История создания лазера берет свое начало в далеких 20-х прошлого столетия. Именно тогда формировался новый раздел физики – квантовая электроника. Открытие физических принципов квантовой электроники считается одним из самых выдающихся достижений науки прошлого века, а вершиной этого достижения, безусловно, является создание лазера.
Лазер или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Лазер является образцовым квантовым устройством. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. Википедия
Предистория открытия
К началу 20 века с созданием радио, открытием рентгеновских лучей и радиоактивности удвоился интерес к радиации. Ученые открыли целый спектр излучения с длинами волн длиннее или короче света.
Но фундаментом для дальнейших иследований стало открытие немецким физиком Максом Планком элементарной порции энергии – кванта, за что он был удостоен Нобелевской премии. Планк совершил настоящую революцию в физике, вдохновил на новые открытия знаменитых ученых того времени, в числе которых был и Альберт Эйнштейн.
Вынужденное излучение
Метод усиления света возник из идеи, которую молодой Эйнштейн разработал в 1916 году. Эйнштейн предсказал существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера.
В 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики. А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.
Но инженеры плохо понимали, как манипулировать атомами, и на протяжении десятилетий эта идея казалась теоретически любопытной, но не представляющей практического интереса.
Путь к созданию лазера был найден радиофизиками, которые научились строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Именно они, в итоге, сконструировали первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.
Ученые и инженеры продвинули радиотехнику используя все более короткие длины волн. В 1930-х некоторые даже надеялись, что они находятся на грани создания «луча смерти». Это оказалось иллюзией, но усилия привели к более конструктивному результату - к созданию радара. К 1940 году новые устройства могли генерировать лучи с длиной волны до сантиметра или меньше. Они были быстро задействованы для обнаружения вражеских самолетов.
Многие ученые считали, что радар выиграл войну, а атомная бомба положила ей конец. Во время холодной войны против Советского Союза, правительство США вкладывало все больше средств в фундаментальные и прикладные исследования. Разрастались промышленные и университетские лаборатории. Именно на этой плодородной почве и должен был быть создан лазер.
Первый квантовый генератор — мазер на аммиаке: первый шаг к лазеру
Мазер - квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона. Его название - сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» - было предложено в 1954 году американцем Ч. Таунсом, одним из его создателей. Википедия
Уже в 1930-х годах ученые могли создать лазер. У них были оптические методы и теоретические знания, но ничто не могло их объединить. Толчок пришел примерно в 1950 году с неожиданного направления. Коротковолновые радиоволны, называемые микроволнами, могут заставить кластер атомов вибрировать и это обнаруживается микроволновой спектроскопией. В итоге, радиолокационное оборудование, оставшееся от Второй мировой войны, было усовершенствовано для обеспечения коротковолнового излучения.
Чарльз Таунс из Колумбийского университета изучал молекулярную физику в 1930-х годах, а во время войны он работал над радаром в качестве инженера-электронщика. Управление военно-морских исследований убедило его и других физиков собраться вместе и изобрести способ создания мощного коротковолнового излучения. Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс.
В итоге, в 1951 году профессор физики Колумбийского университета Таунс нашел решение. Таунс понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером (MASER — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Добавьте описание
В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.
Кто изобрел лазер?
На протяжении нескольких поколений физики работали над контролем все более коротких волн. После радио (метры) и радара (сантиметры, затем миллиметры) логичным следующим шагом будут дальние инфракрасные волны. Мазеры нашли скромное применение, больше для научных исследований, чем для военного или промышленного использования. Лишь немногие ученые думали, что возможен инфракрасный мазер.
Таунс в 1957 году, изучая уравнения для усиления излучения, понял, что было бы легче добиться усиления вынужденного излучения с очень короткими волнами, чем с длинными инфракрасными волнами. Он мог перепрыгнуть через инфракрасную область к давно знакомым методам управления обычным светом. Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков. Таунс обсудил это со своим коллегой, другом и зятем Артуром Шавловым.
Артур Шавлов нашел ключ - нужно поместить атомы, которые нужно стимулировать, в длинную узкую полость с зеркалами на каждом конце. Лучи будут перемещаться взад и вперед внутри, чтобы было больше шансов стимулировать вынужденное излучение атомами. Одно из зеркал будет только частично посеребренным, чтобы часть лучей могла просачиваться наружу. Эта схема (интерферометр Фабри — Перо) была знакома поколениям исследователей-оптиков.
Тем временем Таунс обсудил проблему с Гордоном Гулдом, аспирантом Колумбийского университета. В своей дипломной работе Гулд уже работал с «перекачкой» атомов на более высокие энергетические состояния, чтобы они давали вынужденное электромагнитное излучение. По мере того, как Гулд развивал свои идеи, он понял, что находится далеко за пределами широко обсуждаемого «инфракрасного мазера». В своем блокноте он уверенно назвал еще не изобретенное устройство ЛАЗЕР (для усиления света с помощью вынужденного излучения).
Гулд, Шавлов и Таунс теперь поняли, как построить лазер - в принципе. Некоторые идеи уже были в наличии. Другие физики в нескольких странах, стремясь создать более совершенные мазеры, разработали различные гениальные схемы для накачки энергии в атомы и молекулы в газах и твердых кристаллах. В известном смысле они тоже были изобретателями лазера.
Долгая патентная война
В 1957 году Таунс обсудил некоторые идеи о накачке световой энергии в атомы с Гордоном Гулдом, аспирантом, который думал в том же духе. Обеспокоенный тем, что его могут обмануть, Гулд записал свои идеи для протокола. Он был автором многих идей о том, как можно создавать и использовать лазеры, и в апреле 1959 года он подал патентные заявки своему работодателю, высокотехнологичной исследовательской фирме TRG. Девятью месяцами ранее Шавлов и Таунс подали заявку на патент от имени Bell Laboratories, которая наняла Шавлова в штат, а Таунса в качестве консультанта.
Когда патент был выдан Bell, Гулд подал в суд, утверждая, что он был первым автором лазера. Следующие 30 лет бушевали юридические баталии. Если бы патенты Гулда были действительны, каждый, кто построил или использовал лазер, был бы должен ему денег - и чем дольше патенты не принимались во внимание, тем более ценными они становились по мере роста лазерной промышленности. В 1987 году Гулд и его сторонники начали добиваться урегулирования споров. В итоге, он добился утверждения своих патентных заявок и наконец-то стал купаться если не в славе, то в долларах. Одна из величайших патентных войн в истории закончилась.
Исторический вопрос о том, кого первым признать изобретателем лазера, остается спорным. Большинство идей кем-то запатентовано, но это мало что говорит о том, как идеи на самом деле возникли и распространялись среди ученых.
Спасибо за внимание! Продолжение в следующей статье