Лазерный мир

Работы академика Басова в области лазерной физики определили технический и социальный прогресс в XXI веке Аполлонов Виктор

Николай Басов родился 14 декабря 1922 года в деревне Усмань Тамбовской губернии и, пожалуй, это единственный лауреат Нобелевской премии, родившийся в РСФСР. Через 16 дней после его рождения к РСФСР присоединятся Украинская и Белорусская ССР, а также Закавказская СФСР и появится великий Союз Советских Социалистических Республик.

Через пять лет семья профессора Воронежского лесного института, специалиста по влиянию лесопосадок на подземные воды и поверхностный дренаж Геннадия Федоровича Басова и его супруги – Зинаиды Андреевны Молчановой окончательно переехала в Воронеж.

Синхротрон за аспиранта

Надо сказать, что путь от начала высшего образования до научного прорыва, принесшего Нобелевскую премию, у Николая Геннадиевича был исключительно быстрым, самым быстрым для советского физика. Правда, с высшим образованием пришлось повременить: когда Николаю исполнилось 19, началась Великая Отечественная война. Именно в Куйбышевской медицинской академии он прошел подготовку как ассистент врача и с 1943 года отправился на Первый Украинский фронт и дошел до Праги. Удивительно – оба советских создателя лазера прошли самую жестокую войну и тем не менее уцелели!

Сразу после Победы Николай Басов поступил в МИФИ и начиная с третьего курса стал работать лаборантом в ФИАН. Вся его дальнейшая научная жизнь была тесно переплетена с жизнью Александра Михайловича Прохорова. Когда в лабораторию Прохорова пришел дипломник Басов, завлабораторией убедил директора ФИАН ввести для начинающего ученого еще одну штатную единицу, а за это обещал предоставить свой синхротрон для исследований по другому научному направлению, важному для института. В ФИАН тогда говорили, что Прохоров обменял синхротрон на какого-то студента, а сам Александр Михайлович шутил, что Николай Басов достался ему чрезвычайно дорого. Но и в ФИАНе тоже шутили об отношениях двух корифеев! У нас на Вавилова по бокам здания института были две палатки, торговавшие пивом. Одна на улице Губкина – рядом с нашим корпусом и на улице Ляпунова – рядом с корпусом Басова. Так вот эти палатки ироничные физики всех поколений так и звали – Прохоровка и Басовка.

Вот в таких условиях началась творческая жизнь выдающегося ученого. Собственно говоря, в кандидатской диссертации, защищенной в 1953 году, и в последующей докторской, защищенной в 1956-м, содержались наброски того, за что потом он и его научный руководитель были удостоены Нобелевской премии.

Свой путь по дороге Эйнштейна

В 1955 году Прохоров и Басов опубликовали сообщение о так называемом трехуровневом методе. Надо отметить, что над аналогичной идеей работал американский физик Чарльз Хард Таунс из Колумбийского университета, назвавший свое творение мазером. Александр Прохоров и Николай Басов называли его молекулярным генератором, исходя из физической сути прибора. Принцип работы этого устройства можно объяснить, исходя из теории Альберта Эйнштейна, сформулированной еще в 1917 году. Результатом его исследования, в частности, стало уравнение, описывавшее поглощение и испускание излучения молекулами. Однако довольно долго изучение этих процессов было лишь важной частью теоретической физики. Басов и Прохоров перевели это теоретически предсказанное излучение в практическую плоскость. Они не только смогли усилить это излучение, но и на его основе создали молекулярный генератор – мазер. Им удалось добиться увеличения количества возбужденных молекул с помощью электрического поля квадрупольного конденсатора. Мазер генерировал излучения с поразительно узкой линией в сантиметровой области длин волн.

В 1960 году физик из компании «Хьюз Эйркрафт» (США) сконструировал прибор, излучающий уже в оптическом диапазоне длин волн, в основе которого также лежала идея инверсной населенности уровней. Прибор Теодора Меймена очень быстро приобрел широкое распространение и название ему было уже предопределено – лазер. В 1964 году Николай Геннадиевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и Чарльз Хард Таунс были удостоены Нобелевской премии.

