История и методология фотоники и оптоинформатики. Учебное пособие

конструкции первых мазеров. В конце 30-х годов профессор Всесоюзного электротехнического института Валентин Фабрикант выполнил серьезный теоретический анализ методов достижения инверсии в газовом разряде, а в 1947 г. американцы Виллис Лэмб (Willis Lamb) и Роберт Резерфорд (Robert Retherford) сумели добиться усиления ЭМ-волн, которые испускали молекулы водорода, при помощи вынужденного излучения. Все эти результаты совместно с другими сумели раскрыть возможности, которые были предсказаны ещѐ теорией Эйнштейна, но к сожалению дело до конца первой половины XX века так и не сумело продвинуться [4].

Чарльз Таунс вспоминал, что концепция мазера пришла ему в голову 26 апреля 1951 г., когда он был в Вашингтоне на конференции, которая была посвящена обсуждению новых методов генерации волн миллиметрового диапазона для радиолокаторов. В то время клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, которые уже использовались в роли источников сантиметрового излучения, не слишком хорошо отвечали намеченной цели. И в ходе размышлений над поиском нестандартного пути решения данной задачи натолкнула Таунса на идею прибора, который в последующем стал называться мазер.

Примерно в тоже время такое же озарение пришло и к профессору электротехники Мэрилендского университета Джозефу Веберу (Joseph Weber), который в ходе работы над докторской диссертацией по физике, в которой он применял электромагнитные волны СВЧ-диапазона для инверсии газообразного аммиака, глубоко изучил теорию Эйншейна. Вебер в ходе изучения пришел к выводу, что можно усилить интенсивность излучения, используя инверсию.

Джозеф Вебер (англ. Joseph Weber; 17 мая 1919 — 30

сентября 2000) — американский физик. Он дал первую известную публичную лекцию о принципах работы мазеров и лазеров, а также является пионером в попытках детектирования гравитационных волн.

Летом в 1952 году Вебер на научной конференции в Оттаве (Ottawa) изложил свои соображения, а через год

61

обнародовал их в статье. Эта статья стала первой открытой публикацией на данную тему. В статье было показано, как можно построить усилитель микроволнового излучения, использующий термодинамически неравновесный аммиак в качестве инверсной среды, но он не подумал о том, что замкнутая металлическая полость (объемный резонатор) превращает этот усилитель в генератор, что именно и сделали Прохоров с Басовым и группа Таунса. Помимо этого у Вебера отсутствовал резонатор, поэтому расчетное значение коэффициента усиление прибора было очень мало, из-за чего Вебер решил, что практического значения данная конструкция не имеет. Вскоре он увлекся общей теорией относительности и конструированием первых в мире детекторов гравитационного излучения, что принесло ему в начале 70-х годов мировую известность. Но тем не менее Вебера можно назвать одним из первоизобретателей квантовых усилителей излучения.

Первым о том, что замкнутая полость не пригодна для генерации вынужденного околосветового и светового излучения с длинами волн порядка микрона и долей микрона догадался Роберт Дике (Robert Dicke). Так в 1956 г. он подал патентную заявку на аппарат для генерации когерентного инфракрасного света, содержащий газообразную активную среду, обрамленную полупрозрачными зеркалами (открытый зеркальный резонатор), но Дике в своей заявке не уточнил, что газ необходимо перевести в термодинамически неравновесное инвертированное состояние.

Дике даже сделал больше, он с помощью своего студента Брюса Хокинса (Bruce Hawkins) разработал один из способов получения инверсной среды, а именно облучение ее светом нужного спектра и поляризации. В дальнейшем именно данный способ (метод оптической накачки) и был применѐн создателем первого лазера Мейман. Также данный способ одновременно и независемо от Дике в 1952-53 годах разработали Альфред Кастлер [Alfred Kastler] с коллегами во Франции. У Дике, который был сильным теоретиком и практиком, были все шансы первым построить лазер, но в середине 50-х он занялся всерьез гравитацией и моделями Вселенной. В данном направлении он

62

получил исключительно важные для космологии результаты (в частности, переоткрыл давно забытую теорию реликтового микроволнового излучения) и ушел из квантовой микроэлектроники [12]..

