История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Предложение Таунса и Шавлова

ГЛАВА 12

Война патентов

ГЛАВА 13

Мейман начинает создавать рубиновый мазер

Рубиновый лазер

Второй твердотельный лазер

Гелий-неоновый лазер

Цезиевый лазер

Неодимовый лазер

Лазеры на органических красителях

Лазерные диоды

Существует ли лазер в природе?

ГЛАВА 14

Лазер для военных целей

Солнечные лазеры

Оптические волокна и лазерная связь

Компакт-диски

Медицинские применения

Технические применения

Рзмерительные системы

Оптические считыватели информации в торговле

Применения в строительстве

Атмосфера

Адаптивная оптика

Спектроскопия

Геофизика

Лазер

и Луна

Гравитационные волны

Лазеры ультракоротких импульсов

Нелинейная оптика

Квантовая криптография

Захват атомов

Конденсация Бозе-Рйнштейна

РЛЛЮСТРАЦРР

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Librs.net

Благодарим Вас за использование нашей библиотеки

Librs.net

.

М. Бертолотти

Рстория лазера

ПРЕДРСЛОВРР• ПЕРЕВОДЧРРљРђ

Пятьдесят лет назад произошло знаменательное событие. Теодор Мейман, сотрудник Рсследовательской лаборатории фирмы Говарда РҐСЊСЋР·Р° (РЎРЁРђ), 16 мая 1960 Рі. продемонстрировал совершенно новый источник высококогерентного света лазер. Р’ честь этого события 2010 Рі. был объявлен Международным РіРѕРґРѕРј лазера, Рё научная общественность РјРЅРѕРіРёС… стран отмечала юбилей этого выдающегося научного Рё технологического достижения. Создание этого замечательного устройства имеет СЃРІРѕСЋ продолжительную Рё драматическую историю. Ей посвящен СЂСЏРґ РєРЅРёРі, РІ том числе РєРЅРёРіР° самого Меймана Лазерная одиссея. Р’ ней РѕРЅ откровенно Рё увлекательно рассказал историю создания своего СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера РІ условиях жесткой конкуренции между исследовательскими лабораториями могучих фирм Рё ведущих университетов РЎРЁРђ. РћРЅРё начали РіРѕРЅРєСѓ РІ стремлении первыми создать генератор световых волн, после того как РІ 1954 Рі. был создан генератор радиоволн, использующий вынужденное излучение молекул аммиака (мазер).

Разумеется, созданию лазера предшествовало развитие РјРЅРѕРіРёС… физических фундаментальных идей Рё экспериментальных результатов. Р’ РєРЅРёРіРµ профессора Рњ. Бертолотти Рстория лазера описывается это развитие, начиная СЃ античных времен. Рта РєРЅРёРіР° является РѕРґРЅРѕР№ РёР· лучших РїРѕ этой теме, РѕРЅР° выдержала РґРІР° издания, Рё ее перевод предлагается СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕРјСѓ читателю. Рљ достоинствам РєРЅРёРіРё относится стремление автора Рє объективному описанию, РЅРµ умаляя роль СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёС… ученых. Так, РѕРЅ отмечает выдающуюся роль Рђ.РЎ. РџРѕРїРѕРІР° РІ изобретении радио. Естественно, что Бертолотти РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕ описывает достижения своего соотечественника Map РєРѕРЅРё, Рё читатель узнает, РІ каких комфортных условиях работал Маркони РІ отличие РѕС‚ поистине ужасных условий Рё обстоятельств, выпавших РЅР° долю РџРѕРїРѕРІР°. Касаясь научных результатов, которые имели РїСЂСЏРјРѕРµ отношение Рє исследованиям, приведшим Рє созданию лазеров, Бертолотти отмечает замечательное открытие Р•.Рљ. Завойским электронного парамагнитного резонанса, которое РѕРЅ сделал РІ Казани РІ РіРѕРґС‹ РІРѕР№РЅС‹. Американские исследователи, получившие аналогичные результаты, были удостоены Нобелевской премии. Также Бертолотти воздает должное советским ученым Рќ.Р“. Басову, Р‘.Рњ Вулу, Рћ.Рќ. РљСЂРѕС…РёРЅСѓ Рё Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІСѓ, которые показали возможность создания полупроводникового лазера еще РґРѕ того, как был создан первый рубиновый лазер.

