История и методология фотоники и оптоинформатики. Учебное пособие

Михайлович Прохоров — соизобретатель мазера, предвестника лазера, Нобелевский лауреат по физике 1964 года, родился в Атертоне 11 июля 1916 года».

5.7 Николай Геннадиевич Басов

Рис. 2 Николай Геннадиевич Басов – советский физик, внесший огромный вклад в изучение лазерной физики

Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря в 1922 году в городе Усмани Воронежской губернии в семье Геннадия Федоровича Басова, который был профессором Воронежского государственного университета.

По окончанию школы Н. Г. Басов отправился на фронт. Вплоть до 1945 года он находился в рядах действующей армии. После демобилизации в 1946 году Басов стал студентом Московского механического института боеприпасов (ныне

71

Московский инженерно-физический институт). Обучаясь в институте, с 1948 года он приступил к работе в лаборатории колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева. В 1950 году Н. Г. Басов был принят в аспирантуру и в 1953 году защитил кандидатскую диссертацию по теме: "Определение ядерных моментов радиоспектроскопическим методом".

В1959 году Басовым и Прохоровым было предложено создавать в полупроводниках инверсную заселенность в импульсном электрическом поле. Ими было обосновано создание оптических квантовых генераторов – лазеров с оптической накачкой, инжекционных лазеров и с электронным возбуждением. Инжекционные лазеры были созданы в 1962 году как в СССР (в ФИАНе) так и в США, а в 1964 году в лаборатории Басова была достигнута генерация при возбуждении сульфида кадмия электронным пучком. В конце 1960-х годов в его лаборатории создавались мощные оптические лазеры на рубине и неодимовом стекле, а также мощный фотодиссоционный лазер на парах йода. В 1968 году в ходе эксперимента при облучении лазерных мишеней были получены нейтроны. Это сыграло большую роль в дальнейших работах связанных с лазерным термоядерным синтезом. В 1971 году в ФИАНе была разработана первая «технологическая» лазерная установка на неодимовом стекле, которая была предназначена для сжатия лазерных мишеней.

Всвоих работах Басов много времени уделял твердотельным квантовым генераторам, однако он также придавал большое значение и газовым лазерам. В 1962 году в его лаборатории впервые была создана генерация, состоящая из смеси гелия с неоном; чуть позже начали проводиться исследования, главной задачей которых было создание высокоточных стандартов частоты. В 1963 году Басов вместе с А.Н.Ораевским научно обосновал получение инверсной заселенности при тепловой накачке, а в середине 1960-х годов в его лаборатории проводились исследования, связанные с созданием химических хлор-водородных и фтор-водородных

лазеров. В конце 1960-х годов в лаборатории Басова

72

проводились исследования импульсных фотодиссоционных лазеров, а в 1970 году был создан первый эксимерный лазер. В 1973 году Басов стал директором ФИАНа и занимал эту должность до 1992 года. В 1990 году Басов был награжден Золотой медалью им. М.В.Ломоносова Академии наук СССР.

В 60-е гг. Н.Г. Басов проводил большое количество исследований связанных с лазерными стандартами частоты. Благодаря работам Николая Геннадиевича и его учеников точность измерения частоты и длины волны атомных и молекулярных переходов была повышена в несколько раз.

Проблема создания мощных лазеров была на тот момент для лазерной физики одной из важнейших. Это подталкивает Басова в 1962 году организовать, а позже и возглавить обширный ряд исследований, в результате которых были получены новые виды мощных лазеров - фотодиссоционные, эксимерные, электроионизационные, химические.

В 1982 году по предложению Басова в ФИАНе была открыта Межведомственная лаборатория посвященная применению лазеров в хирургии. В настоящее время при помощи лазеров успешно проводятся операции на сердце.

5.8 Молекулярный генератор Басова и Прохорова

Молекулярный генератор, который создали Басов и Прохоров, был предтечей лазера. Это устройство, в котором когерентные электромагнитные колебания генерируются за счѐт вынужденных квантовых переходов молекул из исходного энергетического состояния с большей энергией в состояние с меньшей внутренней энергией. Молекулярный генератор — первый квантовый генератор, созданный в 1954 Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом, Дж. Гордоном и Х. Цейгером. Оба варианта этого молекулярного генератора работали на молекулах аммиака NH3 и генерировали электромагнитные колебания с частотой 24840 МГц, что соответствовало СВЧ-диапазону с длиной волны 1,24 см.

