История развития лазера

0
257

Эволюция лазера — от теоретической задумки к самым последним разработкам.

61 год назад, 16 мая 1960-го, американский физик Теодор Майман впервые создал новый, не существующий в природе тип света, и этим изменил ход истории. До того дня учёным, изучавшим свет как явление, источником этого света служили звёзды, солнце, огонь, разные виды ламп. Но каждый из этих источников представляет собой бессчётное множество атомов и молекул, которые высвобождают накопленную энергию случайным образом, в процессе, называемом спонтанным излучением.

Майману же, с помощью нового устройства, удалось “уговорить” атомы излучать свет скоординировано, в процессе вынужденного излучения, когда излучение одного атома заставляет излучать атомы по-соседству и так далее. Так родился лазер, навсегда преобразив науку и общество. Дав возможность делать то, что ранее было немыслимо.

Сейчас лазеры находят применение практически в любой области: их используют для чтения штрих-кодов в супермаркетах и для хирургических операций, для точнейших измерений и передачи информации, для резки самых твёрдых (и самых хрупких) материалов и создания суперкомпьютеров.

Теоретическая база для идеи лазера

Но лазер не был детищем одного человека — скорее, он стал кульминацией научных наблюдений и идей, которые учёные разных стран развивали в течение десятилетий. Его работа по своей сути — это квантовое явление, и в её основе лежит понимание того, что свет излучается и поглощается дискретными пучками энергии — фотонами. Первый намёк на существование фотонов появился в работах немецкого физика Макса Планка, когда в 1900 году он пытался объяснить наблюдаемые свойства так называемого “излучения чёрного тела”.

Макс Планк
Макс Планк

Когда какой-нибудь объект — возьмём для примера нагревательный элемент электроплиты — становится достаточно горячим, он начинает светиться. И спектр цвета этого излучения очень специфически зависит от температуры нагревательного элемента. Идеализированная версия такого нагретого светящегося элемента известна как “чёрное тело”, и в конце 19 века учёные изо всех сил пытались объяснить наблюдаемый спектр чёрных тел.

В конце концов Планк вывел математическую формулу, которая полностью соответствовала данным, полученным в ходе экспериментов. Но эта формула предполагала, что чёрное тело может излучать свет только в дискретных количествах, иначе “квантах” энергии. Планк рассматривал это как свойство материала, а не самого света, но это уже был первый шаг на пути к пониманию того, что свет на самом деле существует в виде частиц.

В 1905 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу о существовании фотонов. Исследователи годами ломали голову над фотоэлектрическим эффектом — явлением, при котором свет, воздействуя на металлическую пластинку, в определённых обстоятельствах может вызывать выброс электронов с поверхности этой пластины.

Физики, полагая, что свет имеет только волновые свойства, не смогли интерпретировать результаты этих наблюдений. Эйнштейн предложил простое и чёткое объяснение, предположив, что свет обладает свойствами как волны, так и свойствами частиц. Это привело к принятию концепции корпускулярно-волнового дуализма в физике, которая утверждает, что как свет, так и материя имеют свойства и волн и частиц. Это, в свою очередь, привело к созданию квантовой физики.

Следующие несколько лет Эйнштейн провел, работая над своей общей теорией относительности. Но в 1917 году он вернулся к проблеме фотонов и того, как именно атомы их испускают. В статье под названием «К квантовой теории излучения» он представил идею о том, что атомы могут взаимодействовать с фотонами в трёх различных процессах: поглощении (атом поглощает фотон и получает энергию, становясь “возбужденным”), спонтанном излучении (возбужденный атом излучает фотон непредсказуемым образом и теряет энергию) и вынужденном излучении (другой фотон “уговаривает” возбужденный атом испустить фотон и потерять энергию). Среди прочего, Эйнштейн смог показать, что эта модель взаимодействия света и материи напрямую ведёт к формуле Планка, описывающей излучение черного тела.

