Лазеру – 50 лет

В 2010 году весь научный мир отмечал 50-летие изобретения лазера, открывшего невиданные возможности развитию научно-технического прогресса. Появились лазерные технологии, проникающие во все сферы жизни. Что же такое лазер, как он возник и кто те учёные, изобретатели, инженеры, которые своим повседневным трудом подготовили его изобретение? На этот вопрос автор попытается дать обоснованный ответ. На протяжении многих лет автор читал лекции студентам нашего вуза по дисциплинам «Электронные и квантовые приборы СВЧ и оптического диапазона», «Оптоэлектронные приборы и устройства». Всё развитие и накопление достижений человеческого гения в этой области науки и техники происходило, как говорится, у автора на глазах; приходилось постоянно следить за достижениями в этой области науки и техники, обобщать и находить простые и доступные объяснения.

Лазеры, как и мазеры, относятся к сравнительно молодой области науки и техники - квантовой электронике, которая «старше» лазеров всего лет на десять. Несмотря на свою молодость, эта отрасль знаний готовилась наукой давно. Долгое время учёные представляли себе световые лучи в виде непрерывных волн. В 60-ых годах XIX века знаменитый физик и математик М. Максвелл объяснил природу этих волн как процесс колебаний электрического и магнитного полей. И высказал гипотезу о том, что существуют также волны на частотах, более низких, чем световые волны. Причём и те, и другие имеют одну и ту же природу - это колебания электрического и магнитного полей. Долгое время велись научные споры, в существование этих «низкочастотных» волн почти никто не верил. И только в 1883 г., когда известный немецкий физик Г. Герц своими опытами доказал существование этих волн, все поверили в их реальность. Эти первоначально гипотетические, а теперь реальные волны стали называть вначале «герцевыми», а затем электромагнитными волнами и радиоволнами. Начался период освоения радиоволнового диапазона. Из всех возможных применений самым привлекательным оказалось использование радиоволн для обмена сигналами, т.е. организации беспроводной связи. Но как генерировать радиочастотные колебания, как их модулировать полезными сигналами, как их эффективно передавать и принимать, как выделять полезные сигналы из радиоволн в месте приёма и как усиливать радиочастотные колебания?

Ответов на эти вопросы тогда ещё никто не знал. Все уже понимали, что непрерывные электромагнитные колебания создаются колебаниями электрических зарядов, но никто ещё не осознавал механизма этого процесса. Как дискретное по своей внутренней организации вещество создаёт непрерывную волну? Как дискретное превращается в непрерывное? Ответа пока не было. Поэтому радиосвязь находилась на первоначальном (доламповом) этапе, развиваясь в условиях, ограниченных уровнем знаний того времени. Передатчики вначале были искровыми, затем дуговыми, а потом машинными. Приёмники вначале были когерерными, а затем детекторными. Ни о чём лучшем тогда невозможно было и мечтать. Открытие термоэлектронной эмиссии (Т.А. Эдисон, 1883 г.) и обнаружение элементарного электрического заряда - электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.) привели к созданию радиоламп. Радиосвязь перешла на второй (ламповый) этап, на котором все задачи приёма и передачи сообщений уже могли успешно решаться. На этом этапе существенно расширился круг задач, которые могла решать ламповая технология. Именно на этом этапе появились термины «электроника», «радиоэлектроника», «радиотехника», «радиоэлектронная аппаратура» и др.

Во второй половине 40-ых годов ХХ века ламповая элементная база была заменена полупроводниковой, и электроника стала полупроводниковой. В 60-е годы появились интегральные схемы. Электроника трансформировалась в микроэлектронику. Сейчас наступило время бурного развития наноэлектроники. На каждом новом этапе резко улучшаются все показатели качества изделий электроники. И самое главное, что расширяются функциональные возможности изделий при снижении их массогабаритных и экономических показателей.

Если так хороши электроника, микроэлектроника и наноэлектроника и так много они нам дают для развития инфокоммуникационных технологий, зачем нам ещё квантовая электроника? Что нового нам даёт она? Прежде всего, и электроника, и микроэлектроника, и наноэлектроника на своих начальных стадиях развития, в частности, являются продуктом развития классической физики. Их изделия базируются на использовании кинетической или потенциальной энергии свободных зарядов (в основном - электронов). Квантовая электроника и её изделия базируются на использовании внутренней энергии квантово-механических систем (КМС). В основном «рабочими» здесь также являются заряженные частицы, чаще всего электроны. Отсюда - название электроника. Но это уже заряды, связанные с КМС. В рамках классической физики (и электроники) вопросы о механизмах излучения и поглощения электромагнитных колебаний, т.е. вопросы взаимодействия вещества с электромагнитными волнами являются несущественными. Тогда как для квантовой физики и электроники эти вопросы являются главными.

