История открытия: от мазера к лазеру
60 лет назад в Государственном оптическом институте (ГОИ) был запущен первый отечественный лазер. Нанофотоника, медицина, пилотажно-навигационные системы, лидарные комплексы – вот далеко не полный перечень областей науки и техники, в которых лазеры нашли свое применение. Об истории возникновения лазерных систем, принципе действия и сферах использования – в нашем материале.
Вынужденное излучение
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.
Макс Планк, 1919 год
Итак, фундаментом стало открытие немецким физиком Максом Планком элементарной порции энергии – кванта, за что он был удостоен Нобелевской премии.
Чарльз Таунс со своим первым «МАЗЕРом»
В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер» – от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
Как мазер стал лазером
Мазеры смогли совершить несколько значимых открытий: точно определили значение скорости света, в очередной раз подтвердили справедливость теории относительности и даже помогли обнаружить реликтовое излучение расширяющейся Вселенной. При всем этом мазеры оказались не при делах, когда речь шла о традиционной электронике. Действительно, на практике СВЧ-электронике мазеры ничем помочь не могли – прибор излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.
Физики понимали, что квантовые генераторы должны перейти на оптический диапазон, то есть от усиления микроволн к усилению света, или другими словами – от мазера к лазеру (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения»).
В 1960 году американский физик Теодор Майман создает первый лазер. Это был импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина (сантиметром в диаметре и около двух в длину) с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки.
Примерно через год первый лазер был запущен в СССР. Это произошло 2 июня 1961 года в ГОИ, старшим научным сотрудником Л.Д. Хазовым с участием И.М. Белоусовой. Все элементы лазера – рубин, покрытие на его торцах, лампы накачки – были созданы в ГОИ. После запуска лазера на рубине в институте началась интенсивная работа по созданию твердотельных и газовых лазеров. Уже в 1963 году была проведена первая в мире передача телевизионного сигнала по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу.
От мегаватт современных лазеров к гигаваттам будущих лазерных систем
Лазеры, в отличие от мазеров, сразу же нашли применение в повседневной жизни. Например, уже в 1962 году с помощью рубиновых лазеров сваривались швы на корпусе наручных часов. Сегодня с лазерами мы сталкиваемся ежедневно – в наш обиход давно уже прочно вошли лазерные принтеры, указки, линейки, «лазерные шоу», считыватели штрих-кодов… Широкое применение лазеры нашли в медицине – их появление практически ознаменовало новую эру в хирургии.
Различное применение лазерных источников излучения стало возможным благодаря исследованиям и разработкам ГОИ на протяжении последних 60 лет, с момента создания первого рубинового лазера. Под научным руководством сотрудников института промышленностью было освоено большое число лазерных систем, более двух десятков из них было принято на вооружение армии. Мощные лазеры разработки ГОИ открыли новые возможности развития измерительных и информационных систем (например, в доплеровской локации).
Специалисты 17 научного отдела ГОИ, 1971 год
Специалисты ГОИ им. Вавилова продолжают исследования в этой сфере и находят лазеру новое применение. Один из последних проектов института связан с использованием лазеров в солнечной энергетике. В настоящее время разработками в этой области интенсивно занимаются ведущие страны, такие как США, Япония, а также страны Европы. Ученые ГОИ им. С.И. Вавилова внесли свою уникальную лепту.
В 2003 году в ГОИ впервые в мире был создан фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ). Само использование фуллерена – новейшего наноматериала, обладающего широким спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра – делает этот лазер уникальным. Еще более фантастическим кажется сама идея использования прибора – преобразование солнечной энергии в лазерное излучение. Для этого планируется создание электростанции космического базирования, на геостационарных спутниках. Такая станция лишена всех недостатков солнечных электростанций на Земле – она не зависит от погодных условий, энергия по лазерному лучу может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории.
Конечно, создание электростанции в космосе требует разработки сложнейших оптоэлектронных систем, систем доставки и монтажа всех этих устройств на космические спутники. Это, безусловно, проект будущего, следующего поколения специалистов.
История изобретения лазера
В 1902 году французский химик Жорж Клод изобрел, а в 1910 году показал публике неоновую лампу. Через пару лет какой–нибудь любознательный умелец уже вполне мог бы приделать к ней боковые зеркала и при большом везении методом проб и ошибок изготовить примитивный лазер. Тогда история техники могла бы сложиться иначе.
Теги:История
Изобретения
СССР
Химия
Телефон
Но мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — ведь ученые даже не подозревали о его существовании.
А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов.
В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно когерентно вынуждающему излучению (то есть имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию). А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.
Первые эксперименты
Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей, причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор.
Но для этой идеи время еще не настало.
Мало кто занимался усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения и в 1930-е годы. Наиболее серьезной работой по этой теме была докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными — опять-таки из-за отсутствия резонатора. В 1957 году Фабрикант и Бутаева даже наблюдали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, однако это так и осталось их личным достижением.
Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь.
Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.
Мазеры
Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта мысль осенила его весной 1951 года во время прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому небольшому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл впервые испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением. Прибор, который Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сегодня белловский фотофон считают предтечей опто-волоконных систем связи.)
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. Изготовить высококачественный объемный резонатор такой величины было не слишком просто, но все же возможно. 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).
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 уже «остепенившийся» 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.
От микроволн к свету
Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков — слишком многих, чтобы рассказать обо всех. Фактически не была решена лишь задача усиления вынужденного излучения с помощью положительной обратной связи. Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером.
Через год Таунс со своим старым другом и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.
Сам термин «лазер» возник даже раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона. Поздней осенью 1957 года это слово появилось на страницах блокнота, где он записывал свои размышления и вычисления. В то время Гулд ничего не публиковал и поэтому не получил признания, которое, бесспорно, заслужил. Правда, в 1970—1980-х он добился утверждения своих патентных заявок и наконец-то стал купаться если не в славе, то в долларах.
Лазеры
Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Этот минерал представляет собой оксид алюминия с небольшой примесью хрома, который и придает ему красный цвет (чистый оксид алюминия бесцветен). Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом. По любопытному совпадению произошло это ровно через 50 лет после того, как Клод поразил воображение посетителей Парижской автомобильной выставки своими светящимися трубками.
Лазер Джавана и его коллег работал в инфракрасном диапазоне, но через два года Уайт и Ригден заставили гелий-неоновый лазер излучать красный цвет.
Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад получили Нобелевскую премию). К настоящему времени трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Это, безусловно, одно из важнейших изобретений XX века навсегда изменило нашу жизнь.
This Month in Physics History
|
Время от времени происходят научные открытия, оказывающие революционное влияние на повседневную жизнь. Одним из примеров этого является изобретение лазера, что означает усиление света за счет вынужденного излучения. Мало кто осознавал во время его изобретения, что он окажется таким полезным (и прибыльным) устройством, но лазер в конечном итоге открыл новую научную область и открыл дверь в то, что сегодня представляет собой многомиллиардную индустрию.
Принцип действия лазера восходит к 1917 году, когда Альберт Эйнштейн впервые описал теорию вынужденного излучения, но практическое устройство уходит своими корнями в 1940-е и начало 1950-х годов, особенно в работах по микроволновой спектроскопии — мощному инструменту для открытия характеристики самых разнообразных молекул — физиками Чарльзом Таунсом, Артуром Шавлоу и другими, и последующее изобретение мазера (микроволновое усиление за счет вынужденного излучения).
После окончания Второй мировой войны Таунс был заинтригован возможностью использования стимулированного излучения для исследования газов в молекулярной спектроскопии. По мере того как длина волны микроволнового излучения становилась короче, его взаимодействие с молекулами становилось сильнее, что делало его более мощным спектроскопическим инструментом. Таунс и его коллеги из Колумбийского университета продемонстрировали работающий мазер в 1953 году, через два года после того, как аналогичные устройства были независимо изобретены исследователями из Мэрилендского университета и Лабораторий Лебедева в Москве.
Однако Таунс понял, что длины волн инфракрасного и оптического света, поскольку они короче, будут еще более мощными инструментами для спектроскопии, и упомянул идею распространения принципа мазера на более короткие длины волн Шавлову во время посещения последнего в Bell Labs. . Шавлову пришла в голову идея разместить набор зеркал, по одному на каждом конце полости устройства, чтобы отражать свет вперед и назад, тем самым устраняя усиление любых лучей, отражающихся в других направлениях.
Он думал, что это позволит им настроить размеры так, чтобы у лазера была только одна частота, которую можно было бы выбрать в пределах заданной ширины линии, и что размер зеркала можно было бы отрегулировать так, чтобы можно было демпфировать даже небольшое отклонение от оси. Он также предложил использовать для лазеров определенные твердотельные материалы.
Восемь месяцев спустя двое мужчин написали статью о проверке концепции своей работы, опубликованную в декабрьском номере Physical Review (том 112, № 6, стр. 1940-1949) и получил патент на изобретение лазера два года спустя — в том же году Теодор Мейман построил первый работающий лазер в компании Hughes Aircraft Company. Таунс был со-лауреатом Нобелевской премии по физике 1964 года за его фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая легла в основу принципа мазера/лазера. Признание Шавлова пришло гораздо позже; он поделился 1981 Нобелевская премия за вклад в развитие лазерной спектроскопии.
В то время как имена Таунса и Шавлова чаще всего ассоциируются с изобретением лазера из-за их статьи 1958 года и последующего патента, многие другие внесли жизненно важный вклад.