Для возбуждения генерации когерентных колебаний необходимо выполнение двух основных условий: в объѐме

73

полости резонатора количество частиц в исходном состоянии должно быть больше, чем в состоянии с меньшей энергией, то есть должна быть создана инверсия населенностей. Также должна быть обеспечена обратная связь между частицами, излучающими в различные моменты времени (так называемая положительная обратная связь). В молекулярном генераторе создание инверсии населенностей производится электростатической сортировкой пучка молекул. Обратная связь в молекулярном генераторе осуществляется при помощи объѐмного резонатора, настроенного на частоту, равную частоте излучения, которое сопровождает переход молекул из верхнего энергетического состояния в нижнее. Пучок молекул формируется при вылете молекул из источника в вакуум через узкие отверстия или капилляры.

Электростатическое разделение молекул (сортировка) по энергетическим состояниям в молекулярном генераторе основана на том принципе, что молекулы, обладающие электрическим дипольным моментом (например, молекулы NH3), пролетая через неоднородное электрическое поле, из-за эффекта Штарка отклоняются этим полем от прямолинейного направления по-разному в зависимости от энергии. В первом молекулярном генераторе сортирующая система представляла собой квадрупольный конденсатор, состоящий из четырех параллельных стержней специальной формы, соединѐнных попарно с высоковольтным выпрямителем. Электрическое поле такого конденсатора было сильно неоднородным, что вызывало искривление траекторий молекул NH3, летящих вдоль его оси. Свойства молекул NH3 таковы, что те из них, которые находятся в верхнем из используемой пары энергетических состояний, отклоняются к оси конденсатора и попадают внутрь объѐмного резонатора. Молекулы, находящиеся в нижнем состоянии, отбрасываются в стороны и не попадают в резонатор. Таким образом, отсортированный пучок, который попал внутрь объемного резонатора, содержит молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии. Попадая внутрь резонатора, такие молекулы создают вынужденное излучение под воздействием электромагнитного поля резонатора. Излученные

74

фотоны остаются внутри резонатора, усиливая его поле и увеличивая вероятность вынужденного излучения для молекул, пролетающих позже. Если интенсивность пучка активных молекул такова, что вероятность вынужденного излучения фотона больше, чем вероятности поглощения фотона в стенках резонатора, то возникает процесс самовозбуждения — быстро возрастает интенсивность электромагнитного поля резонатора на частоте перехода за счѐт внутренней энергии молекул пучка. Это возрастание прекращается, когда поле в резонаторе достигает величины, при которой вероятность вынужденного испускания становится столь большой, что за время пролѐта резонатора успевает испустить фотон как раз половина молекул пучка. При этом для пучка в целом вероятность поглощения становится равной вероятности вынужденного испускания. Мощность, генерируемая молекулярным генератором на пучке

молекул NH3, составляет 10-8 Вт, стабильность частоты генерации в пределах 10-7—10-11.

Впоследствии после изобретения первого молекулярного генератора были созданы молекулярные генераторы на ряде других дипольных молекул, работающие в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, и квантовые генераторы на пучке атомов водорода, работающие на длине волны 21 см. Эти приборы, как и квантовые усилители радиодиапазона, иногда называют мазерами. Существует несколько конструктивных вариантов молекулярных генераторов, отличающихся устройством сортирующих систем, количеством резонаторов и другими инженерными решениями. Теперь к молекулярным генераторам относят также квантовые генераторы, в которых инверсия населѐнности уровней молекул достигается множеством других способов, например воздействием вспомогательного электромагнитного поля (накачки), электрическим разрядом и др. Поэтому к молекулярным генераторам мы относим и квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры), рабочим веществом которых служат молекулярные газы.

75

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое фотоника?

2.Когда появился термин фотоника? Кто предложил этот термин?

3.Когда началась фотоника как область науки?

4.Какие отрасли входят в фотонику?

5.Кто предложил термин "волоконная оптика"? Когда?

6.Когда был создан первый полупроводниковый лазер, работавший при азотных температурах? Кем?

7.Когда был создан первый полупроводниковый лазер, работавший при комнатных температурах? Кем?

8.Когда были созданы оптические волокна с малым затуханием?

9.Кто создал первый мазер?

10.Что такое лазер? Опишите принцип его работы.

11.Когда был продемонстрирован первый лазер на рубине?

