, впервые прямо и недвусмысленно изложена важнейшая мысль о создании генератора. До этого в открытой литературе таких идей никто не высказывал.

Постепенно идея молекулярного радиоспектроскопа отходит на второй план, а на первый выступает квантовый генератор. В ноябре 1954 года в журнал «Доклады Академии паук СССР» поступила статья Басова и Прохорова «Теория молекулярного генератора и молекулярного усилителя мощности», где было дано исчерпывающее определенно нового устройства. «Молекулярным генератором, — пишут авторы,— мы называем автоколебательную систему, использующую энергию, связанную с переходами между различными энергетическими уровнями». Здесь же приведена и разработка теории нового прибора.

Статья была опубликована в январе 1955 года, а в мае того же года и редакцию журнала «Физикл ревью» поступила и в августе напечатана статья Дж. Гордона, X. Цайгера и Ч. Таунса «Мазер — новый тип микроволнового усилителя, стандарта частоты и спектрометра». В ней описываются принцип действия прибора и его конструкции. Дано краткое название нового прибора, которое быстро привилось: мазер (аббревиатура английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает: усиление микроволн (СВЧ) в результате вынужденного излучения. Как видно, речь идет о генерации микроволнового радиоизлучения. Генерация же света происходит в лазерах, что также отражено в самом названии «лазер», первая буква которого является сокращением английского слова Light (свет)). Сообщено также о действующем молекулярном генераторе на аммиаке. Авторы ссылаются на работы Басова и Прохорова.

Новое устройство обладало уникальными характеристиками. Прежде всего, частота его излучения была необычайно стабильной. Это позволяло создать на его основе спектроскоп с очень высокой разрешающей силой, а также использовать этот новый прибор в качестве стандарта частоты, своеобразных атомных часов.

В 1959 году Н.Г. Басову и А.М. Прохорову была присуждена Ленинская премия «за открытие нового принципа генерации и усиления электромагнитного излучения на основе квантовых систем». Через пять лет Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и Ч. Таунса назвали и Нобелевскими лауреатами.

_______________________________________________________________

В 1958 г. была рассмотрена возможность применения метода создания мазеров для создания генераторов оптического диапазона (в СССР — Н.Г. Басов, Б.М.Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США — Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин.

Первый лазер на рубине

С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер». Это слово составлено из первых букв английского выражения: «light amplification by stimulated emission of radiation» (laser), что в переводе означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось мощным источником света.

Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д.Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские ученые Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Ю.М. Попов. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

_______________________________________________________________

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.

Развитие лазерной физики в Республике Беларусь

Исследования в области лазерной физики начали развиваться в БССР практически сразу после создания в 1960 г. первого лазера. Они были инициированы директором Института физики АН БССР Б.И. Степановым и выполнялись при активном его участии.

Уже в 1961 г. были опубликованы его статьи с сотрудниками по теории лазерной генерации, а в 1962 г. В.А. Пилиповичем запущен первый в республике лазер и начаты экспериментальные изыскания.

Б.И. Степанов

В 1953 приглашен в Институт физики АН БССР. С 1955 по 1973 заведовал лабораторией. С 1957 являлся директором института. Одновременно с 1953 — профессор БГУ, до 1963 возглавлял кафедру спектрального анализа. В 1985-87 являлся членом и советником Президиума АН БССР. С 1964 и до конца жизни — главный редактор выходящего в Минске всесоюзного "Журнала прикладной спектроскопии".

Степанов был членом КПСС с 1939, в 1971-86 избирался депутатом Верховного Совета БССР. Создал в Беларуси крупную научную школу, среди его учеников 11 докторов и 45 кандидатов наук. Его именем назван Институт физики.

