Лазеры
Открытие физических принципов квантовой электроники в 1954 г. – одно из самых выдающихся достижений науки ушедшего века, придавшее значительный импульс развитию современной цивилизации.
Основой лазеров является созданная в 1916 г. А. Эйнштейном теория поглощения и испускания света атомами. Эйнштейн рассмотрел взаимодействие фотонов с системой (атомами и молекулами), обладающей двумя энергетическими уровнями E1 и E2, причем энергия фотона совпадает с разностью энергий этих уровней. Согласно теории Эйнштейна, переход E1 → E2 происходит с поглощением фотона hν= E2 – E1. Переход из возбужденного состояния E2 в нижнее состояние может происходить самопроизвольно (спонтанное излучение).
Помимо этого процесса, Эйнштейн предположил существование еще одного процесса, а именно, переход в нижнее состояние E1 под действием фотонов спонтанного излучения. Этот процесс был им назван вынужденным излучением
в 1938 г. советским физиком В.А. Фабрикантом был предложен метод экспериментального доказательства существования вынужденного излучения, он был первым, кто обратил внимание на принципиальную возможность создания среды, усиливающей излучение (отрицательная абсорбция).
Изобретение лазера (факты)
В 1951 г. В.А. Фабрикантом (СССР) совместно с М.М. Вудынским (СССР) и Ф.А. Бутаевой (СССР) была подана заявка на изобретение «Нового способа усиления электромагнитного излучения ультрафиолетового (УФ), видимого, инфракрасного (ИК) и радиодиапазона», которая не была принята. Авторское свидетельство было выдано только в 1959 г. А в 1964 г., уже после запуска лазеров, В.А. Фабрикант, М.М. Вудынский и Ф.А. Бутаева получили диплом об открытии №12 с приоритетом от 18 июня 1951 года на «Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания». К сожалению, это изобретение не было вовремя оценено, так как оно сильно опережало развитие науки в данном направлении и не было в то время подтверждено экспериментом.
В 50-е годы прошлого столетия возникла новая область исследований – радиоспектроскопия. В начале 50-х годов в лаборатории колебаний им. Л.И. Мандельштама и А.Д. Папалекси Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), по инициативе А.М. Прохорова, начались спектроскопические исследования молекул в радиочастотном диапазоне. В эти работы после окончания Московского физико- технического института (МФТИ) включился молодой ученый Н.Г. Басов.
В США радиоспектроскопией активно занималась группа ученых Колумбийского университета под руководством Ч. Таунса. Предметом исследований в области радиоспектроскопии являлось изучение строения молекул и их вращательных состояний, переходы между которыми лежат в области субмиллиметрового диапазона. В связи с тем, что расстояние между вращательными состояниями молекул малó, при комнатной температуре часть молекул переходит на верхнее возбужденное состояние, и наблюдать поглощение с нижнего энергетического состояния оказалось сложным. Кроме того, процесс наблюдения ухудшался допплеровским уширением линий. Для преодоления этих трудностей в радиоспектроскопии стали применять метод молекулярных пучков. Появилась идея – отделить молекулы, находящиеся на верхнем возбужденном уровне, от молекул, находящихся на нижнем уровне. Тогда фракция молекул, находящихся на нижнем уровне, будет поглощать свет, а находящиеся на верхнем под действием радиоволны будет давать вынужденное излучение.
Рассортировать молекулы по энергетическим состояниям удалось благодаря одному интересному свойству некоторых из них. Некоторые молекулы имеют дипольный момент, связанный с определенным распределением зарядов положительных ядер атомов, составляющих молекулу, и окружающих их электронов. Причем некоторые молекулы, например, аммиак NH3, имеют дипольный момент, величина которого различна для молекул, находящихся в разных энергетических состояниях определенного перехода в радиодиапазоне (λ=1,26 см).