12.Кто получил Нобелевскую премию за "создание лазеров"?

13.Назовите ученых, работы которых предшествовали и способствовали созданию лазера.

14.Охарактеризуйте вклад В. Фабриканта в создание теории усиления электромагнитных волн.

15.Когда был продемонстрирован первый гелийнеоновый лазер?

16.Охарактеризуйте вклад Басова и Прохорова в создание лазера.

17.Назовите ученых, которые вели работы по исследованию усиления электромагнитных волн.

18.Перечислите сферы научной деятельности Прохорова.

19.Назовите сферы научной деятельности Басова.

20.Как работал молекулярный генератор Басова и Прохорова?

76

Глава 7 Создание полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре

7.1 Жорес Алферов. История создания гетероструктур

Ж.И. Алфѐров стоял у истоков развития полупроводниковой электроники и создания полупроводниковых лазеров, способных излучать при комнатной температуре.

Вернемся в середину 20 века. В 1957 году США оказались в положении аутсайдера благодаря тому, что именно в СССР

был запущен первый спутник. Это сподвигло американское правительство проявить бойцовский характер: были брошены такие бюджетные средства в развитие технологии, что число исследователей быстро достигло миллиона! Благодаря этому уже на следующий год (т.е. в 1958 г.) Джон Килби смог изобрести интегральную схему, которая стала заменой печатной плате в обычных ЭВМ. После именно этого открытия и родилась микроэлектроника современных компьютеров, которые мы знаем сейчас. Впоследствии эта цепочка событий получила название «эффект спутника».

Началом микроэлектроники принято считать создание транзистора. Пионерами транзисторной эры стали Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, которым удалось в 1947 г. создать действующий биполярный транзистор в стенах компании «Bell Labs». Другой, не менее важной, компонентой полупроводниковой электроники стал элемент, который позволял напрямую преобразовывать электричество в свет, т.е. полупроводниковый оптоэлектронный преобразователь, к созданию которого имел непосредственное отношение Ж.И. Алфѐров.

Было обозначено отдельное направление квантовой электроники, которое занималось решением задачи прямого преобразования электричества в «технический» свет (когерентное квантовое излучение). Учѐными была поставлена и решена задача получения совершенного нового вида света, которого до этого не наблюдалось в природе. Т.е. это

77

был не тот свет, который приходит в течение дня от Солнца, состоящий из случайной смеси волн разной длины, не согласованных по фазе или, к примеру, льется непрерывным потоком при прохождении тока по вольфрамовой нити. Проще говоря, был «создан» свет строго «дозированный», полученный как набор из определенного числа квантов, у которых была заданная длина волны и который был строго «построенный» — когерентный, (т. е. упорядоченный), что означало одновременность (синфазость) излучения квантов.

Наличие такого приоритета США по транзистору было определено той огромной ношей Отечественной войны, которая навалилась на СССР. На этой войне было много погибших. Несчастье не обошло семью Алферовых: старший брат Жореса Ивановича - Маркс Иванович, погиб в бою в возрасте 20 лет.

К 1956 г. Жорес Алфѐров уже был работником Ленинградского физико-технического института, куда он надеялся попасть еще во время своей учебы. Значимую роль в этом определила книга «Основные представления современной физики», которую написал Абрам Федорович Иоффе — патриарх отечественной физики, школа которого выпустила практически всех тех физиков, составивших впоследствии гордость отечественной физической школы: Л.Д. Ландау, П.Л. Капица, А.П. Александров, И.В. Курчатов, Ю.Б. Харитон и другие. Жорес Иванович впоследствии неоднократно писал, что его счастливая жизнь в науке была предопределена его распределением в Физтех, который позднее получил имя Иоффе.

Исследования полупроводников в питерском Физикотехническом институте были начаты еще в 30-е годы двадцатого века. В 1932 г. В.П. Жузе и Б.В. Курчатов производили собственную и примесную проводимость различных полупроводников. В том же году А.Ф. Иоффе и Я.И. Френкелем была создана теория выпрямления тока на контакте металл— полупроводник, которая основывалась на явлении туннелирования. Позднее, в 1931 и 1936 гг. Я.И. Френкель смог опубликовать свои знаменитые работы, в которых им было предсказано существование экситонов в полупроводниках, а

78

также введен сам этот термин и разработана теория экситонов. Теория выпрямляющего p-n-перехода, позднее ставшая основой p-n-перехода В. Шокли, создавшего первый транзистор, была опубликована Б.И. Давыдовым, сотрудником Физтеха. В 1939 г. Нина Горюнова, на тот момент аспирантка Иоффе, защитившая в 1950 г. диссертацию по интерметаллическим соединениям, смогла открыть полупроводниковые свойства соединений 3-ей и 5-ой групп периодической системы (далее А3В5). Именно ею был создан тот фундамент, на котором стартовали дальнейшие исследования гетероструктур этих элементов. (На Западе отцом полупроводников А3В5 принято считать Г. Велькера.)

