волокон. После получения гранта Н. Капани стал его ассистентом.

1953 г. Журнал "Nature" опубликовал статью Хопкинса и Капани об укладывании волокон в пучок для передачи изображения. Капани первый получил оптическое изображение без искажений с помощью жгута из регулярно уложенных стеклянных оптических волокон диаметром 50 мкм без оболочки.

1956 г. Капани впервые предложил термин "волоконная оптика".

1957 г. Первый эндоскоп с использованием оптических волокон протестирован на пациенте.

1957 г. Первые в мире исследования возможности создания линий связи на основе оптических диэлектрических волноводов - волоконных световодов - были начаты в

СССР в 1957 г. О.Ф. Косминским, В.Н. Кузмичевым (специалисты по технике связи) и А.Г. Власовым, A.М. Ермолаевым, Д.М. Круп и другими (специалисты по оптике) [3].

1958 г. Советские исследователи B.В. Варгин и Т.И. Вейнберг показали, что «светопоглощение» стекол обусловливается примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и продуктами разъедания огнеупоров; экспериментально продемонстрировали, что поглощение идеально чистого стекла чрезвычайно мало. B.В. Варгин и Т.И. Вейнберг показали возможность дальнейшего существенного уменьшения ослабления света в стеклах с использованием значительно более чистых исходных химических компонентов для создания стекол [3].

1960 г. Теодор Мейман продемонстрировал первый лазер.

1960 г. Али Джаван продемонстрировал первый гелий-неоновый лазер в лаборатории Белл.

1961 г. Э. Снитцер опубликовал теоретическое описание распространения света в одномодовых волокнах, а также получил оптические волокна из стекол с добавкой неодима и исследовал их использование в качестве усилителей света.

52

1962 г. Четыре группы исследователей одновременно создали первый полупроводниковый лазерный диод, работающий при азотных температурах. Первой была группа Роберта Холла.

1966 г. Чарльз Као и Чарльз Хокхэм опубликовали статью о том, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они также указали путь создания пригодных для телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле. Таким образом, они подтвердили выводы советских ученых В.В. Варгина и Т.И. Вейнберга, которые были опубликованы в 1961 г.

1966 г. Вышла статья советского ученого Веселаго В.Г., посвященная электродинамике сред, обладающих одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостью.

1967 г. С. Каваками из Токио предложил градиентное оптическое волокно.

1970 г. В лаборатории Жореса Алферова в Физическом Институте Иоффе в Санкт-Петербурге создан первый лазерный диод на двойной гетероструктуре, работающий при комнатной температуре.

1970 г. Маурер, Кек, Шульц и Зимар из фирмы Corning создали оптическое волокно с малыми потерями 17 дБ/км.

1973 г. Время работы полупроводниковых лазерных диодов достигло 1000 часов.

1975 г. Построена первая не экспериментальная линия связи в Дорсете.

1976 г. Время работы полупроводниковых лазерных диодов достигло 100 000 часов.

1976 г. Открыто третье окно прозрачности на 1550 нм.

1977 г. Лаборатория Белл объявила об экстраполируемом времени работы полупроводниковых лазеров при комнатной температуре в 1 000 000 часов (100 лет).

53

1978 г. NTT Ibaraki lab создали одномодовое оптическое волокно с рекордным затуханием в 0.2 дБ/км на длине волны 1550 нм.

1982 г. Постепенный переход с градиентного волокна на одномодовое.

1984 г. British Telecom проложила первый подводный оптический кабель для коммерческой связи.

1986 г. Первый подводный оптический кабель прошел по дну Ла-Манша.

1993 г. Наказава послал солитонный сигнал по оптическому волокну на расстояние 180 миллионов километров, продемонстрировав солитонное распространения на неограниченные расстояния.

1999 г. Д. Смит и Дж. Шульц экспериментально продемонстрировали для СВЧ диапазона искусственные среды, обладающие одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостью.

5.3 История создания лазера

Рассмотрим историю создания оптического квантового генератора – лазера, который используется в современной фотонике и оптоинформатике как источник излучения для волоконно-оптической связи, как устройство записи и считывания информации, для лазерной резки и длямногих других применений. Первые попытки получения лазерного излучения датируются 1928 годом, хотя он так и не был построен до 50-х годов XX века.

В 1955 году советскими физиками Н. Басовым и А. Прохоровым был разработан т.н. квантовый генератор, которое представляло собой оптический усилитель в среде аммиака. Данное изобретение подтолкнуло на разработку лазер американских ученных Ч. Таунса и А. Шавлова. В тоже время с ними начал работу А. Прохоров. В 1958-м году А. Прохорову удалось получить первые результаты. Он использовал резонатор Фабри-Перо, которое представляет собой два

54

плоскопараллельных зеркала одно из которых полупрозрачное,

адругое непрозрачное.