Однако на этом лауреат не остановился. Он продолжил разрабатывать новые виды лазеров и лазерные технологии различных типов и направлений. Следует сказать, что Басов, как и его учитель, занимался не только наукой. Он также был редактором нескольких журналов: «Наука», «Квантовая электроника», «Природа», «Квант», в 1978–1990 годах возглавлял Всесоюзное просветительское общество «Знание», был членом многих иностранных академий наук. Басов вел и активную общественную работу, был членом пленума ВАК СССР, председателем физической секции и членом пленума Комитета по Ленинским и Государственным премиям при Совете министров СССР, членом Советского комитета защиты мира и Всемирного Совета Мира, заместителем председателя секции Парламентской группы СССР по вопросам мира и разоружения, делегатом XXVI съезда КПСС, делегатом XVII съезда профсоюзов, депутатом Верховного Совета СССР IX и X созывов, избран членом Президиума Верховного Совета СССР.

Научная работа двух фронтовиков, учителя и ученика, привела к гениальному открытию, которое, и в этом нет никаких сомнений, является одним из самым важных в XX веке. Формулировка Нобелевского комитета гласит: «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе».

Суть прорыва, совершенного академиками Басовым и Прохоровым, в итоге завершившегося в полном соответствии с вердиктом Нобелевского комитета созданием лазера, подробно описана во многих источниках. Моя задача ученого, много раз встречавшегося с Николаем Геннадиевичем Басовым в разных ситуациях, заключается и в том, чтобы добавить своих красок для дополнения образа этого великого человека.

Каждому своя колея

После получения Нобелевской премии академики Басов и Прохоров прожили еще почти четыре десятка лет. Ходили в научном сообществе слухи, что по возвращении из Стокгольма ученые якобы поссорились на почве доступа к военному госзаказу страны. И раздел в те годы Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР на два учреждения – это как бы следствие ухудшившихся отношений. И лазерная физика в нашей стране якобы стала развиваться двумя отдельными и независимыми ветвями. Но это совсем не так. Досужие домыслы и сплетни, чем грешили и грешат многие жадные до скандалов журналисты и ученые без имени, – и не более. Тем не менее благодаря этой «вражде» Россия стала мировым лидером в лазерной физике как в гражданской, так и в военной сферах деятельности. В любой активно развивающейся области знания, и это аксиома, для развития необходима конкуренция. Есть она и в науке, даже в большей степени, чем где-либо. Так что именно разумная и полезная для дела конкуренция и была воспринята окружающими как основание для пересудов. Проработав в лазерной физике более 50 лет, утверждаю – между этими погруженными в науку выдающимися учеными вражды не было и быть не могло.

Николай Геннадиевич Басов тесно сотрудничал с 25-й кафедрой МИФИ. Половина сотрудников его лаборатории работали со студентами, отбирая лучших после окончания института к себе в научные группы. Попасть на работу или в аспирантуру ФИАН было сокровенным желанием многих студентов, проходивших учебно-исследовательскую работу на кафедре. Было это и моим желанием, которое удалось реализовать сразу после защиты диплома. Только попал я в ФИАН не в Лабораторию КРФ к Басову, что было бы логично, а в Лабораторию колебаний, которую в то время возглавлял другой Нобелевский лауреат – Александр Михайлович Прохоров. Повлиял на это Михаил Дмитриевич Миллионщиков, возглавлявший 10-ю кафедру МИФИ, активно сотрудничавшую с 25-й. Дело в том, что моя дипломная работа выполнялась на этой кафедре масс-спектрометрии, где при моем участии и был собран мощный твердотельный лазер для исследования многозарядных ионов. Михаил Дмитриевич часто интересовался нашей работой и непосредственно перед выпуском из института посоветовал пойти к своему близкому товарищу. Надо сказать, что лаборатории Басова и Прохорова тесно сотрудничали и проводили совместные научные семинары. Шел обмен идеями, результатами и научным оборудованием. Это очень помогало в работе и в нахождении ценных советов в нужные моменты.