Заявку на изобретение полупроводникового лазера Алфѐровым была подана совместно с теоретиком Р.И. Казариновым в период самого разгара поисков этого технического решения. Начались эти поиски примерно с 1961 г., когда Н.Г. Басов, О.Н. Крохин и Ю.М. Попов смогли совместно, теоретически, сформулировать предпосылки его создания. В июле 1962 г. стало известно, что ученые в США уже определились с тем полупроводником, который собирались использовать для генерации — это был арсенид галлия (GaAs), а где-то в конце сентября-начале октября лазерный эффект смогли получить сразу в трех лабораториях. Первой оказалась группа Роберта Холла (24 сентября 1962 г), спустя 5 месяцев после открытия которой была подана заявка на изобретение Алфѐрова и Казаринова, от которой принято вести отсчет занятиям гетероструктурной микроэлектроникой в Физтехе.

Б.М. Вулом, Н.Г. Басовым и Ю.М. Поповым была опубликована первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера в 1959 г. Использование р-n-переходов для этих целей было предложено в 1961 г. Н.Г. Басовым, Ю.М. Поповым О, Н. Крохиным. И уже в 1962 г. были впервые осуществлены п/п лазеры на кристалле GaAs в лабораториях М.И. Нейтена, Р. Холла и Н. Холоньяка (США). Этим разработкам предшествовало подробное исследование свойств р-n-переходов (в первую очередь - излучательных), которое показало, что при подаче большего тока появлялись признаки вынужденного излучения (С.М. Рыбкин с

79

сотрудниками, а также Д.Н. Наследов, СССР, 1962 г.). В СССР

такие фундаментальные исследования, которые в последствии приведшие к созданию п/п лазеров, были удостоены Ленинской премии в 1964 г. (О. Н. Крохин, Б.М. Вул, А.А. Рогачев, Д.Н. Наследов, С.М. Рыбкин, А.П. Шотов, Ю.М. Попов, Б.В. Царенков). Полупроводниковый лазер, который возбуждался электронным методом, был впервые представлен в 1964 г. Н.Г. Басовым, А.Г. Девятковым О.В, Богданкевичем. В том же году Н.Г. Басов, В.А. Катулин, А.З. Грасюк опубликовали сообщение о создании п/п лазера с оптической накачкой. Годом ранее Ж.И. Алфѐров уже выдвинул предложение о использовании гетероструктуры для полупроводниковых лазеров. Но осуществить такую конфигурацию получилось лишь спустя 5 лет, в 1968 г. Ж.И. Алфѐровым, Д.З. Гарбузовым, В.М. Андреевым, Д.Н. Третьяковым, В.И. Корольковым, В.И. Швейкиным, которые были удостоены в 1972 г. Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов, основанных на данной технологии.

Группа учѐных, работавшая под началом Алфѐрова (Дмитрий Третьяков, Ефим Портной, Дмитрий Гарбузов, Вячеслав Андреев и Владимир Корольков) в течении нескольких лет усердно занималась поиском того подходящего для реализации поставленной цели материала, пробуя изготовить его самостоятельно. Но обнаружить подходящий сложный трехкомпонентный полупроводник получилось почти случайно в соседней лаборатории Н.А. Горюновой. Однако у этой случайности была своя предистория — поиск казавшихся на тот момент перспективными полупроводниковых соединений Нина Александровна Горюнова вела целенаправленно, а в своей монографии, вышедшей в 1968 г., она сформулировала идею «периодической системы полупроводниковых соединений». Полупроводниковое соединение, которое было создано в ее лаборатории, обладало теми необходимыми параметрами (в первую очередь стоит отметить стабильность данной структуры) для генерации, что и стало определяющим для успеха «предприятия». Прибор (позднее названный «гетеролазер») на этом материале был создан в канун 1969 г., а

80