В1960-м году на основании разработок Басова, Прохорова и Таунса американцем Т. Мейману был получен опытный образец лазера, который был выполнен на основании рубина с волной накачки длиной 0.69 мкм, а работающий в ИКдиапазоне лазер, который был выполнен на фториде кальция всего через полгода заработал в компании IBM.

Всвою очередь каноническая версия версия истории изобретения лазера берѐт свое начало с 1916 года, когда Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein) была создана теория взаимодействия излучения с веществом, из которой в свою очередь вытекала принципиальная возможность создания генераторов ЭМ-полей и квантовых усилителей.

5.3.1 Как работает лазер

Физики долгое время считали, что проникающие в материальную среду фотоны могут взаимодействовать с электронными оболочками атомов и молекул только двум путями:

1.Поглощаются и переводят частицы среды на более высокий энергетический уровень;

2.Испускаются с одновременной потерей частицами

части своей энергии;

Но в своей статье «Квантовая теория» Эйнштейн сказал, что есть ещѐ одна возможность. Допустим, то частица вещества находиться в возбужденном состоянии с энергией Е2, тогда если она встретиться с фотоном с энергией Е2-Е1, где Е1 – энергия «нижележащего» состояния этой частицы, частица излучит фотон, который при этом будет тождественно равен породившим его фотону, т.е. энергия, направление движения, фаза и поляризация у них полностью идентичны, при этом частица испустившая фотон перейдѐт в состояние Е1. В 1924г. американский физик Джон ван Флек (John van Vleck) назвал данный тип излучения вынужденным.

55

Способы получения вынужденного излучения заметной интенсивности не сложны. Один из них состоит в том чтобы изготовить среду, содержащую на верхнем уровне Е2 большее количество частиц, чем на нижнем. При выполнении этого условия у фотона с энергией Е2-Е1 влетевшего в среду шансов запустить процесс генерации больше, нежели поглотиться. Среды отвечающие данному условию называются инверсными. Данные среды получают искусственно различными методами, которые в свою очередь требуют затрат энергии.

Инверсная среда может быть источником излучения, но как правило она не интересна с физической точки зрения, т.к. она лишь самопроизвольно, или как говорят физики спонтанно, излучает фотоны с одинаковой энергией по всем направлениям (монохроматический свет). Такую картину модно увидеть на Марсе – вынужденное излучение молекул двуокиси углерода равномерно рассеиваются по всем направлениям.

Ситуация полностью меняется, если излучение извлечѐнное из инверсной среды будет сконцентрирована в узком пучке. Самый простой способ получить сконцентрированный пучок – это поместить среду в трубку между двух параллельных зеркал, которые перпендикулярны к оси трубки. Так как самопроизвольное (спонтанное) излучение распространяется во все стороны, часть фотонов направится вдоль оси трубки, где будут многократно отражены от зеркал, параллельно порождая свои копии. В итоге пространство между зеркалами будет заполнено одинаковыми фотонами, которые направлены вдоль оси трубки. Пока воздействие на среду будет поддерживать инверсию, данное положение будет сохраняться. Если мы сделаем одно из зеркал полупрозрачным, то часть фотонов будет выходить наружу в виде непрерывного или импульсного, в зависимости от того как мы будем осуществлять инверсию, излучения, при этом фотоны в излучении будут идентичны. Подобный тип излучения называется когерентным. В идеальном случае все когерентные фотоны должны двигаться параллельно, но в реальном случае луч все же будет незначительно расходиться. Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного светового излучения.

56

В итоге мы имеем, что для работы лазера нам понадобится три основных компонента:

1.Оптическая среда, которая способна пропускать и излучать фотоны;

2.Физический механизм, который приведет среду в состояние инверсии (данный процесс получил название накачка);

3.Устройство для селекции и усиления идентичных

фотонов (оптический резонатор), в данном случае это два параллельных зеркала;

Первая попытка экспериментального обнаружения индуцированного излучения была проведена в 1928 году Ланденбургом, когда он изучал дисперсию света. Он сформулировал необходимое условие для обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), при этом отметив, то для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

Возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населѐнностей для усиления электромагнитного излучения была предсказана в 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой.

5.3.2 Вклад Валентина Фабриканта

Валентин Александрович Фабрикант (9 октября 1907 — 3 марта 1991) — выдающийся советский физик, доктор физикоматематических наук, профессор, действительный член Академии педагогических наук СССР, лауреат Сталинской премии второй степени.

В. А. Фабрикант сформулировал принцип усиления ЭМизлучения при прохождении через среду с инверсной населѐнностью, 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.

