Первый лазер (1960)

Свет, усиленный атомами

В 1917 году Альберт Эйнштейн, размышляя о том, как атомы поглощают и испускают свет, пришел к выводу, что существует особый процесс - вынужденное излучение. Если на возбужденный атом, обладающий избытком энергии, падает фотон подходящей частоты, атом может испустить еще один фотон - точную копию первого, с той же частотой, направлением и фазой. Если в веществе возбужденных атомов больше, чем невозбужденных, - физики называют это инверсной населенностью, - свет, проходя через него, будет усиливаться лавинообразно.

Обычно возбужденных атомов меньше, и вещество свет поглощает, а не усиливает. Десятилетиями вынужденное излучение оставалось теоретической тонкостью. В 1939-1940 годах советский физик Валентин Фабрикант указал на возможность усиления света в среде с инверсной населенностью, но практического воплощения эта идея тогда не получила.

Чем лазерный свет отличается от обычного? Лампочка или солнце испускают свет хаотически: фотоны летят во все стороны, с разными частотами и фазами. Лазерный свет когерентен - его волны идут «в ногу», он почти одного цвета и может распространяться узким пучком, почти не расходясь. Его можно сфокусировать в крошечную точку с огромной плотностью энергии.

Как устроен лазер

Любой лазер состоит из трех основных частей. Первая - активная среда: кристалл, газ, жидкость или полупроводник, атомы или молекулы которого способны усиливать свет. Вторая - система накачки, которая сообщает атомам энергию и создает инверсную населенность: это может быть вспышка света, электрический разряд, ток или химическая реакция. Третья - оптический резонатор, обычно два зеркала по обе стороны активной среды. Свет, многократно отражаясь между ними, снова и снова проходит через среду и усиливается, а одно из зеркал делают полупрозрачным, чтобы часть света выходила наружу в виде луча.

Генерация возникает только тогда, когда усиление превышает потери - на поглощение, рассеяние и выход света. Поэтому у каждого лазера есть порог: пока мощность накачки ниже его, вещество просто светится, а выше - начинает испускать когерентный луч. Лазеры бывают импульсными, излучающими короткие вспышки, и непрерывными, а длина волны их излучения зависит от активной среды - от инфракрасной до ультрафиолетовой.

Мазер

Первый прорыв произошел не в видимом свете, а в микроволновом диапазоне. После Второй мировой войны физики, работавшие над радарами, хорошо знали технику сантиметровых волн. Американец Чарльз Таунс в Колумбийском университете искал способ получать еще более короткие радиоволны для спектроскопии. По его воспоминаниям, идея пришла ему весной 1951 года на скамейке в парке в Вашингтоне. В 1954 году Таунс с аспирантами Джеймсом Гордоном и Гербертом Цайгером построил прибор, в котором возбужденные молекулы аммиака усиливали микроволновое излучение. Он получил название «мазер» - по первым буквам английских слов «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».

Независимо и почти одновременно к тем же идеям пришли Николай Басов и Александр Прохоров в Физическом институте Академии наук СССР в Москве. Они предложили, в частности, трехуровневую схему создания инверсной населенности, ставшую основой многих будущих лазеров. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров разделили Нобелевскую премию по физике за фундаментальные работы в области квантовой электроники.

Гонка за светом

Следующим шагом было перенести принцип мазера в оптический диапазон. Трудность состояла в том, что длина волны света в десятки тысяч раз меньше, чем у микроволн, и полости-резонаторы, которые использовали в мазерах, для света не годились.

В 1958 году Таунс и его зять, муж его сестры, Артур Шавлов из лаборатории «Белл» опубликовали статью «Инфракрасные и оптические мазеры», где предложили использовать в качестве резонатора два параллельных зеркала: свет, отражаясь между ними, многократно проходит через активное вещество и усиливается. Статья стала сигналом к началу гонки. Десятки лабораторий - «Белл», IBM, «Вестингауз», «Дженерал электрик», университетские группы и военные исследовательские центры - начали работать над «оптическим мазером».