В течение 2—3 лет проблемы лазерной физики и нелинейной оптики заняли ведущее место в тематике института. Этому в немалой мере способствовало то, что еще в «долазерный период» были развиты методы и подходы, которые оказались полностью пригодными для расчета энергетических и временных характеристик многих типов лазеров.
С самого начала научные исследования и разработки в области лазерной физики в БССР развивались весьма интенсивно, быстро рос их объем, расширялась тематика, был накоплен большой научно-технический потенциал в области лазерной физики и технологий, подготовлены высококвалифицированные научные кадры — не только для белорусских организаций, но и для других республик. Наши ученые и инженеры внесли большой вклад как в решение многочисленных задач лазерной физики, создание и практическое применение лазерной техники и технологий, так и в формирование ряда принципиальных положений, основ этой быстро развивающейся области знаний. Их достижения отмечены тремя Государственными премиями СССР, девятью Государственными премиями БССР и Республики Беларусь, многими другими наградами.

В 1966 году белорусские физики (Б.И. Степанов, А.Н. Рубинов, В.А. Мостовников) получили генерацию на растворах красителей, возбуждаемых импульсами рубинового лазера.

В 1967 году в Белоруссии и США получена генерация при накачке красителей излучением импульсных ламп, что позволило говорить о лазерах на красителях как о самостоятельных источниках когерентного излучения. Большой выбор красителей в скором времени позволил перекрыть весь спектральный диапазон от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Основным достоинством лазеров на красителях является возможность получения плавно перестраиваемого в широком диапазоне длин волн излучения с узкой спектральной линией.

Свидетельством высокого уровня работ и активности белорусских ученых в области лазерной физики и нелинейной оптики служит также проведение в республике многих всесоюзных и международных конференций, а также выездных сессий Совета по когерентной и нелинейной оптике АН СССР — координатора научных исследований по лазерной физике и нелинейной оптике в СССР. Общепризнано, что эти конференции, первая из которых была проведена в Беларуси по инициативе Института физики АН БССР, сыграли важную роль в развитии научных исследований и разработок в этой области. Четыре из них состоялись в Минске (1972, 1988, 2001, 2007 гг.). Традиция их проведения сохранилась и после распада СССР. Последняя конференция собрала ученых в Казани.

В Беларуси были также организованы 3 всесоюзные конференции по лазерам на красителях, 6 конференций-школ по динамической голографии, международные конференции по спектроскопии сверхбыстрых процессов (UРS-1983) и по применению лазеров в науках о жизни (LALS-1994), 12 конференций по квантовой оптике и квантовой информатике.
В 1960-е гг. исследования и разработки по лазерной физике в Беларуси были практически полностью сосредоточены в Институте физики. Позже они стали проводиться и в других институтах Академии наук и университетах. В 70-е гг. на БелОМО начался серийный выпуск лазерной техники, правда, по разработкам Государственного оптического института — ведущей организации страны в области оптики. До этого лазеры и элементы лазерной техники в Беларуси изготовлялись только в СКТБ с ОП Института физики, в основном для нужд самого института. В 1979 г. при
ЦКБ БелОМО «Пеленг» был организован Межведомственный конструкторский отдел (ныне предприятие «ЛЭМТ»), призванный внедрять результаты научных исследований и разработок белорусских организаций в изделия БелОМО. В 1984 г. вступило в строй действующих крупное Минское опытно-промышленное предприятие АН СССР, одной из задач которого было тиражирование лазерных систем и приборов, разрабатываемых в институтах и КБ АН БССР и других организациях СССР. На этом предприятии сразу же был налажен выпуск лазеров, компонент и систем лазерной техники, разработанных в Институтах физики и электроники АН БССР. Следует отметить, что в организации производства лазерной техники в Беларуси очень важную роль сыграли Н.А. Борисевич (в то время Президент АН БССР) и В.С. Бураков (заместитель директора Института физики, позже — директор МОПП АН СССР).

Н.А. Борисевич

В январе 1969 Борисевич был избран президентом и оставался на этой должности до марта 1987. Одновременно с 1957 является заведующим Лабораторией физики инфракрасных лучей, читал лекции в БГУ, с 1987 также руководит Лабораторией фотоники молекул ФИАН. С 1992 является почетным президентом НАН Беларуси. В 1969-87 работал главным редактором журнала «Доклады Академии наук БССР», с 1994 — главный редактор «Журнала прикладной спектроскопии». В 1969-89 избирался депутатом Верховного Совета СССР. Под руководством Борисевича защищено более 40 кандидатских диссертаций, 11 его учеников — доктора наук, в том числе два академика НАН Беларуси.

