Приветствую!
В этой статье вы сможете узнать всю историю создания лазера, о его создателях, а также прочитаете про необъяснимый, но очень важный эксперимент советских физиков.
В СССР было очень много известных учёных, чьи изобретения имели огромное влияние на разные сферы жизни во всём мире. Одно из таких изобретений – лазер (2 из 3 изобретателей были русскими, а последний – американец).
В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по спектроскопии Александр Прохоров с Николаем Басовым впервые говорят о возможности устройства, которое будет испускать когерентное микроволновое излучение за счет вынужденного (индуцированного) излучения молекул. За десять месяцев до этого аналогичную работу опубликовал американец Чарлз Таунс, который и создал первое такое работающее устройство, получившее название «мазер».
Перейдя по следующим ссылкам вы сможете прочитать про каждого из учёных отдельно:
Николай Басов: Басов Николай Геннадьевич - Российский Ученый - Биография (rus.team)
Александр Прохоров: Александр Прохоров: биография, фото, семья Прохорова Александра Михайловича (fb.ru)
Чарльз Таунс: Чарлз Таунс - кратко (istmira.com)
Что же такое вынужденное излучение? Начнем с минимальной теории строения атома. Атом состоит из ядра и электронов. По умолчанию электроны, которые «движутся» вокруг ядра, находятся на «орбитах» с минимальными энергиями. Если в атом «закачать» энергию, то электроны будут находиться на «более высоких» орбитах. Это возбужденное состояние атома. Атом может вернуться в исходное состояние, испустив квант света. И вот эту-то вероятность испускания света усиливает внешний фотон. Таким образом, у нас есть активная среда, есть возможность накачать ее энергией и есть способ потом эту энергию превратить в вынужденное излучение. А для того чтобы свет имел определенную частоту, нужно заставить его пройти через активную среду определенное число раз. Нужен оптический резонатор. Такой резонатор представляет собой два зеркала, поставленных друг напротив друга, одно из которых полупрозрачное, частично пропускающее излучение за пределы рабочей среды. Это тоже идея Прохорова.
Считалось, что резонатор для генератора когерентного излучения должен иметь размер длины волны этого излучения. Получалось, что сделать резонатор длиной в сотни нанометров для видимого света не представлялось возможным. Тот самый шаг в сторону сделал человек, так и не удостоенный Нобелевской премии: американец Теодор Майман в своей лаборатории в Малибу решил использовать в качестве рабочей среды кристалл рубина, и оказалось, что достаточно того, чтобы в размер резонатора укладывалось любое целое количество длин волн излучения.
После этого, Басов с Прохоровым начали работать над совершенствованием своего изобретения. Они хотели сделать лазер мощнее. Согласно гипотезе, это можно сделать за счёт сжатия излучаемого импульса. В 1963 г. группа сотрудников лаборатории квантовой радиофизики Физического института академии наук СССР имени П.Н. Лебедева поставила эксперимент.
От рубинового генератора луч попадал на вход оптического делителя. Далее, по волноводу 1 из лучей попадал на вход оптического усилителя с выхода, который через 1-й фотодетектор регистрировался на входе высокоскоростного осциллографа. Второй луч по волноводу 2 попадал на второй фотодетектор и далее сигнал регистрировался на втором входе осциллографа. В исходном состоянии система была откалибрована таким образом, что оба сигнала совпадали по времени прихода на вход осциллографа.
В итоге гипотеза подтвердилась, но не полностью. Ожидалось, что после включения усилителя фронт сигнала в первом канале станет круче и соответственно увеличится количество энергии, передаваемой этим световым потоком. На практике был зафиксирован несколько иной результат. Феноменальное ускорение красного сигнала было совершенно неожиданным и необъяснимым. Теоретический расчёт времени движения по тракту усилителя между волноводами давал время порядка 1,6 наносекунды, а в реальных измерениях фиксировалось опережение на целых 9 наносекунд. Данный опыт был многократно проверен, в том числе и в других лабораториях. Каждый раз получался один и тот же результат.
По этой ссылке можно прочитать отдельно про эксперимент с мощностью лазера подробнее: Необъяснимый эксперимент Басова | Крепкий зумом | Дзен (dzen.ru)
Этот эксперимент имеет огромное влияние на развитие науки, так как его результат позволил Басову с Прохоровым стать прародителями такого направления в физике, как квантовая электроника. Эта наука исследует методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойства получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения в электронных приборах. Сейчас эта область физики занимается созданием квантовых компьютеров.
Вот так изобретение обычного лазера привело к открытию важнейшего направления в физике.
Библиография:
1) «Нобелевские лауреаты: Николай Басов. Создатель лазера.», Алексей Паевский - Нобелевские лауреаты: Александр Прохоров. Создатель лазера - Индикатор (indicator.ru)
2) «Необъяснимый эксперимент Басова», Крепкий зумом - Необъяснимый эксперимент Басова | Крепкий зумом | Дзен (dzen.ru)