“Луч смерти”, признание задним числом и мазеры

С появлением понятия вынужденного излучения у физиков оказалось всё, что требовалось для изобретения лазера. Но потребовалось несколько десятилетий, чтобы идея воплотилась в жизнь. Пока же учёные и инженеры работали над созданием всё более коротких волн — в том числе и для того, чтобы использовать их в качестве оружия. В 20-е — 30-е годы был целый бум вокруг “луча смерти”, и многие именитые изобретатели, включая Гульемо Маркони и Никола Тесла, заявляли, что изобрели его. Подобные разработки велись и во время Второй мировой, но главным результатом “укорачивания” волн стал радар. К 40-му году радары могли генерировать лучи с длиной волны до сантиметра и меньше. Устройства были быстро взяты на вооружение и задействованы для обнаружения вражеских самолётов.

Советский фантастический фильм «Луч смерти» Льва Кулешова вышел на экраны 16 марта 1925 года.
Советский фантастический фильм «Луч смерти» Льва Кулешова вышел на экраны 16 марта 1925 года.

Впрочем, работа в направлении вынужденного излучения не останавливалась. В 1938 году советский физик Валентин Фабрикант предложил метод, позволяющий доказать существование этого излучения. Война приостановила его разработки, но в 1951-м учёный, совместно с двумя коллегами, подал заявку на изобретение «Нового способа усиления электромагнитного излучения ультрафиолетового (УФ), видимого, инфракрасного (ИК) и радиодиапазона». Правда, тогда она принята не была, и авторское свидетельство изобретатели получили только в 1959-м.

Разработка наших соотечественников слишком опережала своё время, и из-за отсутствия практических подтверждающих экспериментов оценена не было. Лишь в 1964-м, уже после создания лазеров, Валентин Фабрикант, Михаил Вудынский и Фатима Бутаева получили диплом о своём открытии (с приоритетом от 18 июня 1951 года), а само открытие было внесено в Государственный реестр научных открытий СССР.

В 1950-м французский физик Альфред Кастлер открыл метод оптической накачки — способ, позволяющий сдвигать электроны в атомах с одного магнитного подуровня на другой, и через два года вместе с коллегами смог воплотить его на практике.

В том же 1952 году, через год после того как была подана безуспешная заявка Фабриканта и его коллег, американский физик Джозеф Вебер на конференции в Оттаве  выступил с докладом об использовании вынужденного излучения для усиления микроволновых сигналов. Суть его идеи была в том, что вынужденное излучение можно применять для создания “лавины” синхронных фотонов, когда небольшое количество частиц запускает целый их каскад, подобно тому, как несколько камней могут вызвать оползень.

Среди участников той конференции был Чарлз Хард Таунс, профессор Колумбийского университета. Таунс, который сам работал над аналогичными идеями, попросил копию материалов Вебера. Уже в следующем, 1953 году, Таунс и его аспиранты, Джеймс П. Гордон и Герберт Дж. Цайгер создали первый действующий мазер — устройство, которое могло излучать импульсы синхронных — когерентных — микроволновых фотонов. Термин “мазер” придумал Таунс — это была аббревиатура фразы microwave amplification by stimulated emission of radiation — “усиление микроволн с помощью вынужденного излучения”. От него впоследствии и будет образовано более знакомое слово — “лазер”.

Гонка за “оптическим мазером”

Но, как это часто бывает в научной среде, когда все части головоломки оказываются на месте, разные учёные независимо друг от друга могут практически одновременно сделать одно и то же открытие. Вот и в этой истории, пока Таунс строил мазер в США, физики Николай Басов и Александр Прохоров в Советском Союзе успешно разрабатывали свою собственную версию, которая, в отличие от прибора Таунса, могла излучать непрерывный пучок микроволн, а не серию импульсов.

В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров совместно получили Нобелевскую премию по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе».

