История создания лазера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

 

«ЛАЗЕРЫ. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слушатель учебной группы

Кул

 

 

 

 

Москва  2013

 

 

 

Сегодня абсолютно каждый от мала до велика знает слово «лазер», но вряд ли многие знают этимологию этого слова и историю появления. Так же не многие знают, что этому повсеместно используемому изобретению чуть более 50 лет. История развития лазерной физики – это яркий пример того, как за полвека физическая теория может пройти путь до практического инновационного изобретения, а за вторую половину века это изобретение стать незаменимой частью повседневной жизни человека. Действительно, лазер используется сейчас не только во множестве областей науки и техники, но как составляющая часть большого числа вещей, которые настолько привычны и практичны, что накрепко вошли в обиход практически каждого. Несколько примеров из того, что нас окружает каждый день: оптические носители информации (лазерные диски) записываются с использованием полупроводниковых лазеров; лазерные принтеры, которые в данный момент вытесняют печатающие устройства иного принципа действия; сканеры штрих-кодов, используемые во множестве магазинов и мест, где требуется быстрое считывание и обработка типизированной информации; лазерные дальномеры, применяемые во множестве областей; ценнейшее значение имеют волоконно-оптические линии связи, за которыми настоящее передачи данных и как минимум ближайшее будущее. Нельзя забывать и важности применения в медицине, где лазерный инструмент врача помогает сохранять и восстанавливать людям здоровье. Что крайне примечательно, множество приборов, устройств и областей техники обязаны своему появлению именно изобретению лазера и дальнейшему развитию связанной научной области.

Нельзя не упомянуть то, насколько важное культурное значение имеет изобретение лазера. Современные техники, используемые в световых шоу и голографии, потрясают и завораживают наблюдателя своей красотой.

Сложно даже представить, как обходились бы писатели-фантасты и режиссеры фантастических кинокартин без этого замечательного открытия. Хотя, возможно, именно им принадлежит первенство в «изобретении» лазера. В 1925 году была напечатана первая книга романа Алексея Николаевича Толстого  «Гиперболоид инженера Гарина». Описываемый в романе «лучевой шнур», очень похож по своим свойствам и действия на луч лазера, хотя и физические законы, заложенные в основу его действия, иные. И Толстой А.Н. был не первым и не единственным автором, который упоминает устройства подобного действия в своих произведениях.

 

Так какой же момент времени стоит считать отправной точкой в зарождении теории, позволившей совершить это важнейшее открытие, и кто был её автором? Множество замечательных талантливых ученых внесли свой вклад в её развитие. Принято считать, что первый камень в создании новой теории заложил Альберт Эйнштейн. В 1916 году он первым высказал гипотезу вынужденного излучения. Гипотеза состояла в том, что под действием внешнего излучения частица вещества может переходить на более высокий энергетический уровень с поглощением одного кванта света – фотона. А так же самопроизвольно или вынуждено под действием фотона внешнего возбуждающего источника испускать самой фотон света. Интересно, что А. Эйнштейн, наиболее широко известный во всем мире за создание теории относительности был награжден Нобелевской премией за объяснение закона фотоэлектрического эффекта в 1921 году.

 

В дальнейшем более строго существование вынужденного излучения было обосновано Полем Дираком в работах по квантовой физике и теории элементарных частиц. Он является автором основополагающих трудов по квантовой механике. За что в 1933 году был награжден Нобелевской премией с формулировкой: «За открытие новых продуктивных форм атомной теории».

 

Новая теория не осталось незамеченной и физиками - экспериментаторами. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн в опыте с неоновыми трубками наблюдали на практике вынужденное излучение. Но оно было слабым и практическим неразличимым на фоне спонтанного излучения.

Сейчас одной из самых распространенных разновидностей лазеров является гелий-неоновый лазер.

 

 

Его устройство в самом простом случае отличается всего одной важной деталью от тех трубок, с которыми экспериментировали Р. Ландербург и Г. Копферманн – это резонатор, который бы обеспечил положительную обратную связь.