В неоднородном электрическом поле молекулы аммиака, находящиеся на верхнем и нижнем энергетических уровнях, не только ориентируются, но и дрейфуют в направлении градиента неоднородности поля. Исходя из этого, если создать молекулярный пучок (например, аммиака) и пропускать его через сильно неоднородное электрическое поле, то можно разделить пучок на два: в одном будут преимущественно молекулы в нижнем состоянии, а в другом – в верхнем. Неоднородное электрическое поле создавалось так называемым «квадрупольным конденсатором». Такая «сортировка» молекул приводит к созданию инверсной населенности, т.е. получению активной среды.
Важным обстоятельством при «сортировке» молекул является то, что, согласно теории Эйнштейна, вероятность спонтанного перехода возбужденной молекулы пропорциональна γ 3 , т.е. время жизни ~λ3 . Например, для перехода с λ=1,26 см молекулы без потерь, находясь в возбужденном состоянии, могут пройти примерно 1 м пути. Если отсортированные в возбужденном состоянии молекулы ввести в резонатор, настроенный на определенную частоту соответствующего перехода, то при условии, что усиление вынужденного излучения молекул превосходит потери резонатора, можно получить генератор электромагнитных волн.
Первые публикации в печати, относящиеся к квантовым генераторам, появились в 1954 г. В январе 1954 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым была направлена в редакцию Журнала экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) статья «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул» [3], опубликованная в октябре 1954 г. В статье Н.Г. Басов и А.М. Прохоров писали: «Используя молекулярный пучок, в котором отсутствуют молекулы в нижнем состоянии рассматриваемого перехода, можно сделать «молекулярный генератор»». В мае 1954 г. Ч. Таунс с сотрудниками направил в журнал «Physical Review» статью «Микроволновой молекулярный генератор и новая сверхтонкая структура микроволнового спектра аммиака».
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». Таким образом, фактически одновременно и независимо были высказаны идеи, описан и осуществлен в 1954 г. в СССР Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и в США Ч. Таунсом с сотрудниками новый тип генератора радиоволн. Такой генератор электромагнитных волн был назван "МАЗЕРом".
МАЗЕР – аббревиатура английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление СВЧ волн с помощью индуцированного излучения). 1954 год считается началом нового направления науки – квантовой электроники. В 1964 г. Ч. Таунс, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе»
После создания мазера на аммиаке были проведены исследования в направлении разработки мазеров на твердом теле. Концепция и конкретная конструкция твердотельного мазера были детально разработаны профессором Гарвардского университета Н. Бломбергеном. Затем Г. Феер и его коллеги в лаборатории «Bell Telephone» сделали первый твердотельный мазер с использованием идеи Н. Бломбергена на кристалле этилсульфата гадолиния. Вскоре профессор К. Кикучи из Мичиганского университета разработал твердотельный лазер на искусственном кристалле рубина. Стандартный твердотельный мазер представлял собой огромное и очень тяжелое устройство весом 2,3 т, выполненное со сложными криогенными устройствами и магнитами.
Предполагалось, что мазер может детектировать и усиливать чрезвычайно малые микроволновые сигналы. Т. Мейман в этот период начал работать в лаборатории Хьюза (Hughes Research Laboratories) с мазером К. Кикучи, провел его усовершенствование и в 1959 г., закончив работу, уменьшил вес с 2,3 т до 11,3 кг. Заказчик, войска связи США, установили его на входе приемного радара и были удовлетворены его работой. В 1958 г. появилась статья Ч. Таунса и А. Шавлова «Оптические и инфракрасные мазеры» в журнале «Physical Review». В статье было высказано предложение создать инфракрасный лазер на парах калия, получившее большой резонанс в научном мире.
Начался интенсивный поиск сред, на которых можно было бы создать лазер. Т. Мейман выбрал для исследования кристалл розового рубина, оптические свойства которого он хорошо знал. Изучение квантового выхода флюоресценции, разработка идеи использования импульсной лампы с высокой яркостной температурой и применение эллиптического рефлектора были основой для создания Т. Мейманом лазера на кристалле рубина.
