Гиперболоид русских физиков: как создавался первый в мире лазер

Лазерные технологии Комментарии к записи Гиперболоид русских физиков: как создавался первый в мире лазер отключены

Гиперболоид инженера Гарина стал частью русской культуры задолго до того, как появились первые мазеры, а затем лазеры. Писатель Алексей Толстой предопределил развитие не только русской, но всей мировой науки, а русские физики Александр Прохоров и Николай Басов воплотили его фантастическую идею в жизнь.
Сегодня лазер является неотъемлемой частью нашей жизни. Тяжело представить сферу деятельности, где мы не используем лазерные технологии. От точных операций в микрохирургии до мега-лазера, уничтожающего астероиды. Печатающие принтеры и музыкальные диски, целеуказатели и дальномеры, считыватели штрих-кодов и прецизионные фрезы, медицинские скальпели и приборы навигации, системы передачи информации на расстояние и сварочные аппараты, промышленные резаки и инструменты светового шоу — неполный список лазерных устройств. Всё это стало возможно благодаря разработкам в фундаментальной физике.

В 1964 году Нобелевскую премию «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе» получают Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс. Эта была одна из тех редких Нобелевских премий, когда награда нашла героев практически сразу после сделанного ими открытия.

Александр Прохоров, из семьи профессиональных революционеров, родился 11 июля 1916 года в австралийском городе Атертоне, где его родители скрывались от царской жандармерии после удачного побега из сибирской ссылки. После завершения гражданской войны семья Прохоровых вернулась в Советскую Россию. В 1934 году будущий нобелевский лауреат поступил на физфак Ленинградского Университета. А в 1939 перебрался в Москву, став аспирантом в ФИАНе, в лаборатории колебаний Леонида Мандельштама. В 1941 году ушёл на фронт в ополчение, разведчиком. Два ранения, медаль «За Отвагу», демобилизован в 1944 году. В 1946 защитил кандидатскую, а в 1951 — докторскую.

Чарльз Таунс — американский физик. Родился 28 июля 1915 года, Гринвилл, Южная Каролина, США. В 1939 году получил степень PhD и устроился работать в Bell Laboratory. Во время войны участвовал в разработке радаров для бомбометания по заказу Пентагона. В 1948 перешёл в Колумбийский университет, где занялся изучением индуцированного излучения в СВЧ-диапазоне, опираясь на свой опыт в разработке СВЧ-радаров для армии США.

Николай Басов, родился 14 декабря 1922 года, в городе Усмань Тамбовской губернии (сейчас относится к Липецкой области), РСФСР. После начала Великой Отечественной войны был отправлен на учёбу на ассистента врача в Куйбышевской медицинской академии, с 1943 года воевал на 1-м Украинском фронте, закончил войну в Праге. После войны в 1946 году поступил в Московский инженерно-физический институт (МИФИ) — увидел из трамвая объявление о внеочередном наборе в Московский механический институт (так тогда назывался МИФИ). На третьем курсе попал в ФИАН. Туда же пошёл в аспирантуру. Где и работал под началом Александра Прохорова.

 

В 1952 году на Всесоюзной конференции по спектроскопии Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов делают доклад о возможности создания устройства, которое будет испускать когерентное микроволновое излучение за счёт вынужденного (индуцированного) излучения молекул. Этот доклад положил начало квантовой электронике и дальнейшему появлению мазеров и лазеров.

«Нам приходилось принимать во внимание эффект Эйнштейна, который в 1916 году показал: если возбужденную молекулу облучать светом определенной частоты, то, переходя в нижнее энергетическое состояние, она будет изучать квант той же частоты, — вспоминал потом Александр Прохоров. — Это и есть вынужденное излучение. Тогда и пришла идея молекулярного генератора (мазера). Мы его сделали в СВЧ-диапазоне, так как именно он использовался в радиоспектроскопии». При этом научное сообщество к «забавам» молодых физиков относилось с улыбкой. После докладов на научных конференциях профессору Прохорову и его аспиранту часто приходилось слышать слова «у вас крыша поехала», а сам Лев Ландау во время обсуждения когерентности излучения молекул в резонаторе за счёт собственного поля говорил прямо: «этого не может быть, так как не может быть никогда!». Но Басова и Прохорова, бывших фронтовиков, такими заявлениями было не смутить, а авторитетами — не запугать, и они продолжали свои теоретические и экспериментальные разработки.

