Лазерный мир

Без лазеров не обходится практически ни одна сфера нашей жизни. Их используют военные и врачи, строители и школьники. Лазеры работают в персональных компьютерах, на спутниках. С их помощью в лабораториях получают потоки энергии, по мощности сравнимые с ядерным взрывом, и охлаждают среду до сверхнизких температур. Изобретение лазера настолько значимо, что за работы, послужившие этому, ученые получили Нобелевские премии. Одному из научных отцов лазера, советскому физику Николаю Геннадиевичу Басову 14 декабря исполнилось бы 95 лет.

К изобретению лазера привели исследования процессов, происходящих в атоме.

Электроны в нем могут занимать разные энергетические уровни — чем выше уровень, тем дальше он расположен от ядра. Точнее, существует вероятность обнаружить электрон на том или ином месте, и «находится» он там, где она наиболее высока.

При переходе электронов на уровень выше или ниже соответственно поглощается или выделяется квант света — фотон, обозначающий самую малую порцию энергии электромагнитной волны. Причем если излучение будет вынужденным, то есть порожденным внешним воздействием, некоторые параметры колебаний фотонов будут тождественны. За счет этого достигается узость диапазона длин волн, характерная для лазерного света.

Возбужденные атомы будут испускать свет непрерывно, если обеспечить обратную связь. Вынужденное излучение, раз возникнув, должно вновь и вновь вызывать прыжок электронов на уровень выше после того, как они испустят фотоны. Для этого излучательную среду, например кристалл, помещают в оптический резонатор, который представляет собой систему двух зеркал.

Резонатор обеспечивает многократное продуцирование световых волн, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, то есть увеличивается количество фотонов.

Схема лазера

От мазера к лазеру

В 1916 году Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном (индуцированном) испускании и поглощении фотонов. Спустя два десятка лет советский физик Валентин Фабрикант указал на возможность использовать вынужденное испускание для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество.

В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии Николай Басов и его научный руководитель Михаил Прохоров сделали доклад о том, что есть возможность использования вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн. Практически одновременно такое предположение высказал в Колумбийском университете  американский физик Чарльз Таунс.

Лауреат Нобелевской премии по физике Николай Геннадиевич Басов, 1960-е годы.

«В июле 1954 года в журнале Physics Review Letters была опубликована статья Чарльза Таунса, Дж. Гордона и Г. Цайгера, полученная редакцией 5 мая 1954 года. В статье сообщалось о том, что «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Это было первое сообщение о реализации молекулярного генератора — мазера», — рассказывает Евгений Проценко, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ.

Молекулярный квантовый генератор (мазер).

Первый источник электромагнитного излучения, работающий на переходах молекулы аммиака, испускал волну света длиной 1,25 сантиметра. Устройство назвали «мазер», сократив фразу «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Предшественник лазера создали одновременно и независимо две научные группы — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством Николая Басова и Михаила Прохорова и в Колумбийском Университете в США под руководством Чарльза Таунса.

«Обе группы предложили и создали аммиачный мазер в самом деле одновременно, о чем и свидетельствует Нобелевская премия. Поразительно, что при огромной разнице стартовых условий — мирная жизнь в США и военные и послевоенные годы в СССР — научные группы все же «сравняли счет» и одновременно сделали открытие, вознагражденное согласно его значимости», — делится воспоминаниями доктор физико-математических наук Иосиф Зубарев, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, работавший вместе с Николаем Басовым.

Собственно, лазер (сокращение от фразы light amplification by stimulated emission of radiation, что по-русски означает «усиление света посредством вынужденного излучения») появился на свет лишь спустя шесть лет после создания мазера. Это время было потрачено на поиск материалов и технологий, которые позволили достичь диапазона волн лазерного излучения — от 0,1 до 1000 микрометров.

«Шестнадцатого мая 1960 года в Лаборатории Хьюза (Калвер-Сити, Калифорния, США) физик Теодор Мейман реализовал условия для возникновения вынужденного излучения. Ученый использовал импульсную газоразрядную лампу, окружающую кристалл рубина длиной 1,5 сантиметра и около одного сантиметра в поперечнике. Спектр излучения рубина немного сузился, что свидетельствовало о вынужденном излучении света. Это было днем рождения лазера», — комментирует Андрей Кузнецов, исполняющий обязанности директора Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.

Николай Басов, выпускник МИФИ, известного раньше как Московский механический институт, организовал и возглавил там в 1978 году кафедру квантовой электроники. С 2016 года работу, начатую нобелиатом, продолжают в Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ, объединившем несколько кафедр.

Группа теоретиков ЛаПлаз и университета Бордо в 2015-2017 годах предсказала возможность создания сверхмощными лазерными импульсами магнитных полей с напряженностью до сотен миллионов Гаусс и выше, «вмороженных» в плазму. Такие поля на порядки превышают достижимые в настоящее время другими методами. Способ генерации основан на взаимодействии с мишенями особенной геометрии, устроенной таким образом, что токи ускоренных лазерным излучением частиц образуют мощнейший соленоид.

И совсем недавно, в октябре 2017 года, это предсказание получило подтверждение. На эксперименте, который проводился международной командой в Германии на установке PHELIX в GSI (Институт тяжелоионных исследований, Дармштадт), работали, в том числе, и студенты НИЯУ МИФИ. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями и открывают новые перспективы в фундаментальных и прикладных исследований, связанных так или иначе с магнитными полями и замагниченной плазмой.

Поскольку новый метод использует энергию лазерного излучения, то есть является «оптическим», особенно перспективным он выглядит в лазерно-физических исследованиях. В первую очередь речь идёт о задачах так называемой лабораторной астрофизики, то есть явлениях, которые впервые наблюдались в космосе. Астрофизическая плазма часто оказывается сильно замагниченной, что при пересчёте на параметры лабораторной плазмы соответствует магнитным полям свыше миллионов или даже миллиардов Гаусс, для генерации которых новый метод окажется незаменимым.

РИА Новости https://ria.ru/science/20171210/1510522571.html