Величие великих

Лаборатории колебаний и квантовой радиофизики ФИАН вели много научных исследований для промышленного и оборонного комплексов страны. За счет этого их реальный бюджет увеличивался многократно в сравнении с другими подразделениями, жившими на чисто академические деньги. Волей судьбы мне выпало оказаться в гуще событий, связанных с созданием высокоэнергетических лазеров. Именно поэтому встречи с Басовым стали более частыми. Иногда по поручению Прохорова приходилось принимать участие в обсуждениях научно-технических вопросов на заседаниях различных советов по разработке, созданию и применениям мощных и высокоэнергетических лазеров в промышленности и в оборонной сфере. Дело в том, что мне посчастливилось совместно с Александром Михайловичем Прохоровым и Александром Ивановичем Барчуковым сформулировать основы открытой нами силовой статической и адаптивной оптики, без которой не может работать ни один высокоэнергетический лазер. Мы в России также были первыми, кто благодаря эффективному охлаждению, взятому из технологии силовой оптики, достигли уровня в 100 Вт с одной линейки. Именно их и не было у Николая Геннадиевича Басова и его сотрудников в свое время при создании первого дискового лазера и накачку диска пришлось проводить с помощью другого лазера с соответствующей длиной волны. Это вызывало улыбки и даже иронию у многих известных ученых ФИАН. Но в том и величие великих, что они видят гораздо дальше современников и каждым своим шагом создают будущее. Сегодня дисковый лазер является единственным кандидатом, позволяющим создание стратегических лазерных комплексов ЛО с минимальными весами и габаритами.

Николай Басов совместно с Юрием Поповым и Бенционом Вулом предложили теорию создания различных типов полупроводниковых лазеров. В 1962 году была выдвинута идея создания инжекционного лазера, затем были созданы лазеры, возбуждаемые электронным пучком, а в 1964-м – полупроводниковые лазеры с оптической накачкой.

Академик Басов развивал исследования мощных газовых и химических лазеров. В его лаборатории созданы фторводородный, йодный и эксимерный лазеры, а также сумматоры – преобразователи лазерного излучения. Ряд работ Басова посвящен вопросам распространения и взаимодействия мощных лазерных импульсов с веществом. Ему принадлежит идея использования лазеров для управления термоядерным синтезом (1962), им же предложены методы лазерного нагрева плазмы, а также стимулирования химических реакций лазерным излучением. Николай Басов с сотрудниками разработал физические основы создания квантовых

стандартов частоты, выдвинул идеи новых применений лазеров в оптоэлектронике, такие как создание оптических логических элементов, выступал инициатором многих исследований в области нелинейной оптики.

Гений академика причастен и к созданию твердотельного лазера – дискового. Этой его идее, правда, уже 55 лет, но именно «басовский» принцип построения мощных лазерных комплексов оказывается сегодня и надолго в будущем доминирующим. При том же, весьма выгодном весовом факторе, что и для волоконного, сегодня этот конструктивный принцип позволяет реализацию высокоэнергетического высокочастотного И-П режима, так как апертура существующего дискового лазера имеет диаметр порядка 1,5 сантиметра, что значительно больше диаметра активного тела волоконного лазера.

Здесь надо вспомнить давний визит немецкой делегации в Лабораторию квантовой радиофизики, которой руководил академик Басов. Не до конца понятая гостями продемонстрированная им твердотельная технология лазера на основе дисковой геометрии (патент тем не менее принадлежит одному из гостей – физику А. Гиссену из Штутгарта) привела к выработке современного дизайна дисковых лазерных систем, не позволяющему существенное масштабирование мощности комплексов ЛО до стратегического уровня. Много позднее, во время конференции в Японии мне удалось несколько раз поговорить с автором идеи о ее будущем. Николай Геннадиевич, открывавший конференцию, поделился со мной своим видением проблемы дисковой геометрии. Единственно перспективным, на его взгляд, подходом к созданию всей линейки твердотельных лазеров большой мощности от тактического и до стратегического уровня могла бы явиться моно-модульная технология. Но для этого необходимо было найти решения двух проблем: охлаждения диска большого диаметра и подавления усиленного спонтанного шума в нем.