57

В. А. Фабрикант работал над вопросом оптики газового разряда с 1932 года, а в 1938 году предложил метод прямого экспериментального доказательства существования вынужденного излучения. Он был первым, кто обратил внимание на возможность создания среды усиливающей излучение, проходящее через неѐ (так называемая

отрицательная абсорбация).

В 1939 году В. А. Фабрикант в Физическом институте им. П. Н. Лебедева защитил докторскую диссертацию, которая была посвящена исследованию оптических характеристик газового разряда.

Также он занимался работой по созданию люминесцентных источников света и в 1951 году был удостоен звания Сталинской премии второй степени совместно с С. И. Вавиловым, В. Л. Левшиным, Ф. А. Бутаевой, М. А. Константиновой-Шлезингер, В. И. Долгополовым за разработку люминесцентных ламп. Помимо этого Фабрикант продолжал заниматься исследованиями по отрицательной абсорбции вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой. В 1951 году ими была подана заявка на изобретение нового метода усиления света. В данном методе было показано, что при прохождении света через среду с инверсией его интенсивность возрастает по экспоненциальному закону. Данный принцип был применим к УФ-, ИК- и радиодиапазон, но к сожалению авторское свидетельство было выдано только в 1959 году, а в 1964 году – диплом об открытии № 12 с приоритетом от 1951 года «На способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания».

Так впервые в мире и была дана чѐткая формулировка квантового способа усиления электромагнитных волн в средах, находящихся в неравновесном состоянии, изложена теория квантового усиления, сформулирован закон усиления в средах с отрицательным коэффициентом усиления.

Явление усиления электромагнитных волн и способ их усиления лежат в основе действия всех квантовых усилителей и

58

генераторов, которые десять лет спустя были названы американскими физиками мазерами и лазерами, и являются основой квантовой электроники.

За выдающиеся работы по оптике газового разряда Фабриканту В. А. в 1961 году была присуждена золотая медаль имени С. И. Вавилова.

5.4 Басов, Прохоров и Таунс

Явление усиления электромагнитных волн в специально созданной усиливающей среде лежит в основе действия всех квантовых усилителей и генераторов, которые получили название мазеров и лазеров (мазеры – квантовые генераторы для СВЧ диапазона (microwave), а лазеры – для оптического (light))/ В настоящее время лазеры и являются основой квантовой электроники.

Впервой половине 50-х годов прошлого века появился предшественник лазера - мазер, работавший на аммиаке, квантовый генератор для СВЧ (микроволнового) излучения, который был практически одновременно изобретен и построен в Нью-Йорке и в Москве. В США эту работу выполнили профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс (Charles Townes) с ассистентами Джеймсом Гордоном (James Gordon) и Гербертом Цайгером (Herbert Zeiger), в СССР - научные сотрудники ФИАН Александр Прохоров и Николай Басов. Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс были удостоены в 1964 году Нобелевской премии по физике за создание лазеров. Формулировка Нобелевской премии гласила: "За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе.

В1958 г. Таунс вместе с канадцем Артуром Шавловым (Arthur Schawlow) и независимо от них Прохоров дали теоретическое обоснование конструкции квантового генератора светового излучения, который тогда назывался не лазером, а оптическим мазером. В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes Теодор Мейман

59

(Theodore Maiman) запустил первый в мире лазер на искусственном рубине. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson) (этот прибор действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел). Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald Herriotte)

продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни. После этого ученые - физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию лазеров для всевозможных применений, которая идет и по сей день [4].

Созданию лазеров предшествовала большая работа, которую проводили ученые из разных стран, изучая законы и создавая усиливающие среды, которые впоследствии легли в основу создания оптических квантовых генераторов. В 50-е годы мазерами и лазерами плодотворно занимались физики, которые внесли весомый вклад в развитие представлений об усилении света, но по каким-либо причинам впоследствии сменившие поле своей научной деятельности.

5.5 Какие ученые внесли вклад в создание лазера

Путь к квантовым генераторам когерентного излучения был очень долог и занял несколько десятилетий. Так в 1924 году американец Ричард Толман (Richard Tolman) догадался, что теория Эйнштейна указывает на то, что имеется возможность усилить интенсивность ЭМ-излучения. Через несколько лет немецкие физики Рудольф Ладенбург (Rudolph Ladenburg) и Ганс Копферманн (Hans Kopfermann) получили косвенные доказательства того, что среды с инверсией населенностей могут существовать. В 1934 г. американцы Клод Клитон (Claude Cleaton) и Нейл Уильямс (Neil Williams) фактически наблюдали инверсию молекул аммиака, которая и была положена в основу

60