Мазер
Мазер

Появление мазера привело к шквалу публикаций в научных журналах, в которых описывались свойства устройства и обсуждались вариации идеи. Но, хотя мазеры и нашли своё применение в качестве усилителей радиосигналов и сверхчувствительных детекторов, в целом они имели довольно узкую сферу применения. Поэтому многие из первоначальных исследователей, такие как Таунс и его коллега Артур Леонард Шавлов из «Лабораторий Белла», занялись разработкой «оптического мазера», который работал бы в видимом свете.

Одной из сложнейших проблем при создании нового устройства был размер. Микроволны имеют длину волны около 1 миллиметра, тогда как длина волны видимого света примерно в 1000 раз короче. А точность конструкции приборов должна быть сопоставима с длиной волны.

Тем не менее «Лаборатории Белла» в 1958 году подали первый патент на оптический мазер. Примерно в то же время Прохоров разрабатывал собственное оптическое устройство, а аспирант Колумбийского университета по имени Гордон Гулд опубликовал свои идеи и наработки о том, что он назвал «лазером».

Безуспешные попытки и первый рабочий лазер

Идея у всех в общих чертах была одинакова — использовать метод оптической накачки Кестлера и резонатор Фабри-Перо: устройство с двумя параллельными соосными зеркалами, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. Резонатор к тому моменту существовал уже почти 60 лет: французские физики Шарль Фабри и Альфред Перо ещё в 1899 году предложили использовать две частично посеребренные стеклянные пластины для создания таких волн.

Таунс использовал в качестве среды для своего оптического мазера пары калия, свойства которых были хорошо изучены. Но газ был едким и разъедал стекло резонатора, от чего оно мутнело. Бывший ученик Таунса, Али Джаван, тоже использовал газ — смесь гелия и неона, но, несмотря на некоторые успехи, в тот момент создать лазер ему не удалось.

Были и попытки построить лазер не на базе газа, а на кристалле — например, на кристалле фторида кальция или на синтетическом рубине. Но учёным, которые экспериментировали с рубином до Маймана, не повезло: для накачки они использовали лампу накаливания с вольфрамовой нитью, вот только она не могла дать достаточно энергии для работы лазера.

Расчёты Маймана показывали, что рубин должен был сработать, но требовался исключительно яркий источник света. Где его взять? И в один день учёного осенило — те его коллеги, которые потерпели неудачу в работе с рубином, использовали постоянный свет. Но он не обязательно должен светить без перерыва. Подойдёт лампа-вспышка.

Просматривая каталоги, физик нашёл одну очень яркую вспышку спиральной формы, будто специально сделанную для размещения внутри неё рубина. И 16 мая 1960 года Майман добился того, чего хотел — его устройство произвело импульсы красного цвета. Это был первый в мире лазер, работавший на синтетическом рубине двух сантиметров в длину.

Рубиновый лазер

Устройство рубинового лазера

Как именно работала модель Маймана? И почему именно рубин? Рубин представляет собой оксид алюминия, в котором некоторые атомы алюминия  заменены атомами хрома. Именно хром и придает рубину насыщенный красный цвет. И именно атомы хрома возбуждаются, поглощая падающие на них фотоны.

Майман нанёс на оба конца рубинового кристалла зеркальное покрытие и вставил кристалл внутрь спирали своей лампы. Излучение (то есть поток фотонов) срабатывающей вспышки возбуждало атомы хрома, которые, в свою очередь, и сами начинали излучать фотоны.

Но просто добиться возбуждения атомов мало — если фотоны сразу вылетят из этой среды, не возникнет лавинообразного процесса вынужденного излучения. Чтобы “продлить” путь фотонов и не дать им сразу покинуть кристалл, и были нужны отражающие поверхности. Отражаясь, фотоны многократно проходят через рубин, их число лавинообразно увеличивается, из-за чего в кристалле быстро нарастает излучение, направленное вдоль его оси. Чтобы выпустить часть этого излучения наружу, одно из зеркальных покрытий на торце рубина было сделано отражающим лишь частично. Выходящее из этого торца излучение и представляло собой луч лазера.