Моментом рождения квантовой физики считается 1900 год, когда немецкий учёный М. Планк выдвинул квантовую гипотезу энергии и ввёл фундаментальную постоянную h. За открытие кванта, т.е. частицы энергии, Планк был награждён Нобелевской премией по физике. Его считают родоначальником квантовой теории. В 1905г. знаменитый немецкий учёный А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о квантовой (дискретной) природе электромагнитного излучения и использовал её для объяснения фотоэлектрического эффекта. За заслуги перед теоретической физикой и, особенно, за объяснение закона фотоэлектрического эффекта в 1921 г. он был награждён Нобелевской премией. Теперь стало ясно, что электромагнитное излучение обладает дуальным свойством. В свободном пространстве оно распространяется как непрерывная волна. А при взаимодействии с веществом проявляет свою дискретную, т.е. квантовую природу. Эти выводы долгое время воспринимались с сомнением. Так ли это? Или это всего лишь математический приём? Даже сейчас иногда приходится слышать такие вопросы. Но опыт дал убедительное подтверждение дуализму свойств электромагнитного излучения. Сами изделия квантовой электроники это подтверждают.

Итак, взаимодействие электромагнитного излучения с веществом заключается в испускании или поглощении квантов энергии веществом. Значит, кванты энергии электромагнитной волны W = h · ? (где ? - частота волны), названные Льюисом в 1929 г. фотонами, являются элементарными частицами, осуществляющими обмен энергией между веществом и электромагнитным излучением. При поглощении фотона внутренняя энергия вещества возрастает на величину W, а при поглощении на эту же величину уменьшается. Но как это происходит? На этот вопрос в 1913 г. нашёл ответ датский физик Н. Бор. Изучая спектр частот поглощения водорода, он пришёл к выводу, что электроны в атоме (и соответственно в веществах) могут принимать не любые, а только определённые разрешённые значения энергии, названные уровнями энергии. Два энергетических уровня образуют квантовый переход. При поглощении кванта внешней энергии электрон в атоме переходит с нижнего энергетического уровня на верхний, а при излучении кванта происходит обратный переход электрона с верхнего на нижний уровень. За заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения Н. Бор в 1922 г. был удостоен Нобелевской премии.

Следующий этап определяется 1916 годом, когда А. Эйнштейн в излучении веществ выделил спонтанное (самопроизвольное) и индуцированное (вынужденное) виды излучения и определил вероятности процессов поглощения (которое всегда индуцированное), а также спонтанного и индуцированного излучений. В 1927 г. английский физик П. Дирак предсказал тождественность квантов вынужденного и первичного излучений, заключающуюся в том, что первичный (вынуждающий) и вторичный (вынужденный, т.е. излучённый) кванты имеют одинаковые частоту, фазу поляризацию и направление. Другими словами, в каждом акте индуцированного излучения происходит удвоение квантов, что создаёт возможность получить усиление при прохождении света через среду. Эти положения закладывали реальную основу квантовой электроники. Но до создания изделий квантовой электроники было ещё далеко.

В 1928 г. немецким физиком Р. Ладенбургом экспериментально подтверждено существование вынужденного излучения. Оно проявляется во многих газовых, жидких и твёрдых агрегатных состояниях различных сред. Но как его использовать для усиления электромагнитных колебаний? В равновесном с окружающей средой состоянии в соответствии с распределением Больцмана число возбуждённых частиц N (населённость энергетического уровня) с повышением энергии W уменьшается по экспоненциальному закону. При воздействии электромагнитной волны на равновесную систему процессы поглощения квантов поля будут преобладать над процессами как спонтанного, так и индуцированного излучений. Поэтому равновесная система всегда является поглощающей. Как же её сделать усиливающей? Нужно привести КМС в инверсное состояние. Это состояние как бы соответствует отрицательной температуре Т < 0. На множестве всех других энергетических уровней КМС находится в равновесном состоянии Т > 0, и только на рассматриваемом квантовом переходе искусственно создаётся гипотетическое условие Т < 0.

Такое решение предложил в 1939 г. советский физик В. Фабрикант. Ему не поверили и не поддержали. На время об этом забыли. Но в период 1948-1951 гг. рядом американских исследователей были введены понятия положительной и отрицательной спиновой температуры. В 1951 г. В.А. Фабрикант, М.М. Вудынский и Ф.А. Бутаева зарегистрировали авторское свидетельство СССР на способ усиления электромагнитных полей с помощью вынужденного излучения. К этому времени в мире уже был накоплен богатый опыт в области исследования спектров (спектроскопия) самых разнообразных материалов. Начинался подбор материалов для квантовой электроники и поиск методов создания инверсного состояния в них.