В.С. Бураков

С 1987 года работал в Институте физики. В 1989—1992 являлся членом Президиума АН Беларуси, в 1992—1997 занимал должность академика-секретаря Отделения физики, математики и информатики, в 1997—2002 был советником Президиума Национальной АН Беларуси. Принял активное участие в организации Института молекулярной и атомной физики: в 1992—1993 был его директором-организатором, с 1992 года являлся заведующим Лабораторией лазерной диагностики плазмы.

Вначале 1990-х гг. производство лазеров, лазерных систем и элементов лазерной техники резко сократилось или прекратилось полностью, были нарушены деловые контакты между белорусскими организациями с другими республиками СССР. Но благодаря мерам, предпринятым руководством страны, и высокой активности специалистов-лазерщиков накопленный ранее потенциал в основном удалось сохранить и приспособить к работе в новых условиях. Прежде всего, в этом деле важнейшую роль сыграли организация в Беларуси государственных научных и научно-технических программ, создание Республиканского фонда фундаментальных исследований, активное использование грантов международных фондов (INTAS, МНТЦ и др.) и расширение научных связей с организациями стран дальнего зарубежья. Способствовало этому и возникновение малых предприятий и фирм по разработкам и производству лазерной техники, таких, например, как «ЛЭМТ», «Лотис ТИИ» (б), «СоларЛС» (а), «Солар ТИИ», «Люзар» (в), «Голографическая индустрия».

а) «СоларЛС» б) «Лотис ТИИ» в) Аппарат “Люзар-МП”

Частичному восстановлению и активизации творческого сотрудничества между белорусскими и зарубежными организациями в области лазерной физики содействовало также выполнение российско-белорусской программы «Лазерные технологии XXI века» и других проектов, финансируемых из бюджета Союзного государства Беларуси и России, а также совместных грантов БРФФИ с различными фондами других стран.

Результаты развития лазерной физики в РБ и ее практических применений

За более чем 50 лет интенсивной работы белорусскими физиками и инженерами получено немало результатов, ставших ценным вкладом в копилку достижений лазерной физики и ее практических применений. Отметим здесь наиболее значимые из них, в том числе те, за которые были получены высшие награды страны.

Первым в историческом плане из таких результатов, несомненно, является развитие методов инженерного расчета энергетических и временных характеристик пичковых и моноимпульсных лазеров.
Поиск новых генерирующих сред в середине 1960-х гг. увенчался созданием в Институте физики лазера на органических красителях. Важная особенность таких лазеров — возможность плавной перестройки длины волны генерируемого излучения, что очень ценно для их применения в спектроскопии, биологии, медицине и других областях.
В институте предсказан и практически реализован о-е-е - синхронизм, весьма эффективный для генерации гармоник, сложения и вычитания частот лазерных пучков. На этой основе создан целый ряд новых методов и устройств эффективного преобразования частоты лазерного излучения разных пространственных структур.

Развиты физические основы динамической голографии. Открыто явление обращения волнового фронта световых пучков при четырехволновом взаимодействии, используемое в настоящее время для устранения искажений фазы лазерного луча и концентрации его энергии в заданную точку. Созданы высокочувствительные голографические измерители теплопроводности.
Разработаны методы и созданы установки лазерного зондирования атмосферы, в настоящее время входящие в лидарную систему стран СНГ и Евросоюза. Первый в СССР лазерный лидар был построен в Институте физики в 1965 г. В 1980-е гг. институт как головная организация участвовал в создании и организации работы сети лидарных станций мониторинга стратосферного аэрозоля, состоящей из станций в Минске, Обнинске, на озере Иссык-Куль, в Польше и на Кубе.