Новые виды лазера

После того, как Майман в июле 1960-го представил миру работающий лазер, аналогичные устройства начали демонстрировать и другие исследовательские группы. Артур Шавлов со своим техником сделали лазер на основе другого типа рубина. Экспериментаторы, использовавшие кристалл фторида кальция, показали свою разработку в ноябре того же года — их лазеру требовалось на 1% меньше мощности, чем рубиновому лазеру.

В декабре Али Джаван с коллегами представили первый газовый лазер — лучи, которые он испускал, были инфракрасными, но зато непрерывными, в отличие от импульсов, которые получил Майман. Итак, к конце 1960 года появилось уже три разных типа лазеров.

В СССР первый лазер был запущен 2 июня 1961 года, в Государственном оптическом институте имени Вавилова. Он тоже был рубиновым, причём все его детали — от самого кристалла до покрытия на торцах и лампы накачки были сделаны на месте, в ГОИ. После этого в институте началась интенсивная работа по созданию твердотельных и газовых лазеров.

И снова “Луч смерти”

Но, как и многие новаторские открытия, поначалу лазер столкнулся с серьёзным сопротивлением со стороны научного сообщества. Так, лучшие физики того времени со скептицизмом отнеслись к ранним теоретическим выкладкам Таунса.

Престижный журнал Physical Review Letters не принял первую статью Маймана о лазере — но ему всё же удалось опубликовать её (пусть и в сокращённом варианте) в журнале Nature. СМИ отнеслись к новому изобретению со смесью восторга и ужаса: статьи о лазере сопровождались сенсационными и зловещими заголовками, и рисовали мрачное будущее.

Например, статья Ральфа Дайтона в газете Independent-Star News от 2 октября 1960 года называлась “Учёные исследовали возможности луча смерти: спутник с лучом может повелевать Землёй”. И начиналась она так: “Гигантская линза вращается вокруг планеты, сжигая города сфокусированными лучами солнца… Но это научно-фантастическое супер-оружие — всего лишь игрушка по сравнению с тем, чем, возможно, может обернуться новая научная разработка”.

Война патентов

Несмотря на все опасения, лазерного апокалипсиса не случилось. Но одну войну лазер вызвал — войну патентов. Гордон Гулд из Колумбийского университета, работавший над идеей лазера одновременно с другими командами, не просто вёл записи в своём блокноте — он нотариально их зарегистрировал. Говорят, идею об этом подал ему Чарлз Таунс.

Гулд полагал, что подавать заявку на патент стоит только после того, как у него будет рабочая модель лазера. Именно поэтому Таунс и Шавлов его опередили — они подали свою заявку ещё до демонстрации Маймана, в июле 1958-го, и в марте 1960-го получили патент за номером 2929922. Название “лазер” в патенте не фигурировало, речь шла о мазере.

Когда в апреле 1959-го Гулд обратился за патентом, ему отказали, сославшись на то, что другая заявка была подана раньше. Гулд пошёл в суд. Главным его аргументом была его нотариально заверенная записная книжка. Именно в ней впервые появилось слово “лазер”. Как и “мазер”, это была аббревиатура фразы — light amplification by stimulated emission of radiation (“усиление света посредством вынужденного излучения”).

Тяжба длилась почти 30 лет, и в 1977-м суд признал за Гулдом право патента. Но на этом война не закончилась. То, что Гулд оказался обладателем патента, означало, что лазерная промышленность должна была выплатить ему авторский гонорар. К тому моменту общая сумма составляла миллионы долларов. Компании ещё десять лет судились за право не платить физику, но в 1987 году Гулд выиграл и этот процесс.

История этой войны — хорошая иллюстрация того, что “владелец патента” не равно “автор идеи”. Большинство идей было кем-то запатентовано, но это мало что говорит о том, как эти идеи возникли на самом деле и как распространились среди учёных.

Некоторые вехи дальнейшей истории лазера

Хотя создание лазера стало значительным технический прорывом, в первые годы устройство не имело широкого практического применения. Оно не было достаточно мощным, чтобы использоваться как оружие, а его способность передавать информацию на расстоянии практически сводилось к нулю из-за того, что луч не мог преодолеть такие обычные атмосферные явления как дождь и облака. Но понадобилось совсем немного времени для того, чтобы лазер стал мощнее и “нашёл работу”.