Первый работающий лазер
16 мая 1960 года Т. Мейман (США), вопреки мнению многих именитых ученых, запустил первый лазер именно на кристалле розового рубина. Впоследствии в книге «Лазерная Одиссея» Т. Мейман написал: «Замечу, в заключение, что хотя мазер был очень интересным предметом физических исследований в течение нескольких лет, он был всего лишь промежуточным этапом, который, возможно, даже отвлек внимание на пути создания лазера».
Надо отметить, что Т. Мейману не удалось опубликовать статью о создании лазера в престижных журналах «Physical Review Letters» или «Journal of Applied Physics». Известие о создании первого лазера нашло широкий отклик после организованной администрацией фирмы Хьюз пресс-конференции в отеле Дельмоника в Нью-Йорке 7 июля 1960 года. Краткий вариант статьи Т. Меймана, в котором впервые сообщается о получении когерентного света, был опубликован в журнале «Nature» 6 августа 1960 года под названием «Вынужденное оптическое излучение на рубине».
16 мая 1960 г. в США американским ученым и инженером Теодором Мейманом (1927–2007 г.г.) в исследовательской лаборатории фирмы Хьюз (Hughes Research Laboratories) был запущен первый лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). С этого момента началось бурное развитие лазерной науки и техники во всем мире.
Работы по созданию лазеров интенсивно велись в СССР, начиная с конца 1960 г. В ФИАН (г. Москва) и в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (ГОИ им. С.И. Вавилова, г. Ленинград) по инициативе академика А.А. Лебедева и д.ф.-м.н. М.П. Ванюкова.
Первый лазер в СССР
Первый в СССР лазер – рубиновый – был запущен 2 июня 1961 года в ГОИ им. С.И. Вавилова, в отделе академика А.А. Лебедева, лаборатории М.П. Ванюкова, Леонидом Дмитриевичем Хазовым с участием И.М. Белоусовой.
В ФИАН СССР лазер был запущен 18 сентября 1961 года М.Д. Галаниным, А.М. Леонтович, З.А. Чижиковой.
Предпосылками создания лазера в ГОИ им. С.И. Вавилова послужили глубокие научные заделы в области спектроскопии и люминесценции кристаллов (Д.С. Рождественский, С.И. Вавилов, П.П. Феофилов, А.Н. Теренин), в области физической оптики и импульсных источников света (А.А. Лебедев, М.П. Ванюков, А.М. Бонч-Бруевич, С.И. Левиков), а также первоклассные научные школы оптотехники и конструирования (В.П. Линник, Е.Н. Царевский, И.А. Тельтевский) и активных сред лазеров (В.Т. Славянский, А.И. Стожаров, Г.О. Карапетян). Именно благодаря этому в ГОИ им. С.И. Вавилова были начаты интенсивные разработки твердотельных лазеров.
С конца 1960 г. Л.Д. Хазовым было начато детальное изучение состояния разработки лазеров в США, а также подготовка элементной базы для запуска лазера на рубине в ГОИ им. С.И. Вавилова.
В 1961 году, после выхода статьи А. Джавана о запуске первого газового лазера на смеси газов гелийнеон, в ГОИ по инициативе И.М. Белоусовой были начаты работы в области газовых лазеров. В 1962 г. группой И.М. Белоусовой (куда входили И.М. Белоусова, О.Б. Данилов, И.А. Елькина) был запущен газовый гелий-неоновый лазер с плоским резонатором и резонатором плоскость–сфера. Конструкция гелий-неонового лазера была разработана выдающимся конструктором И.А. Тельтевским. Лазер был изготовлен на опытном производстве ГОИ, где работали блестящие мастера-оптики, сумевшие в те годы изготовить зеркала резонатора с точностями обработки поверхности до 0,01 полосы. Создание первых лазеров, твердотельного и газового, явилось началом интенсивных работ ряда отделов и групп ГОИ над новыми активными средами, улучшением параметров лазеров и их применением.
Поскольку автор статьи возглавляла исследования в области газовых лазеров, то в статье, в основном, уделено внимание именно работам ГОИ по разработке и применению газовых лазеров. Так, например, одним из первых применений газового гелий-неонового лазера явилась работа по передаче информации по лучу лазера (И.М. Белоусова, О.Б. Данилов, Ю.В. Попов, И.Н. Адрианова).