 

Неоновые лампы были продемонстрированы Парижским инженером Жоржем Клодом ещё в 1910 году. И с тех пор многие энтузиасты использовали их в различных оптических опытах. Если бы кто-то из них каким-то образом случайно или умышленно решил закрыть оба конца трубки с газом зеркалами, то мог бы наблюдать очень любопытное и пока необъяснимое явление – квантовое усиление света. История знает множество примеров таких «неумышленных» открытий, сделанных практиками, по факту существования которых позже разрабатывались теории. Но с лазером было не так, открытие было отнюдь не случайным, оно было детально обоснованным ещё до того момента, как появился первый работающий образец. Множество физиков приложили свои усилия, постепенно развивая идею, накручивая как спираль, внося необходимые штрихи сначала на бумагу, а после экспериментально подтверждая.

 

Одним из таких витков стала докторская диссертация советского ученого В.А. Фабриканта на тему «Механизм излучения газового разряда» опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикантом, Ф.А. Бутаевой, М.М. Вудынским была подана заявка на изобретение оптического усилителя, в 1959 году получено авторское свидетельство. Тому же коллективу авторов Госкомитетом по изобретениям выдан диплом № 12 с приоритетом от 18 июня 1951 года с формулой открытия: "Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбуждённым состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии". Таким образом, была показана необходимость наличия инверсии населенностей для возможности существования эффекта оптического усиления. Но эти работы не получили большого распространения, отчасти из-за того, что были опубликованы с большой задержкой.

 

В 1950 году А. Кастлером (Нобелевская премия по физике 1966 года за открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах) предлагается возможность оптической накачки среды для создания инверсии населенностей. В 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером была экспериментально продемонстрирована эта возможность.

 

И так, к середине XX века были разработаны и продемонстрированы усилители излучения, но для создания излучателя по-прежнему не хватало одной важной детали – резонатора. Его изобретение не заставило бы себя ждать. Но, как было отмечено выше, процесс создания оптического квантового генератора проходил ступенчато, и следующим витком спирали было изобретение мазера – микроволнового генератора, область излучения которого лежит за пределами видимого спектра. Одним из ключевых моментов здесь явился тот факт, что создать положительную связь на такой длине волны было возможно с помощью объемного резонатора. Тогда как создать такой резонатор для видимого диапазона длин волн на тот момент представлялось делом крайне сложным.

 

Разработка молекулярного генератора в начале 1950-х годов активно велась как минимум двумя коллективами ученых. В СССР этим вопросом занимались физики ФИАН, Александр Прохоров и Николай Басов и в США профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс с ассистентами Джеймсом Гордоном и Гербертом Цайгером. Приоритет первой демонстрации работы микроволнового генератора – мазера на аммиаке с объемным резонатором размера 12,6 мм  принадлежит группе Таунса.  Слово «мазер» так же было предложено им и является сокращением от «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (англ. MASER - microwave amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает: усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

 

Изобретение мазера явилось важной вехой толчком к продвижению в видимый диапазон спектра. Некоторые ученые пессимистично относились к такой возможности, так как в этом случае объемный резонатор должен был бы обладать слишком малыми размерами равными длине волны излучения. Вторым большим препятствием являлось большая вероятность спонтанного перехода молекул из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень. Это препятствие было преодолено, благодаря предложению А. Прохорова и Н. Басова воздействовать на молекулы среды генератора внешним электромагнитным излучением на резонансной частоте с переходом их на третий энергетический уровень и последующим релаксированием молекулы на второй метастабильный уровень.  Данный метод получил название метода трех уровней и стал универсальным для получения инверсий населенностей в любых многоуровневых системах.

 

В 1958 году публикуются работы, которые фактически можно считать завершающим штрихом на пути изобретения первого лазера. Работы принадлежат Ч. Таунсу и его коллективу, и советским физикам Н. Басову, А. Прохорову с коллегами. Эти публикации несли в себе всю необходимую физическую теорию и наброски оптического квантового генератора – оптического мазера, как тогда называли его авторы.