Как известно, фундаментальной РѕСЃРЅРѕРІРѕР№ принципа работы лазера является концепция вынужденного излучения, разработанная Рђ. Рйнштейном. Еще РґРѕ РІРѕР№РЅС‹ советский ученый Р’.Рђ. Фабрикант показал РІ своей диссертации, что РїСЂРё определенных условиях можно получить усиление света, Р° РЅРµ поглощение,

при прохождении его через слой вещества. Правда, его расчеты и оценки показывали, что этот эффект чрезвычайно мал и трудно рассчитывать на его использование, тем более что уже существовали фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи приборы, позволяющие регистрировать и усиливать очень слабые оптические сигналы. РФабрикант не счел необходимым опубликовать свой результат в научных журналах.

Для использования слабого эффекта усиления за счет вынужденного излучения требовалось использование положительной обратной связи, превращающей усилитель со слабым усилением в генератор. Однако концепция генератора и резонатора, с помощью которых можно осуществить положительную обратную связь, была чуждой для специалистов-оптиков. Демонстрация использования эффекта вынужденного излучения для генерации электромагнитного излучения была осуществлена в радиодиапазоне. Ч. Таунс и Н.Г. Басов с A.M. Прохоровым независимо создали принципиально новый источник радиоволн. Свой прибор американские исследователи назвали мазером (английская аббревиатура фразы: усиление радиоизлучения с помощью вынужденного излучения), подчеркивая роль вынужденного излучения. Советские исследователи назвали свой прибор молекулярным генератором, подчеркивая тот факт, что колебательной системой были молекулы, в которых реализовывался эффект вынужденного излучения. Поскольку фундаментальный эффект вынужденного излучения имеет место для электромагнитных волн независимо от их длины, было очевидно, что в принципе можно построить генератор и оптического диапазона. Вот почему Ч. Таунс, Н.Г. Басов, A.M. Прохоров получили в 1964 г., после создания лазера, Нобелевскую премию по физике за свой фундаментальный вклад в решение проблемы создания принципиально нового источника (генератора) света лазера.

Следует подчеркнуть, что практическая реализация переноса концепции генератора, использующего эффект вынужденного излучения, из радиодиапазона в оптику представлялась крайне трудной. Одной из принципиальных проблем был необходимый резонатор. В радиодиапазоне резонаторы обычно имеют размер, определяемый длиной волны. Длина волны света исключала возможность использования подобных резонаторов в оптике. Здесь важнейший результат был получен A.M. Прохоровым, который предложил и со своими сотрудниками экспериментально продемонстрировал резонатор электромагнитных волн нового типа, образованный двумя параллельно расположенными пластинами с высоким коэффициентом отражения. Можно вспомнить, что так же устроен интерферометр Фабри-Перо, изобретенный в 1899 г. Но это был спектроскопический прибор с высоким разрешением. Никто не рассматривал его как особый тип резонатора. Прохоров показал, что такой резонатор является открытым и в него можно поместить вещество, обладающее, пусть даже малым, коэффициентом усиления.

Создание такого вещества активной среды также представлялось чрезвычайно сложной проблемой. Дело в том, что условия получения усиления инверсной населенности уровней, соответствующих кванту излучения, предполагают сильно неравновесный термодинамический процесс. Ч. Таунс и А. Шавлов рассмотрели в своей статье в Physical Review (1958 г.) проблемы распространения представлений микроволновой мазерной генерации в область инфракрасного и видимого диапазона. Указав на принципиальную разрешимость проблемы и предполагаемые пути ее решения, они, тем не менее, подчеркивали трудность практической реализации; в частности, А. Шавлов считал рубин непригодным для этой цели.