История создания лазера: от фундаментальных исследований до практических применений.
1. Введение
Лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), ставшие неотъемлемой частью современной науки и техники, возникли благодаря длительным исследованиям оптических явлений и квантовых процессов. Настоящая статья посвящена историческому пути развития лазерной технологии, начиная с теоретического обоснования явления индуцированного излучения Эйнштейном и заканчивая первыми практическими реализациями в середине XX века. История создания лазера включает несколько этапов: теоретические предпосылки, первые эксперименты и создание первого работающего лазера.
2. Теоретические предпосылки возникновения лазеров
Идея усиления электромагнитного излучения была впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1917 г., когда он сформулировал концепцию стимулированного испускания фотонов. Согласно этой концепции, атом, находящийся в возбужденном состоянии, способен излучать фотон под воздействием внешнего светового сигнала той же частоты. Данный процесс является основой принципа работы всех современных лазеров.
Следующим важным этапом стало развитие теории молекулярных спектров и применение методов микроволновой спектроскопии. Работы ученых США Николаса Бломбергена и Чарльза Таунса во второй половине 40-х годов заложили основы реализации идеи устройства, способного усиливать микроволновое излучение, получившего название мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
3. Первые эксперименты
В 1954 году независимо друг от друга в двух разных точках планеты учёные построили приборы, которые впоследствии назвали мазерами. В СССР это сделали физики Александр Прохоров и Николай Басов, в США — группа исследователей Колумбийского университета под руководством Чарльза Таунса. Мазер — аббревиатура от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»).
Физики понимали, что мазеры работают в микроволновом диапазоне, и нужно перейти в оптический — заменить «микроволны» на «свет».
4. Первые практические достижения
Первый действующий прибор был продемонстрирован в 1954 г. группой американских исследователей под руководством Ч. Х. Таунса. Это устройство работало на аммиаке и обеспечивало когерентное усиление микроволн. Мазеры показали свою перспективность в качестве источников высокостабильного монохроматичного излучения.
Дальнейшее развитие данной области было связано с попыткой перенести принципы усиленного излучения в видимую область спектра. Одним из ключевых достижений стал проект, реализованный советским физиком Александром Прохоровым совместно с Николаем Басовым, который предложил использовать кристаллы рубина в качестве активной среды для получения лазерного эффекта. Эти работы были опубликованы одновременно с американскими исследователями Артуром Шавловым и Гордоном Гулдом в конце 50-х годов.
5. Первый работающий лазер
Первые успешные эксперименты с видимым светом удалось провести группе Теда Меймана в лаборатории Hughes Research Laboratories в мае 1960 года. Именно тогда был получен первый стабильный непрерывный режим генерации красного цвета в рубиновом лазере.
16 мая 1960 года американский физик Теодор Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина.
Мейман поместил рубиновый стержень в спиральную трубку, которая давала яркие световые вспышки. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней рубина.
6. Дальнейшие усовершенствования и разнообразие типов лазеров
После успешного запуска первого лазера началось активное изучение новых активных сред и способов управления параметрами лазерного луча.
В последующие годы были созданы различные типы лазеров, например: Газовые — гелий-неоновые, углекислотные, аргоновые; Полупроводниковые — диодные, квантово-точечные; Химические — кислородно-йодные, фтороводородные; Эксимерные — на основе фторида аргона, фторида криптона; твердотельные конструкции с диодной накачкой; волоконные и эксимерные лазеры.
Особо стоит отметить появление мощных импульсных лазеров, работающих в наносекундном и пикосекундном диапазонах, что позволило широко применять эти приборы в промышленности, медицине, научных исследованиях и телекоммуникациях.
7. Заключение
История создания лазера демонстрирует путь постепенной эволюции научного знания от абстрактных концепций до конкретных инженерных решений. Современные лазеры находят широкое применение практически во всех областях человеческой деятельности, демонстрируя уникальность и универсальность этого инструмента.