Возможно, именно поэтому вопрос о том, кто на самом деле изобрел лазер, оказался довольно спорным, в значительной степени из-за усилий Гордона Гулда, ученого из Колумбийского университета, а затем из группы технических исследований (TRG), получить патентные права. на основе его исследовательской тетради. Запись о его первоначальных идеях лазера была датирована и нотариально заверена 19 ноября.57. Гулд боролся десятилетиями, и в 1973 г. Таможенный и патентный апелляционный суд США постановил, что первоначальный патент, выданный Шавлову и Таунсу, был слишком общим и не содержал достаточно информации для создания определенных ключевых компонентов. В конце концов Гулд получил патентные права, получив свой четвертый и последний патент на лазеры в 1988 году. лучевое вооружение, и его способность передавать информацию через атмосферу сильно ограничивалась его неспособностью проникать сквозь облака и дождь. Но исследователям не потребовалось много времени, чтобы разработать первые системы лазерного прицеливания и первые инструменты для лазерной хирургии.
Сегодня лазеры широко распространены на коммерческом рынке, они используются в проигрывателях компакт-дисков, в коррекционной хирургии глаза, удалении татуировок, промышленных сборочных линиях, сканерах супермаркетов, оптических средствах связи и оптических хранилищах данных.
Дополнительная литература:
Бромберг, Джоан Л., «Рождение лазера», Physics Today , октябрь 1988 г., стр. 26-33.
«Патент на лазер, потрясший отрасль», Business Week , 24 октября 1977 г., стр. 121–130.
Хехт, Джефф, “Победа в войне патентов на лазеры”, Laser Focus World , декабрь 1994 г., стр. 49-51.
Когда были изобретены лазеры?
Лазеры не были полностью сформированным детищем какого-либо одного ученого. Поэтому трудно точно сказать, когда началось путешествие. Однако многие утверждают, что первый камень в это здание был заложен в 1900 году теорией Макса Планка о том, что энергия излучается и поглощается дискретными порциями, называемыми квантами.
Эйнштейн построил на этом, предсказывая в 1917 видно, что испускание фотонов может быть вызвано прохождением других фотонов.
В начале 1950-х годов Александр Прохоров и его ученик Николай Басов работали над теоретическими основами создания систем, способных усиливать свет за счет вынужденного излучения.
Давайте разберемся, когда были изобретены лазеры.
МАЗЕР
В 1954 году Чарльз Таунс сконструировал устройство, в котором для усиления света использовалось вынужденное излучение. Средой для генерации был аммиак, а устройство работало в микроволновой части спектра, отсюда и название «микроволновое усиление за счет стимулированного излучения».
Высокоточные приборы Gentec-EO для измерения лазерного луча помогают инженерам, ученым и техникам во всех видах применения лазеров от заводов до больниц, лабораторий и исследовательских центров. Узнайте о наших решениях для следующих типов измерений:
- Измерители мощности лазера
- Лазерные счетчики энергии
- Профилометры лазерного луча
- Терагерцовые измерители мощности
На этих длинах волн спонтанное излучение не так часто, как в видимом свете.
На самом деле они происходят достаточно медленно, чтобы можно было добиться инверсии населенностей, физически отделив возбужденные молекулы аммиака от молекул в основном состоянии!
Этот первый лазер изначально не был встречен с большой помпой. На самом деле, некоторые друзья исследователей в шутку предположили, что MASER на самом деле является аббревиатурой от «Средства получения поддержки для дорогостоящих исследований». Наверное, чуть меньше смеялись через 10 лет, когда Таунсу, Прохорову и Басову присудили Нобелевскую премию.
Спорное происхождение
Чарльз Таунс и его коллега Артур Шавлоу опубликовали доказательство концепции лазера в 1958 году. В том же году они подали заявку на патент в Bell Labs, нанимавшую их.
Однако примерно в то же время другой ученый, с которым они общались, сделал то же самое. Гордон Гулд начал писать о своих идеях для лазеров в 1957 году и работал в TRG в 1959 году, когда были поданы его 4 патента.
Патенты Гулда были отклонены, потому что они поступили слишком поздно, но это его не остановило.
Он подал в суд и, в конце концов, выиграл суд примерно через 20 лет. Его требование было оспорено индустрией, и ему пришлось бороться в суде еще 10 лет, прежде чем он смог коснуться каких-либо гонораров.
Первый настоящий ЛАЗЕР
В 1960 году Теодор Мейман из исследовательской лаборатории Хьюза разработал первый действующий лазер на основе рубина с длиной волны 694 нм.
В то время явление лазеров уже не было чем-то из ряда вон выходящим. Между исследовательскими лабораториями велась жесткая конкуренция за то, чтобы первыми создать работающий лазер. Поэтому комично иронично, что, когда Мейман, наконец, добился успеха, его статья была первоначально отклонена.
Серия первых
Тот самый 19-й годВ 60 году команда IBM разработала твердотельный лазер. Другая группа в Bell Labs разработала первый газовый лазер, который также был первым лазером непрерывного действия.
В последующие годы мы увидим первый лазер Q-Switch, первое применение на человеке, первые лазеры CO 2 и Nd:Yag, первый сканер штрих-кода и многое другое.