Роберт Дикке окончил Принстонский университет и получил степень доктора философии (PhD) по ядерной физике в 1939 в университете Рочестера. Во время Второй мировой войны он работал в МТИ в Лаборатории излучений, в которой участвовал в разработке радаров, а также изобрел радиометр Дикке – приѐмник микроволн. При помощи данного изобретения Дикке при измерениях с крыши лаборатории впервые нашѐл верхний предел уровня электромагнитных шумов в этом диапазоне: менее 20 Кельвин эффективной температуры.

В 1946 году Дикке возвращается в Принстон, где и работал до конца своей карьеры. Сначала Дикке работал в области атомной физики, в частности, в 1953 году изучал оптическую накачку параллельно и независимо от А. Кастлера. В 1954 году Дикке предсказал явление сверхизлучения в системе сильно связанных возбуждѐнных дипольных излучателей. В 1958 году независимо от А. М. Прохорова и А. Шавлова предложил открытый резонатор для получения лазерного эффекта.

В электронике Роберт Дикке стал известен за изобретение синхронного усилителя, который широко применяется ныне, а также разработкой теории цепей с распределѐнными параметрами для высокочастотной электроники.

Еще один из ученых, проложивших тропу к открытию лазера, был переселившийся в США голландский физик Николаас Бломберген (Nicolaas Bloembergen). Он в 1956 г.,

когда он работал в Гарварде, опубликовал статью "Проект твердотельного мазера нового типа", где развил трехуровневую теорию возбуждения инверсной среды. Хотя впервые данная идея появилась в короткой заметке Басова и Прохорова, напечатанной зимой 1955 г. в ЖЭТФ, их схема не была никогда реализована. В свою очередь предложенный Бломбергеном

63

мазер испытали уже через несколько месяцев после публикации его статьи. В дальнейшем Бломберген выполнил ряд фундаментальных исследований по лазерной спектроскопии, за которые и был удостоен Нобелевской премии вместе с Шавловым в 1981 году.

Так в 50-е годы к разработке лазера и мазера приложили руку три талантливых физика, которые в дальнейшем прославились в других областях науки, но никому из них так и не удалось продумать идею лазера в целом, как это сделали Прохоров и Таунс с Шавловым. Но самое интересное то, что независимо от всех учѐнных, работавших над мазерами и лазерами, практически от начала и до конца лазер был изобретѐн никому не известным аспирантом Колумбийского университета, который потом тридцать лет добивался признания своего приоритета. О нем будет рассказано ниже.

Гордон Гулд (Gordon Gould) родился в 1920 г. В 1942-м он защитил магистерскую диссертацию по физике в Йельском университете, где в дальнеѐшем преподавал пару лет. После 1945 года, прослужив четыре года в частной фирме, он поступил в аспирантуру физического факультета Колумбийского университета, где его научным руководителем был будущий Нобелевский лауреат Поликарп Куш. Он предложил Гулду заняться спектроскопией метастабильных атомов таллия.

Чтобы изготовить такие атомы Гулд применил совершенно новый для тех времен метод оптической накачки. В ходе изготовления атомов до него дошла мысль о том, что этим же путѐм можно создать и инверсные среды. Эта идея вызревала у него достаточно долго и в начале ноября 1957 г. Гулд понял, что для получения видимого когерентного света необходимо подвергнуть оптической накачке атомарный или молекулярный газ, который заключен в трубку с зеркалами на концах, причем чтобы вывести свет необходимо одно из зеркал сделать полупрозрачным. За год до того как Гулд это понял данная мысль пришла и к Дике, но так как Дике так и ничего не опубликовал Гулду это не было известно. После этого Гулд, объединив идею оптической накачки с идеей оптического резонатора, сконструировал уже в мыслях настоящий лазер. Но

64

всвязи с тем, что Гулду было уже 37 лет, он все еще числился аспирантом и мог опасаться, что физическое сообщество не поторопятся признать его революционное открытие, хотя интересы научной карьеры требовали немедленно написать статью и послать ее в первоклассный журнал. Так как Гулд с юности был склонен к изобретательству, он чувствовал, что данная дорога предоставит ему наибольшее количество шансов, поэтому он не торопился публиковать свое открытие, и решил добиваться патента. Так он заполнил девять блокнотных страниц расчетами, с объяснениями и рисунками, после чего в 13 ноября засвидетельствовал их у нотариуса. Данное изобретение от Гулда получило название лазер. В блокноте Гулд также указал и список возможностей использования своего изобретения и был полностью прав.