В 1954 году Чарльз Таунс, работавший параллельно и независимо от русских физиков, сообщает, что в Колумбийском университете «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Новый прибор получил имя «мазер» (MASER: Мicrowave Аmplification by Stimulated Emission of Radiation (микроволновое усиление с помощью индуцированного стимулированного излучения).) По словам самого Чарльза Таунса: «на изобретение мазера его вдохновила прочитанная книга А. Н. Толстого „Гиперболоид инженера Гарина“, которая вышла в 1936 году».

 

После публикации статьи коллеги Чарльза Таунса стали расшифровывать MASER по-своему: «способы получения поддержки для дорогостоящих исследований» (Means of Acquiring Support for Expensive Research). Намекая, что ему удаётся тратить деньги, в том числе из военного бюджета на абсолютно не нужные исследования. Если Таунс в своих исследованиях опирался на опыт, полученный во время работы с радарами, и во многом шёл наугад, методом проб и ошибок, надеясь на удачу, то Прохоров и Басов с самого начала поставили во главу угла теоретическое обоснование.

«Духа военного времени в лаборатории не чувствовалось. Я немного моложе Александра Михайловича. Во время войны он тоже был в армии, но и он не занимался в войну радиотехникой. Поэтому мы не были исследователями радаров, и в этом смысле у нас и у американских учёных несколько разные подходы к развитию квантовой электроники», — вспоминал Николай Басов. Как отмечал другой Нобелевский лауреат Виталий Гинзбург: «Для Николая Басова характерно стремление осмысливать физическую картину явлений по возможности до эксперимента, что позволило ему идти, как правило, кратчайшим путём к цели». Статья Александра Прохорова и Николая Басова

«Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул», опиравшаяся на результаты, представленные в докладе 1952 года, была готова к публикации в начале 1953 года. Однако авторы обнаружили, что «в численных коэффициентах условий самовозбуждения было пропущено 2π в какой-то степени», и они забрали её на доработку. В итоге статья была отправлена в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» в декабре 1953 г. и напечатана в октябре 1954 г., т. е. после публикации статьи Таунса о мазере. В своей работе Прохоров и Басов провели детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков в радиоспектроскопии. Было показано, что молекулы одного итого же вещества, находящиеся в пучке в разных энергетических состояниях, могут быть разделены путём пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. С разделёнными по энергетическим состояниям молекулы, попавшими в микроволновый резонатор, происходит или поглощение, или их умножение (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). Александр Прохоров и Николай Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который они назвали «молекулярным генератором». Спустя несколько месяцев после публикации статьи Таунса о мазере, Прохоров и Басов собрали свою собственную установку мазера (в количестве трёх штук, для исследования их частотной стабильности).

В 1955 году Александр Прохоров на конференции Фарадеевского общества в Англии представил «Теорию молекулярного генератора и молекулярного усилителя мощности», разработанную совместно с Николаем Басовым. На этой конференции Прохоров и Таунс впервые были представлены друг другу. В своей новой работе Басов и Прохоров предложили, в частности, метод трёх уровней, который открывал возможности по созданию мазеров с излучением в видимом диапазоне. Поэтому эти приборы стали называться лазерами (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). В 1956 году Николай Басов защитил докторскую диссертацию «Молекулярный генератор», т. е. мазер. «Николаем Басовым совместно с Александром Прохоровым, — отметил в своём отзыве на докторскую диссертацию другой Нобелевский лауреат академик Виталий Гинзбург, — была разработана нелинейная теория молекулярного генератора. Эта теория проста и нуждается ещё в развитии, но она адекватна (в первом приближении) сути дела и достаточна для конструирования и наладки прибора». В 1959 г. за создание нового метода генерации и усиления электромагнитных волн Прохоров и Басов получают Ленинскую премию. Однако первый лазер был создан не нобелевскими лауреатами. 16 мая 1960 года американский инженер Теодор Майман запустил лазер на основе кристалла рубина и спиральной импульсной лампы. Зеркальное напыление на гранях кристалла рубина позволило получить эффект резонатора Фабри-Перо и обеспечить необходимую накачку по методу трёх уровней. Статью Теодора Маймана не стали принимать к публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «статье нет ничего принципиально нового». Ведь два года назад они уже публиковали статью Bell Laboratory о возможном устройстве лазера. Кстати, Bell Laboratory оформило на себя патент на лазер, не имея ни одного работающего прототипа (остаётся только удивляться, что они при такой прыти не получили и Нобелевскую премию). Опубликовать статью о своём лазере Майману удалось лишь в Nature.

Полное содержание статьи: https://properm.ru/news/society/208708/

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top