Самым подходящим для решения задачи оказался аммиак, молекула которого NH3 представляет электрический диполь и образует в электрическом поле идеальную двухуровневую систему. В сильно разрежённом пучке молекул газа населённость нижнего уровня составляет 94%, а населённость верхнего уровня - всего лишь 6%. Но именно от них можно получить индуцированное излучение. Как это сделать? Нужно отсортировать молекулы нижнего уровня. Эту идею наши физики Н.Г.Басов и А.Н. Прохоров в 1954 г. изложили в одной из своих статей. В этом же 1954 году появилось сообщение о разработке группой американских исследователей в составе Ч. Таунса, Дж. Гордона и Г. Цайгера молекулярного генератора на пучке молекул аммиака. По предложению Таунса генератор был назван мазером. Название представляет аббревиатуру от первых букв английской фразы - microwave amplification by stimulated emission of radiation, что означает: усиление микроволн с помощью стимулированного излучения. Название не очень удачное. Поэтому в нашей литературе часто используются также названия «квантовый генератор» (КГ) и «квантовый усилитель» (КУ) и далее сообщается «на пучке атомов или молекул такого-то газа». КГ на пучке молекул аммиака создаёт высокостабильное излучение на длине волны ? = 1,26 см. В 1955 г. Басов и Прохоров предложили способ улучшения работы КГ на пучке молекул NH3. Генераторы на пучках молекул или атомов газа из-за высокой стабильности используются в качестве эталонов частоты, длины и времени. По их излучению стабилизируется ход часов в службах точного времени. Как усилители они не используются из-за узких полос пропускания.

Газовые мазеры научили физиков тому, что частицы основного материала, создающего индуцированное излучение, должны находиться в сильно разрежённом состоянии. Поэтому в случае использования жидких или твёрдых материалов рабочий материал должен составлять примесь с небольшой концентрацией в нерабочей среде. После создания мазеров на пучках разрежённых газов появились мазеры на твёрдых средах в основном на парамагнитных кристаллах. Они используются в качестве малошумящих усилителей в системах космической связи, а также в системах приёма слабых сигналов из космоса. Эти сигналы используются для анализа структуры космического пространства.

И, наконец, в 1960 г. появились первые квантовые приборы оптического диапазона - лазеры (light wave amplification by stimulated emission of radiation). В этом же году Т. Мейман демонстрировал мощный источник света, использующий в качестве КМС кристалл рубина (образуется небольшой примесью хрома, являющегося рабочим материалом, в кристалле корунда Al2O3). Инверсия населённостей создаётся по трёхуровневой схеме. Источником питания (накачки) служит ксеноновая лампа-вспышка. Лазер используется как мощный генератор когерентного света в красноволновом диапазоне (основное излучение - на длине волны 694,3 нм). В этом же году появился газовый лазер на смеси гелия и неона (неон - рабочий, гелий - вспомогательный газы). Независимо от конструкции и других особенностей все оптические квантовые генераторы содержат оптический резонатор (интерферометр Фабри-Перо, состоящий из 2-х зеркал, а также КМС, приведённую и поддерживаемую в инверсном состоянии источником питания (генератором накачки). Оптический резонатор служит для создания многократного прохождения света на частоте ? используемого квантового перехода. При этом световая волна усиливается за счёт индуцированного излучения. Между зеркалами создаётся мощная стоячая волна света. Часть её энергии через полупрозрачное зеркало излучается наружу. Схема усилителя содержит те же элементы, что и схема генератора. Отличие лишь в том, что в усилителе отсутствует положительная обратная связь.

За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе, советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, а также американский физик Ч.Х. Таунс в 1964 г. удостоены Нобелевской премии по физике .

Сейчас создано множество различных типов лазеров, в том числе и малогабаритных полупроводниковых лазеров. За разработку и исследования полупроводниковых лазеров на гетеропереходах наш соотечественник Жорес Алферов также получил Нобелевскую премию в 2000 году по физике. Применение лазеров весьма разнообразно. Они широко используются в науке, промышленности, военном деле, в технике связи, в частности, в волоконно-оптических линиях связи, в медицине и в бытовых приборах. Несомненно, применение лазеров в практической деятельности людей будет расширяться с каждым годом.

Зав. музеем ПГУТИ доцент Рудь В.В.

© 2024 Образовательный портал Самарской области