Изучены оптические и генерационные свойства многих полупроводниковых монокристаллов и квантовых гетероструктур, созданы образцы ряда полупроводниковых лазеров на их основе. Начало исследованиям этого направления было положено в 1966 г. созданием первого в Беларуси инжекционного лазера.
Установлены многие закономерности действия мощного лазерного излучения на спектры поглощения, испускания и рассеяния света атомами и молекулами. В частности, в 1963 г. предсказано расщепление на три компоненты спектров испускания и поглощения двухуровневых систем в поле мощного высокомонохроматичного излучения. В 1974 г. этот триплет наблюдался экспериментально, был объяснен на основе соотношений, полученных Моллоу в 1968 г., и в научной литературе именуется триплетом Моллоу.

Разработана теория анизотропных оптических волноводов, включая планарные и с неоднородным наполнением.

Установлены закономерности отражения света от усиливающих и нелинейных сред, открыто явление гистерезиса при таком отражении.
Обстоятельно изучены закономерности развития вынужденного комбинационного рассеяния в различных условиях и средах. На этой основе созданы методы и системы ВКР-преобразования лазерного излучения в различных временных режимах от непрерывного до фемтосекундного.

Проведено многогранное исследование нелинейно-оптических явлений и создание на этой основе новых высокоэффективных источников лазерного излучения в широком диапазоне длин волн (190—8100 нм).
Выполнен крупный цикл теоретических и экспериментальных исследований по проблемам лазерного гироскопа, что внесло существенный вклад в решение этой проблемы в СССР.

Изучены поляризационные характеристики вынужденного испускания растворов и генерации газовых лазеров с анизотропными элементами, развиты принципы поляризационной лазерной спектроскопии.
Разработан ряд новых материалов, эффективных для создания активных сред и пассивных затворов твердотельных лазеров.

Развиты новые методы нелинейной и лазерной спектроскопии, созданы уникальные спектрометры (пико- и фемтосекундные, когерентного антистоксового рассеяния, внутрирезонаторные и др.), позволяющие измерять параметры лазерных и нелинейно-оптических сред с высокими чувствительностью, спектральным и временным разрешением. С их помощью изучены также многие процессы энергообмена и взаимодействия в сложных молекулярных структурах, включая биологически важные, в плазменных образованиях, активированных кристаллах и т.п.
Новые направления получила теория непрерывных квантовых измерений, сжатых состояний и квантовых флуктуаций; предложены оригинальные способы квантовой криптографии и обработки информации.
Сотрудниками Института физики и ряда медицинских учреждений республики выполнен большой комплекс исследований по изучению терапевтического и биостимулирующего действия лазерного излучения различных длин волн и интенсивностей. На этой основе разработана и выпущена фирмой «Люзар» целая серия терапевтических лазерных установок, используемых для лечения желтухи у новорожденных, кожных, внутриполостных и других заболеваний во всех клиниках и больницах республики.

Белорусскими физиками и медиками совместно с российскими и украинскими коллегами выполнены глубокие исследования действия лазерного излучения на биоструктуры, включая ткани глаза. Полученные результаты легли в основу разработки ряда аппаратов для лечения глазных заболеваний и использованы при создании норм безопасности при работе с лазерами, принятых в СССР незадолго до его распада.

Приведенный перечень результатов в области лазерной физики убедительно свидетельствует о значительности вклада белорусских физиков и других специалистов в развитие этого весьма важного в инновационном плане направления. Накопленный ранее потенциал развивается и сравнительно эффективно работает в современных условиях, а проводимые в нашей стране исследования, научно-технические разработки и производство лазерной техники соответствуют мировому уровню.

Литература

Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974.
Квантовая электроника - маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969.
Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.
Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981.
Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.
Фёдоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ,1988.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: «Академический Проект», 2000
Кудрявцев П.С. Курс истории физики: Учеб. пособие для студентов пед. институтов по физ. спец. – М.: Просвещение, 1982
http: //ifanbel.bas-net.by/;
http://www.itmo.by/;
http://fotek/by/.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

ЛАЗЕР КАК ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