На следующий год Гулд придумал, записал и заверил еще несколько лазерных изобретений - в частности, метод накачки газообразной среды электрическими разрядами. Однако

всвязи с тем, что он думал, что для получения патента необходимо предоставить не только описание изобретения, но и рабочий прототип (данное правило было отменено в 1880 году, но при этом для вечного двигателя прототип все равно требуется), обратился он в бюро только в апреле 1959 году. Поскольку Гулд не знал, что правило было отменено в 1959 году, у него уже были серьезные конкуренты. Так в конце зимы 1958 г. Артур Шавлов пришел к идее зеркального резонатора; в июле он и Таунс подали заявку на новый прибор, а в марте 1960-го получили патент. А Гулд тем временем покинул аспирантуру для того чтобы работать в фирме TRG, которая решила заняться использованием лазеров для наведения ракет. Под данный проект Министерством обороны было выделено почти миллион долларов, но Гулд не смог принять в данном проекте участие, т.к. ему отказали в восстановлении допуска. Через четыре года Гулд получил место преподавателя физики в Бруклинском политехническом институте, после чего стал вицепрезидентом небольшой компании, разрабатывавшей оптоволоконные приборы и в 1985 г. ушел на пенсию [12]..

65

После того как Гулд покончил с лазерным изобретательством, он полностью отдался борьбе за утверждение своих патентов. Данная битва продолжалась почти три десятилетия. Вначале он все время проигрывал, но в 1977 году Бюро патентов признало его приоритет в разработке метода оптической накачки, но так как конкуренты незамедлительно подали апелляцию, дело до получения патента так и не дошло. После этого заявка Гулда несколько раз подвергалась экспертизам и в сентябре 1986 года было окончательно утверждена.

После этой победы в 1979 году Гулду были выданы патенты на лазерную резку, на применение лазеров в фотокопировальных машинах и на лазерный поджог термоядерных реакций. Самое интересное то, что Гулд догадался о такой возможности еще в 1957 году, когда перспективы управляемого термояда связывались исключительно с магнитным удержанием плазмы. Хотя принято считать, что применение лазерного излучения для нагрева плазмы до термоядерных температур впервые предложили Басов и еще один будущий академик, Олег Крохин в 1962 году, видно, что Гулд все равно их опередил. В 1987 г. был получен патент на создание инверсных сред с помощью газовых разрядов, а еще через год - патент на метод снижения поглощения света с помощью закона Брюстера. Единственное, что не удалось добиться Гулду так это признание за ним изобретение зеркального резонатора.

5.6 Александр Михайлович Прохоров

премии по физике 1964 г. «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе». Посмотрим, каким образом они пришли к своему открытию.

66

Рис. 1 Александр Михайлович Прохоров

А.М. Прохоров родился в 1916 году в Австралии, в городе Аттертон. Его отец был русский рабочий, революционер, который бежал от преследований царского режима. В 1923 году его семья вернулась в Россию, а в 1930-м году переселилась в Ленинград. После окончания школы-семилетки Прохоров был принят без вступительных экзаменов на рабфак при Ленинградском электротехническом институте имени УльяноваЛенина.

С ранних лет Прохоров любил решать задачи по физике и математике, а в университете очень много времени уделял лабораторным приборам и оборудованию. Увлекался радиотехникой и собирал приемники, читал различные

67

журналы, в том числе журнал «Радио», однако кружки он не посещал.

В1939 году Прохоров с отличием окончил физический факультет Ленинградского государственного университета и поступил в аспирантуру ФИАНа. В университете Александру Михайловичу предложили место ассистента, однако он выбрал аспирантуру в Москве, в Физическом Институте Академии Наук имени П. Н. Лебедева.

Ввоенные годы Прохоров служил под Тулой, разведчиком

вштабе армии, а потом на Северо-Западном фронте в 26-й курсантской отдельной стрелковой бригаде (принимал участие в уничтожении Демянской группировки).

Вмарте 1942 года Александр Михайлович был тяжело ранен. После лечения он был направлен в штаб Западного фронта, а после в Западный штаб партизанского движения. Вскоре Прохорова направили в 94-й гвардейский полк 30-й стрелковой дивизии Северо-Западного фронта. Там он занял должность помощника начальника штаба полка по разведке. 18 февраля 1943 года, во время одной из разведок, Александра Михайловича ранили осколком в левое бедро. Александр Михайлович Прохоров награжден медалью "За отвагу". После демобилизации Прохоров вновь смог вернуться к научной работе.