1961 год — первое использование лазера в медицинских целях. Офтальмологи Чарлз Дж. Кэмпбелл и Чарлз Дж. Койстер впервые применили лазер для удаления ангиомы на сетчатке пациента. Для этого понадобилась единственная пульсация рубинового лазера, длившаяся тысячную долю секунды.

1962 год — первый полупроводниковый лазер. Американский физик Роберт Ноэл Холл продемонстрировал первый лазер, работающий на диодах из арсенида галлия. Идея Холла заключалась в том, чтобы отказаться от моделей, требующих накачки, и разработать твердотельную альтернативу. Прототип его лазера работал только в пульсовом режиме и требовал жидкого азота для охлаждения.

1963 год — первая передача телевизионного изображения по лучу лазера. Советские учёные из Государственного оптического института впервые в истории передали изображение по лучу гелий-неонового лазера на расстояние в 1300 м. Это стало доказательством того, что лазер может передавать информацию и делать это через атмосферу.

1964 год — разработка углекислотного лазера. Разработанный индийским физиком Кумаром Пателем, углекислотный лазер даже на сегодняшний день остаётся одним из самых мощных лазеров с непрерывным излучением; его КПД достигает 20%. Используется для резки органического стекла и металлов, сварки металлов, гравировки резины и пластика.

1967 год — первое применение лазера в качестве режущего инструмента.

1969 год — первое масштабное использование лазера в промышленности. Вскоре после того, как трое сотрудников “Боинг” опубликовали статью о возможностях лазера для резки твёрдых материалов, таких как титан, хастеллой (сплавы на основе никеля) и керамика, компания начала применять лазеры в своём производстве на постоянной основе.

1977 год — создание лазера на свободных электронах. В этом типе лазера излучение генерируется пучком электронов, которые движутся в вакууме и проходят сквозь ряд особым образом расположенных магнитов. В результате такого прохождения вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов. Лазеры на свободных электронах используются в различных сферах, включая медицину и военную промышленность.

1987 год — первое использование лазера для исправления зрения. Эксимерный лазер, который сейчас широко применяется для лазерной коррекции зрения, изначально применялся для изготовления компьютерных микропроцессоров. Но уже в начале 80-х был замечен его потенциал для работы с биологическими тканями. И в 1987 году американский офтальмолог Стивен Трокел провёл первую операцию по коррекции роговицы для исправления зрения пациента.

Наверно, где-то с этого времени стоит говорить уже не о первых применениях и создании новых моделей, а о том, где они применяются в целом, потому что иначе перечисление рискует затянуться слишком надолго. Но и сфер их применения гораздо больше, чем придёт в голову просто навскидку.

Для чего нужны лазеры?

Прошло чуть более полувека с первой демонстрации лазера, а на Земле уже (почти?) и не осталось людей, никогда не сталкивавшихся с этим изобретением. В силу своих уникальных свойств, лазер широко используется как в науке, так и в быту, как в мирной промышленности, так и в военном деле.

Лазеры в коммуникации

В 1980-х годах прошлого века в телекоммуникационных системах использовались громоздкие, занимавшие много места медные кабели, едва справляющиеся со всё возрастающими потребностями человечества в передаче информации. Но лазерный свет, идущий по тончайшим нитям оптоволоконного кабеля, может проводить более полумиллиона телефонных разговоров, тысячи компьютерных подключений и телеканалов. Без оптоволокна интернет (благодаря которому вы сейчас читаете эту статью) не существовал бы в его современном виде.

Лазеры в промышленности

И речь идёт не только о промышленных лазерах, которые режут, сверлят и сваривают практически любые материалы, от бумаги и ткани до алмазов и экзотических сплавов. Например, одно из первых применений для лазера нашлось в геодезии. Так, знаменитый тоннель под Ла-Маншем прокладывался с двух сторон пролива, и благодаря лазерной системе позиционирования обе части удалось свести вместе с погрешностью всего в несколько сантиметров.