 

Примерно в то же время, а именно 13 ноября 1957 года выпускник Колумбийского университета Гордон Гуд делает запись в своем лабораторном журнале, где впервые предлагает акроним LASER  (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения). В 1959 году Г. Гуд подает патентную заявку, чтобы документально закрепить за собой предложенные принципы работы лазера. Однако в 1960 году Ч. Таунс и А. Шавлов получают патент за номером 2,929,922 подтверждающих их право на изобретение лазера. Гордон Гуд же вошел в историю, как человек придумавший название нового изобретения и ведший 30-летний спор с Американским патентным агентством. Надо сказать, в итоге, много лет спустя, тяжба всё же разрешилась в его пользу.

 

Ч. Таунс, Н. Басов, А. Прохоров получили в 1964 году Нобелевскую премию «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе».

 

Таким образом, на острие исследований в области стояло как минимум три группы ученых, открытие и практическая демонстрация не должна была заставить себя долго ждать. Так кем же впервые была продемонстрирована работа лазера? Этим ученым был американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 года в его лаборатории впервые заработал оптический квантовый генератор. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина с небольшими примесями хрома размером около 2 см, обратную связь обеспечивал резонатор Фабри-Перо – торцы кристалла были покрыты серебряным напылением, система накачки состояла из лампы-вспышки. Лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3нм.

И так, почти полвека спустя после открытий М. Планка и А. Эйнштейна было продемонстрирована работа лазера. За это время множество талантливых ученых внесло свою лепту. Из всего изложенного, видно, как постепенно и методично добавлялась каждая отдельная деталь, которая сама зачастую являлась абсолютной инновацией. Если только взглянуть какое количество Нобелевских премий имеют прямое или косвенное  отношение к работам над лазером, сразу становится понятна вся глубина тех принципов, которые заложены в работу данного прибора. Но это были только первый шаги на пути той революции в науке и технике, которую должно было привнести данное изобретение.

 

Начиная с 1960 года, сразу после того, как была продемонстрирована принципиальная возможность существования лазеров, работы в этом направлении были развернуты во всем мире множеством научных коллективов. В первые же месяцы генерация вынужденного излучения была продемонстрирована на множестве материалов. Впоследствии новые разновидности лазеров стали появляться если не каждый день, то каждые полгода. Вместе с тем находились всё новые и новые способы их применения. Но в отличие от принципов работы лазера, свойства излучения и вызываемые им эффекты при различном варьировании факторов работы прибора, окружающих факторов и области применения не были предсказаны, а чаще объяснялись по мере накопления практического опыта. Вместе с тем новая научная и техническая область сразу же потребовала множество новых специалистов не только по квантовой физике и оптике, но и по смежным областям. Новая разработка подхлестнула исследования в таких областях  химии, материаловедения, потребовались новые высокоточные способы обработки материалов.

 

 

В декабре того же 1960 исследователями из Bell Labs А. Джаваном,               У. Беннетом и Д. Хэрриотом был создан первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в инфракрасной области спектра на длине волны 1.15 мкм, в дальнейшем он доработан для излучения видимого красного света.

Советскими учеными лазер был запущен в Физическом институте им. П.Н. Лебедева 18 сентября 1961 г. М.Д. Галаниным, А.М. Леонтовичем, З.А. Чижиковой.

 

Очень важное место с точки зрения применения занимают полупроводниковые лазеры. Принципы их работы были описаны впервые в работе Н. Басова, Б. Вула, Ю. Попова еще до первой демонстрации работы рубинового лазера. Данная работа была зарегистрирована Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР с приоритетом от 7 июля 1958 года. Ими же было предложено воспользоваться для получения инверсии населенностей электрический ток.

Продемонстрирована работа первого полупроводникового лазера была американским ученым Робертом Н. Холлом.