В1946 году Прохоров защищает кандидатскую диссертацию, которая посвящена теории нелинейных

колебаний. За эту работу он и два других физика были удостоены премии имени академика Леонида Мандельштама, знаменитого советского радиофизика. Перед защитой докторской диссертации выполнял обязанности ассистента на физико-техническом факультете МФТИ. Из-за человеческой простоты, энергичности и подвижности Прохорова часто принимали за рядового студента.

Какое то время Александр Михайлович занимался техникой со сверхвысокочастотным излучением, но потом решил переключиться на квантовые генераторы.

Научные труды Прохорова посвящены радиоспектроскопии, радиофизике, квантовой электронике и еѐ

68

приложениям, физике ускорителей, нелинейной оптике. В своих первых работах он исследовал распространение радиоволн вдоль земной поверхности и в ионосфере. В послевоенные годы Прохоров упорно начал заниматься разработкой методов стабилизации частоты радиогенераторов, что вскоре послужило основой его кандидатской диссертации. В 1951 году Александр Михайлович предложил новый режим генерации миллиметровых волн в синхротроне, смог установить их когерентный характер и исходя из результатов этой работы защитил докторскую диссертацию.

В мае 1952 года Прохоров и его аспирант Николай Геннадиевич Басов представили свой первый доклад на тему создания оптического квантового генератора, который впоследствии был назван лазером. В октябре 1954 года в свет вышла первая совместная статья Прохорова и Басова, посвященная этой теме. Спустя год Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров опубликовали статью, которая содержала описание трѐхуровневой схемы создания оптического квантового генератора.

В 1953 году, во время разработки квантовых стандартов частоты, Прохоров и Басов сформулировали основные принципы квантового усиления и генерации. На основании этого в 1954 году был создан первый квантовый генератор на аммиаке. В 1955 году они предложили трѐхуровневую схему создания инверсной населенности уровней, которая в итоге нашла широкое применение в мазерах и лазерах. Последующие годы были посвящены работе над парамагнитными усилителями со сверхвысокочастотным диапазоном излучения, в которых было принято решение использовать ряд активных кристаллов, схожих с рубином, подробное изучение свойств которого оказалось весьма полезным при создании рубинового лазера. В 1958 году Прохоров предложил использовать открытый резонатор при создании квантовых генераторов. В 1959 году Прохоров и Басов удостоились Нобелевской премии за основополагающую работу в области квантовой электроники, которая впоследствии привела к созданию лазера и мазера, а

69

через 5 лет, в 1964 году совместно с Ч. Х. Таунсом они были награждены Нобелевской премией по физике.

Начиная с 1960 года Прохоров создал несколько лазеров различного типа: в 1963 году лазер в основе которого легли двухквантовые переходы, целый ряд непрерывных лазеров и лазеров в инфракрасной области, а так же в 1966 году мощный газодинамический лазер. Он исследовал нелинейные эффекты, которые возникают при распространении лазерного излучения внутри вещества: многофокусная структура волновых пучков в нелинейной среде, распространение оптических солитонов в световодах, возбуждение и диссоциация молекул под действием инфракрасного излучения, лазерная генерация ультразвука, управление свойствами твѐрдого тела и лазерной плазмы при воздействии световыми пучками. Эти разработки нашли широкое применение как в промышленном производстве лазеров, так и для создания систем дальней космической связи, лазерного термоядерного синтеза, волоконно-оптических линий связи и многих других

С 1946 по 1982 год Прохоров работал в Физическом институте АН СССР, с 1954 года руководил Лабораторией колебаний, а с 1968 года являлся заместителем директора. В 1982 году он был назначен директором Института общей физики АН СССР, возглавляя его до 1998 года, а после был признан его почѐтным директором. В то же время Прохоров преподавал в МГУ (с 1959 года он занимал должность профессора) и МФТИ, где с 1971 года был заведующим кафедры.

В1960 году Прохоров был избран членомкорреспондентом АН СССР, а спустя год — академиком.

В1991 году Прохоров создал международный научный журнал, который назывался Laser Physics и до конца жизни был его главным редактором.

Одним из самых главных научных достижений Прохорова является создание лазера, которое находиться наряду с другими крупнейшими научными открытиями ХХ века.

Вчесть Александра Михайловича Прохорова в Австралии

установлена доска, на которой написано: «Александр

70