Лазеры в медицине

Лазеры, которые применяются в миллионах медицинских процедур ежегодно, снижают потребность в достаточно небезопасной общей анестезии. Жар луча прижигает ткань при разрезе, что позволяет проводить операции практически без потери крови и уменьшает число послеоперационных осложнений из-за инфицирования раны. Более того, тончайшее оптоволокно позволяет “доставить” лазерные лучи внутрь тела, чтобы проводить менее инвазивные хирургические вмешательства.

И, конечно, лазер широко используется в офтальмологии, с которой началась его “медицинская карьера”. Например, отслоение сетчатки ежегодно приводит к слепоте тысяч людей. При раннем обнаружении лазер может “приварить” сетчатку на место до того, как повреждения окажутся необратимыми.

Лазеры в науке

Прежде чем найти применение в любых других сферах, лазеры использовались в научных целях. Сперва они, как мазеры, служили для исследований в областях атомной физики и атомной химии. Но вскоре им нашли и массу других применений. Например, сейчас сфокусированные лазерные лучи используют в качестве “оптического пинцета” для манипулирования клетками и микроорганизмами. А в 2001 году трое учёных — Эрик Корнелл (США), Вольфганг Кеттерле (Германия) и Карл Виман (США) — получили Нобелевскую премию за использование лазеров для охлаждения и улавливания атомов и за создание нового состояния материи (конденсата Бозе-Эйнштейна).

Лазеры в повседневной жизни

Лазерные сканеры на кассах супермаркетов и лазерные принтеры, компьютерные мышки и CD/DVD-диски, лазерные указки и лазерные голограммы на банковских картах — это лишь малое количество из бессчётного множества потребительских товаров, в основе которых лежит использование лазера.

Лазеры в поп-культуре и научной фантастике

После изобретения лазера в кино и литературе начался бум вокруг лазерного оружия. Так, в “Голдфингере” (1964 год) Джеймса Бонда едва не сжигают мощным лазером.

История развития лазера

В четвёртой части “Звёздных Войн” (1977 год) Звезда смерти с помощью лазера уничтожает целую планету. В “Троне” (1982 год) лазерный луч переносит главного героя Кевина Флинна в цифровой мир.

В реальности такие вещи недоступны, но, как мы помним, массовая культура не раз вдохновляла учёных и изобретателей на создание новых технологий (читайте в статье “Технологии в поп-культуре”).

Лазеры в военном деле

Ну и, конечно, лазеры не могли не найти применения в военной сфере. Лазерное оборудование используется для бортовой, наземной и подземной локации, в связи, оптике, навигационных системах, системах противоракетной обороны. Ведётся множество разработок по созданию лазерного оружия и различных средств защиты от лазерного излучения.

Будущее лазерных технологий

За последние 40 лет новые виды лазеров появлялись едва ли не каждый год — с использованием различных сред, с излучением разной длины волны, с разным типом накачки и для разных задач. А порой задачи для них появлялись не до, а уже после нового изобретения. Лазеры ведь не зря называют “готовыми решениями ещё неизвестных проблем”. Они уже изменили мир своими возможностями, и продолжают это делать снова и снова.

Например, недавние (конец 2010-х годов) эксперименты, проведённые учёными из Университета Регенсбурга (Германия), показали, что электрическое поле сверхкоротких импульсов лазера можно использовать для перемещения электронов внутри твердых форм материи. Потенциально это может позволить создавать компьютеры, которые будут выполнять операции на скорости большей, чем период одного колебания световой волны.

Словом, как это часто случается со многими современными открытиями и разработками, лазер эволюционирует прямо сейчас, прямо у нас на глазах. Всего за 60 лет он прошёл путь от теоретической задумки до неотъемлимой части повседневной жизни. Чем он станет завтра? Увидим уже очень скоро.