7 октября 1963 года была впервые осуществлена передача телевизионного изображения по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу на 1300 м между ГОИ и Ленинградской военно-инженерной космической академией (ЛВИКА) им. А.Ф. Можайского (С.И. Бахтин, В.М. Очеленков, Б.С. Данилов), продемонстрировавшая информационную емкость светового диапазона длин волн и возможность транспортировки излучения через атмосферу. Это было зафиксировано в протоколе работы комиссии сотрудников ГОИ и ЛВИКА по установлению факта передачи телевизионной информации с помощью лазера.
Дальнейшее развитие эти работы получили в опытно-конструкторской работе (ОКР) «Кратер» по созданию многоканальной линии связи (300 телефонных каналов) по лучу гелий-неонового лазера. ОКР велась Красногорским оптико-механическим заводом, ГОИ, ЛВИКА и Центральным научно-исследовательским институтом связи (ЦНИИС).
Опытные станции передачи информации были установлены на ряде объектов, в том числе в Москве, Армении и на космодроме «Байконур». На рис. 8 приведена фотография приемо-передающей станции «Кратер» и титульного листа журнала «Советский Союз» с изображением луча лазера над Москвой (1965 г.) при передаче информации 300 телефонных каналов по лучу лазера между Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова (МГУ) и г. Красногорском (33 км). Нельзя не отметить чрезвычайно важные эксперименты, проводимые в ФИАН СССР по первым применениям твердотельных лазеров. Так, в 1963 г. учеными ФИАН В.С. Зуевым и П.Г. Крюковым была впервые осуществлена локация Луны с помощью рубинового лазера с модулированной добротностью.
Подготовка кадров в области квантовой электроники являлась важной вехой в создании лазеров в СССР. В 1963 г. в ЛИТМО под руководством д.т.н., профессора К.И. Крылова была создана первая специализированная кафедра для подготовки специалистов в области лазерной техники и лазерной физики – кафедра квантовой электроники. За более чем 50-летний период на кафедре было подготовлено более 1200 специалистов-лазерщиков, которые в настоящее время работают на многих предприятиях России и зарубежных стран. С момента возникновения на кафедре начали проводиться научные исследования по важнейшим фундаментальным и прикладным вопросам квантовой электроники.
В конце 1960-х годов на кафедре под руководством К.И. Крылова были запущены мощные лазеры на углекислом газе, которые были совместно с медиками (профессор Б.И. Хромов) применены в пионерских работах по лазерной хирургии.
Разработка и создание лазеров
Разработка и создание лазеров находились под постоянным вниманием правительства СССР, прежде всего, Министра оборонной промышленности С.А. Зверева, знавшего досконально оптическую отрасль, науку и промышленность, который неоднократно бывал в ГОИ им. С.И. Вавилова.
В 1964 г. в Москве Министерством оборонной промышленности была организована первая выставка разработанных в СССР лазеров. На выставке демонстрировались газовые лазеры и лазерное телевидение, твердотельные и полупроводниковые лазеры, первые дальномеры на лазерах – разработки ГОИ, Научно-исследовательского института прикладной физики (НИИПФ), Ленинградского оптико-механического объединения (ЛОМО) и др.
Выставку посетил Первый секретарь ЦК КПСС, Председатель Совета Министров СССР Н.С. Хрущев. После проведения выставки было издано первое постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о развитии лазерной техники в СССР. В работы в области исследований, создания и применения лазеров включились десятки организаций, в том числе Академия наук СССР, предприятия оптической отрасли, электронной и радиопромышленности, учебные учреждения. В СССР началась эпоха бурного развития лазеров различных типов и назначений.
В 1971 году на базе лазерной лаборатории был создан лазерный отдел ГОИ им. С.И. Вавилова. В 1993 г. на базе этого отдела был организован НИИ лазерной физики, который возглавил профессор Артур Афанасьевич Мак .
