Лазерная техника и лазерные технологии являются одними из самых популярных областей развития науки и техники. Их используют практически во всех сферах жизни. Но почему и как они появились?
Лазеры стали стандартными инструментами в различных приложениях. Лазерные указки указывают точки презентации в лекционных залах, а лазерные целеуказатели направляют «умные» бомбы к целям. Лазеры сваривают лезвия бритв, пишут узоры на объектах на производственных линиях, не прикасаясь к ним, удаляют нежелательные волосы и отбеливают татуировки. Лазерные дальномеры космических зондов профилировали поверхность Марса и астероида Эрос с беспрецедентной детализацией. В лаборатории лазеры помогли физикам охладить атомы с точностью до крошечной доли градуса абсолютного нуля.
Тем не менее, как они появились? Кто их создатели?
Все мы прекрасно знаем этого человека по его фотографиям с высунутым языком. Конечно это Альберт Эйнштейн, который в 1916 году выдвинул предположение о том, что при определенных обстоятельствах атомы могут выделять избыточную энергию в виде света — либо спонтанно, либо при стимуляции светом. Немецкий физик Рудольф Вальтер Ладенбург впервые наблюдал вынужденное излучение в 1928 году, хотя в то время казалось, что оно не имеет практического применения.
В середине 1950-х годов последовал интенсивный всплеск исследований мазеров, но мазеры нашли лишь ограниченное применение в качестве малошумящих микроволновых усилителей и атомных часов.
В 1951 году Чарльз Х. Таунс, работавший тогда в Колумбийском университете в Нью-Йорке, придумал способ генерации стимулированного излучения на микроволновых частотах. В конце 1953 года он продемонстрировал работающее устройство, фокусировавшее «возбужденные» молекулы аммиака в резонансном микроволновом резонаторе, где они излучали чистую микроволновую частоту. Таунс назвал устройство мазером, в честь «микроволнового усиления за счет вынужденного излучения». Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов из Института им. П.Н. Физический институт Лебедева в Москве независимо описал теорию работы мазера. За свою работу все трое получили Нобелевскую премию по физике 1964 года.
Предложение Таунса-Шавлоу побудило несколько групп попытаться создать лазер. Предложение Гулда стало основой секретного военного контракта. Успех пришел первым к Теодору Мейману, который применил другой подход в исследовательских лабораториях Хьюза в Малибу, Калифорния. Он излучал яркие импульсы лампы-вспышки фотографа, чтобы возбудить атомы хрома в кристалле синтетического рубина — материала, который он выбрал, потому что тщательно изучил, как он поглощает и излучает свет, и рассчитал, что он должен работать как лазер. 16 мая 1960 года он извлек красные импульсы из рубинового стержня размером с кончик пальца. В декабре 1960 года Али Джаван, Уильям Беннетт-младший и Дональд Херриотт в Bell Labs построили первый газовый лазер, который генерировал непрерывный инфракрасный луч из смеси гелия и неона. В 1962 году Роберт Н. Холл и его коллеги из Центра исследований и разработок General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, создали первый полупроводниковый лазер.
Хотя лазеры быстро захватили общественное внимание, возможно, из-за их сходства с «тепловыми лучами» из научной фантастики, на разработку их практического применения ушли годы.
Молодой физик по имени Ирни Д'Хэненс, работая с Майманом над рубиновым лазером, пошутил, что это устройство было «решением проблемы», и эта фраза задержалась в лазерном сообществе на долгие годы. Таунс и Шавлоу ожидали, что лазерные лучи будут использоваться в фундаментальных исследованиях и для передачи сигналов по воздуху или космосу. Гулд представлял себе более мощные лучи, способные резать и сверлить многие материалы. Ключевой успех пришел в конце 1963 года, когда два исследователя из Мичиганского университета, Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, использовали лазеры для создания первых трехмерных голограмм.
Гелий-неоновые лазеры были первыми лазерами, получившими широкое коммерческое применение. Поскольку их можно было настроить для генерации видимого красного луча вместо инфракрасного луча, они сразу же нашли применение для проецирования прямых линий для выравнивания, съемки, строительства и орошения. Вскоре глазные хирурги стали использовать импульсы рубиновых лазеров, чтобы приваривать отслоившуюся сетчатку на место, не разрезая глаз. Первым крупномасштабным применением лазеров стал лазерный сканер для автоматизированных касс в супермаркетах, который был разработан в середине 1970-х годов и стал обычным явлением несколько лет спустя. Вскоре последовали аудиоплееры компакт-дисков и лазерные принтеры для персональных компьютеров.