В существующей ныне геометрии дискового лазера, развитой ФРГ, США и Японией, для увеличения средней мощности системы излучения нескольких дисков складываются в оптическую последовательность ZIG-ZAG, значение средней мощности такого модуля сегодня уже составляет 50 кВт. Излучение модулей, как и в случае волоконных систем, может складываться в единый луч. Исходя из приведенных цифр видно, что 100-кВт лазер будет весить менее 500 килограммов. Однако следует отметить, что для выполнения задач ВС РФ нужны комплексы ЛО значительно большей средней мощности. А от дисковой геометрии модулей мощностью даже 75 кВт (это увеличение планируется за счет качества отражающих покрытий) до уровня мощности всей системы порядка 10 МВт – дистанция гигантского размера. Сложить мощность более 100 модулей в единый луч в случае мобильного комплекса не представляется возможным. Именно мысли академика Басова работают сегодня, так как только при создании единого диска большого диаметра возможно сегодня дальнейшее масштабирование выходной мощности такого лазера. Именно этот путь реализации высокоэнергетических дисковых лазеров мы и развиваем сегодня благодаря истинному автору идеи дисковой геометрии активного тела лазера – Николаю Басову. Однажды, уже в конце пути, он заметил: «Мы не смогли сделать стратегическое лазерное оружие, но мы очень хорошо продвинули лазерную физику! Создали в стране хорошую школу ученых, способных решать сложные научные задачи».

Осанна ушедшему

В памяти сохранился эпизод, случившийся на торжествах по случаю 60-летия ученого секретаря ФИАН Александра Ивановича Барчукова, талантливого физика-экспериментатора, человека, сделавшего невероятно сложную работу при подготовке и согласовании документов, представленных в Шведскую академию на стадии номинирования на премию. Тогда в его зону ответственности входило и сложное в то время согласование и отправление документов будущих номинантов. Чтобы лучше понять обстановку вокруг номинации в те годы, постараюсь передать разговор двух лауреатов во время празднования. Речь шла о потерях страной почти гарантированных Нобелевских премий из-за бюрократических препон, выстраиваемых чиновниками. Шведская академия, по их словам, последовательно предлагала назвать три фамилии людей, причастных к запуску первого спутника, первого космонавта, первой стыковки в космосе, первого выхода в космическое пространство и так далее. Но каждый раз что-то мешало это сделать. То ли трудность с определением троих из длинного списка творцов успехов, то ли секретность, то ли еще что. Так что у Барчукова была трудная работа, но человек и ученый с большой буквы, прошедший войну от звонка до звонка, со своей задачей в тот момент великолепно справился.

И еще несколько слов на тему Нобелевской премии и бюрократических проволочек. В нашей великой стране жил и работал выдающийся советский и российский физик-теоретик, пионер лазерной физики, в частности метода лазерного охлаждения атомов, Владилен Степанович Летохов. Но тем не менее Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена группе исследователей в составе Стивена Чу, Уильяма Филипса (США) и Клода Коэн-Таннуджи (Франция) за работу о лазерном охлаждении атомов. Автору идеи и теоретического обоснования среди этих нобелиатов места не нашлось. Как говорили наши российские лауреаты, количество претендентов от США и Англии начинает определять и качество ежегодно выдаваемых премий.

И в заключение осанны Николаю Басову хочу привести слова еще одного великого ученого, лауреата Нобелевской премии Жореса Ивановича Алферова. По его мнению, технологический и социальный прогресс ХХ века определили три открытия в области физики. Первое – деление урана, открытое немецкими учеными Ганном и Штрасманом в 1938 году. Второе – изобретение транзисторов в 1947 году Джоном Бартином и Уолтером Браттейном, подготовившее компьютерную революцию. И третье – открытие Николаем Басовым, Александром Прохоровым и Чарльзом Таунсом лазерно-мазерного принципа, послужившее толчком к развитию многих и военных, и мирных технологий. И это прежде всего полупроводниковые лазеры и оптоволоконная связь.

В начале XXI века выдающийся российский научный тандем ушел с разницей чуть больше, чем в полгода. Первым, 1 июня 2001 года, не стало ученика – Басова. Вторым, 8 января 2002 года, ушел учитель. Александр Михайлович очень любил своего талантливого ученика, относился к нему с огромным уважением и тяжело переживал безвременный уход соратника по созданному ими новому разделу физики. И лежат они на Новодевичьем кладбище рядом так же, как жили последние десятилетия в одном доме в Кунцеве и трудились бок о бок в своих институтах на улице Вавилова. Их уже нет с нами более 20 лет, а наука, созданная этими титанами, продолжает держать в напряжении многие тысячи ученых и инженеров по всему миру и создавать новые точки роста во многих областях знаний. Виктор Аполлонов, академик, заведующий отделом Мощные лазеры Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН Опубликовано в выпуске № 36 (899) за 21 сентября 2021 года

Источник: https://vpk-news.ru/articles/63932