10.2.5.Изобретение лазера

Импульсом для качественного развития микроэлектрони-ки явилось изобретение лазера (lazer - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion - усиление света посредством вынужденной генерации излучения). Отечественный синоним лазера - оптический квантовый генератор (ОКГ). Это изобретение стало одним из крупнейших и революционных научных откры-тий второй половины ХХ в.

Теоретическое предсказание лазерно-мазерного эффекта было сделано в 1916 г. А. Эйнштейном, описавшим эффект вы-нужденного излучения электронов. Соотношения А. Эйнштейна показали, что создание сверхвысоких концентраций электронов на высоких энергетических уровнях может вызвать усиление ин-тенсивности световой волны, проходящей через вещество. Сле-довательно, такое состояние может привести к генерации моно-хроматического потока. Открытие было сделано теоретически и оставило много неразрешимых в те годы вопросов. В частности, каким именно образом должно быть возбуждено вещество. Поиск подходящего вещества и способов его возбуждения занял не один десяток лет. А. Эйнштейну принадлежит идея стимулированных переходов, которая лежит в основе действия лазера и мазера. Ученый сформулировал ее в 1917 г. и сделал вывод о распреде-лении плотности излучения в спектрах нагретых тел. Теория А. Эйнштейна положила начало исследованиям по созданию лазера.

С момента теоретического открытия А. Эйнштейном эф-фекта вынужденного излучения потребовалось более тридцати лет для подбора соответствующего материала и способов его воз-буждения. По мнению зарубежных и отечественных физиков, советский физик В. Фабрикант ближе других подошел к пониманию возможности усиления электромагнитного излучения при индуцирующем воздействии другого излучения. В 1940 г. во Все-союзном электротехническом институте он провел серию экспе-риментов для получения усиления в парах цезия и изложил ос-новы теории, базирующейся на квантовых принципах. Завеса секретности не позволила опубликовать в СССР результаты экс-периментов В.А. Фабриканта ранее 1959 г.

Теория А. Эйнштейна о возможности вынужденного из-лучения получила экспериментальное подтверждение в 1954 г. Советские физики А. Прохоров и Н. Басов в Физическом инсти-туте Академии наук СССР им. Лебедева (ФИАН) получили ла-зерно-мазерный эффект на молекулах аммиака. Этот эксперимент лег в основу первого квантового молекулярного генератора, на-званного мазером (mazer - Microweve Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion - усиление микроволн с помощью индуци-рованного излучения). Открытие было удостоено Ленинской пре-мии в 1959 г.

Излучение мазера было очень слабым и соответствовало сантиметровому радиодиапазону (λизл=1,24см). В том же году в США Ч. Таунс, Д. Гордон и Г. Зейгер создали квантовый генера-тор со сходными характеристиками. Возникло новое направление - квантовая электроника. В 1964 г. А. Прохорову и Н. Басову со-вместно с Ч. Таунсом была присуждена Нобелевская премия за "фундаментальные исследования в области квантовой электрони-ки, которые привели к созданию генераторов и усилителей ново-го типа - мазеров и лазеров". Физические принципы действия лазера и мазера сходны, различие состоит в рабочих длинах волн.

Первый лазерный эффект в твердом теле был получен Т. Мейманом. В качестве рабочего материала он выбрал рубин во-преки бытующему мнению о его низкой квантовой эффективности. Источником оптической накачки стали сверхъяркие газосветные лампы, применяемые в фотографии в качестве фото-вспышек. В мае 1960 г. он продемонстрировал первый в мире твердотельный лазер, работающий в импульсном режиме.

Теория и принципы создания генераторов для усиления световых волн (лазеров) были сформулированы в 1957-1960 гг. А. Прохоровым и Н. Басовым. Американские физики Ч. Таунс и А. Шавлов (Bell Labs, США) также опубликовали в 1958 г. фундаментальную работу в области инфракрасных лазеров, где описали принцип газового лазера на парах щелочи. Осенью 1961 г. ведущий научный центр Bell Labs сообщил о создании А. Джаваном, В. Бенетом и Д. Эрриотом опытного образца газового лазера, работающего в непрерывном режиме на смеси гелия и неона. В ближайшее время был получен лазерный эффект на парах цезия и продемонстрирована возможность построения лазера на различных химических элементах и соединениях. Квантовая электроника стала не только научным, но и перспективным техническим направлением.

Идея создания полупроводникового лазера относится к 1957 - 1959 гг. В 1961 г. она была описана американским физи-ком Р. Холлом. Однако обнаружилось, что изученные к тому времени полупроводники - кремний и германий - почти не обла-дали способностью излучать свет. Развитие полупроводниковых лазеров с самого начала было связано с созданием сложных мно-гокомпонентных полупроводниковых материалов, не сущест-вующих в природе, а синтезируемых искусственно. Вначале это были двойные и тройные соединения и растворы, затем число компонентов возросло до четырех и более. Подбор подходящего полупроводника продолжался, и в конце 1962 г. почти одновре-менно в США и СССР были созданы первые полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs).

Разработка полупроводникового лазера ознаменовала но-вое направление в науке. Но скоро выяснилось, что его примене-ние в технике ограничено. Лазер работал только при температуре жидкого азота (~70 К) и в импульсном режиме. По степени моно-хроматичности (Δλ/λизл ≈ 0,005) полупроводниковый лазер всего лишь в 10÷20 раз превосходил светодиод, но в десятки тысяч раз уступал газовому лазеру. По угловой расходимости генерируемо-го луча (≈30˚) он напоминал оптически усовершенствованный светодиод. Кристаллы выходили из строя через несколько часов из-за высокой плотности рабочего тока. Поэтому широкое промышленное применение арсенидо-галлиевые лазеры получили только к 1970-м гг., когда были решены основные технологиче-ские проблемы производства и повышена надежность лазеров. Усовершенствовались характеристики полупроводниковых ин-жекционных лазеров и расширилась сфера их применения. В том числе, эксперименты по применению полупроводниковых лазеров проводились в области волоконно-оптической связи.

Открытие лазера дало стимул к развитию многих облас-тей науки и техники. Благодаря этому, например, в 1963 г. стала возможной первая практическая демонстрация голографии, принципы которой были описаны Д. Габором еще в 1949 г. Открытие Д. Габора вызвало интерес в научных кругах. Но из-за отсутствия в 1950-е гг. стабильных источников когерентного из-лучения, голография не получила тогда практического примене-ния. Создание полупроводникового лазера обеспечило в даль-нейшем широчайшее применение голографии в различных отрас-лях промышленности. Например, в машиностроении голография использовалась для контроля качества изделий сложной формы, в медицине - для воспроизведения объемных изображений внутренних органов человека. Стало возможным создавать библиотеки любых объемных изображений, которые используются в воен-ных целях, криминалистике, банковском деле, изобразительном искусстве.

Изобретение лазера породило новое перспективное направление в физике - нелинейную оптику и привело к возникно-вению новых технологий с уникальными возможностями, без которых немыслима современная цивилизация.