Тема 1 лазер как оптический прибор квантовой электроники 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.

_______________________________________________________________