В 2005 г. НИИ лазерной физики был переименован в ФГУП «Научно-производственная корпорация «ГОИ им. С.И. Вавилова», ныне ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова». ГОИ им. С.И. Вавилова – один из ведущих центров страны в области лазерной физики.
Многие исследования, выполненные в ГОИ, явились основой для создания систем и приборов, находящихся на мировом уровне либо превосходящих его.
Важнейшими направлениями теоретических и экспериментальных исследований НИИ лазерной физики и лазерного отдела (ныне отделения) являлись и являются разработка и исследования лазеров и лазерно-оптических систем с уникальными параметрами. Подробно направления работ и достижения в области лазеров и их применений в ГОИ им. С.И. Вавилова освещены в статье, поэтому здесь отметим только некоторые из них. Необходимо подчеркнуть, что в течение всех лет, начиная с 1962 г. ГОИ им. С.И. Вавилова был тесно связан с промышленностью и, прежде всего, с ЛОМО, которое уже в 1965 г. выпустило серийный твердотельный лазер (на неодимовом стекле) с энергией 1000 Дж (ГОС-1000), сразу же нашедший широкое применение в научных и военных организациях.
Одной из самых крупных программ в 70–80-ые годы прошлого столетия являлась программа лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В ГОИ программы по ЛТС были начаты в 1963–1964 г.г. по инициативе М.П. Ванюкова. Далее эти работы возглавил А.А. Мак. Под его руководством была создана шестиканальная лазерная установка «Прогресс» (в филиале ГОИ в Сосновом Бору), на которой впервые в мире были проведены эксперименты со сферическими мишенями при импульсах излучения с управляемой формой и длительностью (В.А. Серебряков, А.Д. Стариков, А.В. Чарухчев и др.). В 1970–1990 г.г. при научном руководстве сотрудников ГОИ промышленностью было создано большое число лазерных систем, более двух десятков которых были приняты на вооружение Советской Армии.
Целый ряд исследований и разработок был направлен на реализацию твердотельных и газовых лазеров с малой угловой расходимостью, близкой к дифракционной, на разработку резонаторов различного типа, на изучение причин неоднородностей в активных средах и их устранение, на осуществление точной адресации лазерного пучка, а также методов нелинейной коррекции аберраций в лазерных средах и оптических элементах (А.А. Мак, Ю.А. Ананьев, В.Е. Шерстобитов, А.А. Лещев, Л.Н. Сомс, С.А. Димаков и др.).
Новые возможности в области создания лазерных систем для ЛТС открыли работы по компрессии методами вынужденного рассеяния импульсного лазерного излучения и возможности получения пикосекундных лазерных импульсов, способных конвертировать на мишени излучение до 1019 Вт/см2 и получить рентгеновское излучение с интенсивностью до 1015 Вт/см2 (С.Б. Паперный, В.Е. Яшин и др.).
Значительное место в работах лазерного отдела ГОИ уделялось созданию высокостабильных твердотельных лазеров, которые обеспечивали прогресс в области создания систем связи, локации и измерительных систем (В.И. Устюгов, А.А. Орлов и др.).
Широкомасштабные исследования проводились в лазерном отделе по газовым лазерам (фотодиссоционным, СО2- и СО-лазерам) под руководством И.М. Белоусовой, О.Б. Данилова и В.Е. Шерстобитова. Одновременно с экспериментальными исследованиями и разработками лазерных приборов и систем под руководством профессора Н.Н. Розанова широким фронтом велись теоретические исследования и численное моделирование оптических процессов в лазерах и системах на их основе, в том числе распространения лазерного излучения в средах (воде и атмосфере), что дало опорные предпосылки для оптимизации лазерных систем.
Важнейшим фактором являлось развитие лазерного направления в учебных учреждениях страны, прежде всего в ЛИТМО, МИФИ, МФТИ, ЛПИ и ЛЭТИ. Так, в ЛИТМО в 1970–1980 г.г. велась научная работа по созданию твердотельных лазеров высокой мощности, исследованию нелинейно-оптических свойств материалов квантовой электроники, созданию новых твердотельно-жидкостных лазерных активных сред на красителях. Эти работы проводились в тесном сотрудничестве как с академическими, так и с отраслевыми научно-исследовательскими институтами и предприятиями (Институт химии силикатов АН СССР, Институт общей физики АН СССР, Институт космических исследований, ГОИ им. С.И. Вавилова, ЛОМО и др.).
В 1984–1989 г.г. на кафедре квантовой электроники был разработан компактный лазерный излучатель с рекордными характеристиками для международного космического проекта по программе «Фобос». Данная программа положила начало широкому участию специалистов кафедры квантовой электроники в различных проектах по созданию разнообразных твердотельных лазерных излучателей с уникальными характеристиками.
Так, для применения в офтальмологии был разработан твердотельный лазер с длиной волны излучения 200 нм, совместно с австрийской компанией LMI для стоматологии была разработана трехволновая лазерная система «Оникс», для технологических применений – лазер высокой яркости на неодимовом стекле с энергий генерации более 15 кДж, для дальномеров – несколько типов импульсных лазерных излучателей.
В настоящее время кафедра носит название «Кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики», и одним из основных направлений исследований стали научные работы в области биомедицинских применений (стоматология, косметология, хирургия). В период 1988–2007 г.г. научно-учебную работу успешно и плодотворно осуществлял филиал кафедры в ГОИ им. С.И. Вавилова и Институте лазерной физики под руководством профессора А.А. Мака.
Мощные частотно-импульсные CO2 лазеры
Исследования по изучению взаимодействия импульсного излучения ФДЛ с веществом, а также успехи в области разработки CO2-лазеров привели к концу 70-х годов прошлого столетия к развитию идей создания импульсно-периодических лазеров со средней мощностью мегаваттного уровня. Разработку такого электроионизационного (ЭИ) CO2-лазера возглавило НПО «Астрофизика», созданное как головная организация страны по разработке лазерного оружия.
Под руководством В.К. Орлова и Н.В. Чебуркина на полигоне «Радуга» (И.С. Косминов) был в короткие сроки создан частотно- импульсный ЭИ CO2-лазер с энергией в импульсе 5–10 кДж и частотой следования импульсов 100– 150 Гц. В течение нескольких лет в НПО «Астрофизика» совместно с ГОИ им. С.И. Вавилова (лаборатория И.М. Белоусовой) были разработаны системы формирования и доставки мощного лазерного излучения по горизонтальной атмосферной трассе.
Впервые было продемонстрировано действие линейных адаптивных систем коррекции аберрации волнового фронта (ВФ) лазера и аберрации на атмосферной трассе до 4 км. Для коррекции динамических неоднородностей в мощном лазере была разработана и использована схема улучшения угловой расходимости на основе метода обращения волнового фронта, была достигнута дифракционная расходимость ЭИ CO2-лазера (лаб. В.Е. Шерстобитова).
Одновременно разрабатывались оптические системы формирования, локации, наведения мощного лазерного излучения на объекты (НПО «Астрофизика», ГОИ им. С.И. Вавилова (лаб. П.П. Захарова)). Лазерные программы в СССР координировал Научно-технический совет, возглавляемый академиками Н.Г. Басовым и Е.П. Велиховым, они находились под пристальным вниманием Правительства СССР, непосредственно Министра обороны СССР Д.Ф. Устинова и Министра оборонной промышленности С.А. Зверева.
Итак, обратив внимание к истории создания лазеров, мы видим, как человечество двигалось и двигается от миллиджоулей и милливатт первых лазеров к мегаджоулям и мегаваттам современных лазеров и гигаваттам будущих лазерных систем. Расширяются сферы применения лазеров. Область лазерной физики и техники неисчерпаема, хотя и, безусловно, усложняется.
Per aspera ad astra! Автор благодарит заведующего кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики, профессора В.Ю. Храмова за предоставленные материалы об истории кафедры.
По материалам:
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ
Автор: И.М. Белоусова
К 95-летию ГОИ им. С.И. Вавилова
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики
Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 2 (90)