Почти одновременно аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд пришел к сходным идеям. В ноябре 1957 года он записал их в рабочую тетрадь, заверив у нотариуса, и придумал слово «лазер» - по первым буквам английских слов «усиление света с помощью вынужденного излучения». Гулд перешел в частную компанию TRG, которая получила от Министерства обороны США контракт на миллион долларов на создание лазера. Но самому Гулду, в молодости посещавшему марксистский кружок, было отказано в допуске к секретным работам, и он, по иронии судьбы, не мог участвовать в засекреченной части собственного проекта.

Деньги холодной войны

Гонка за лазером разворачивалась на фоне холодной войны. После запуска советского спутника в 1957 году правительство США резко увеличило расходы на науку и технику. В 1958 году было создано Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, финансировавшее самые смелые разработки. Военные надеялись, что оптический мазер даст сверхточные дальномеры, системы связи и, возможно, лучевое оружие. Крупные корпорации, выполнявшие оборонные заказы, содержали собственные исследовательские лаборатории, где работали сотни физиков и инженеров. Именно в такой лаборатории, принадлежавшей авиационной и электронной компании, и был создан первый лазер.

Теодор Мейман

Теодор Мейман родился в 1927 году в Лос-Анджелесе в семье инженера-электрика. Подростком он подрабатывал ремонтом радиоприемников и электроприборов. После службы на флоте он изучал инженерное дело и физику, а в Стэнфордском университете защитил диссертацию в лаборатории будущего нобелевского лауреата Уиллиса Лэмба, где занимался точными измерениями в атомной физике и освоил микроволновую технику.

В 1956 году Мейман поступил в исследовательские лаборатории компании «Хьюз эйркрафт», принадлежавшей эксцентричному миллиардеру Говарду Хьюзу. Компания выполняла заказы военных, и Мейману поручили создать компактный мазер на рубине для армейской связи. Ему удалось многократно уменьшить вес и размеры прибора. Этот опыт работы с рубином оказался решающим.

Рубин, который «не годился»

Синтетический рубин - это кристалл оксида алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Именно они придают рубину красный цвет и могут излучать красный свет. Многие специалисты, в том числе Шавлов, публично высказывались, что рубин непригоден для лазера: по опубликованным измерениям, эффективность его свечения была очень низкой, а схема уровней энергии хрома требовала огромной мощности накачки.

Мейман решил проверить это сам. Его собственные измерения показали, что эффективность свечения рубина гораздо выше, чем считалось, - по его данным, около 75 процентов вместо примерно одного. Расчеты показали, что для накачки нужен очень яркий источник света. Мейман перебрал каталоги ламп и выбрал мощную спиральную ксеноновую лампу-вспышку компании «Дженерал электрик», использовавшуюся фотографами. Внутрь спирали он поместил небольшой рубиновый стержень длиной около двух сантиметров и диаметром около сантиметра. Торцы стержня, отполированные строго параллельно, покрыли серебром, превратив их в зеркала, а в одном из покрытий оставили маленькое отверстие для выхода света. Весь прибор умещался на ладони.

Руководство лаборатории, по воспоминаниям Меймана, относилось к проекту скептически и считало его слишком рискованным, а бюджет работы был скромным - около 50 тысяч долларов.

16 мая 1960 года

16 мая 1960 года Мейман и его ассистент Ирни Д’Аненс подавали на лампу-вспышку все более высокое напряжение и следили за красным свечением рубина на экране осциллографа. Когда напряжение превысило определенный порог, характер свечения резко изменился: интенсивность красного света скачком возросла, а спектральная линия стала намного уже. Это означало, что в рубине возникло вынужденное излучение. Мейман получил первый в мире лазерный импульс.

Импульс был коротким - доли тысячной секунды. Свет имел темно-красный цвет с длиной волны около 694 нанометров. По рассказам, Д’Аненс тогда пошутил, что лазер - это «решение, ищущее задачу», и эта фраза стала крылатой.

Отклоненная статья

Мейман поспешил сообщить об открытии. Он отправил короткую статью в ведущий американский физический журнал «Физикал ревью леттерс», но редакция ее отклонила - по распространенной версии, редактор, уставший от потока работ о мазерах, счел ее не заслуживающей срочной публикации. Тогда Мейман отправил заметку в британский журнал «Нейчер», где 6 августа 1960 года появилось сообщение объемом около трехсот слов - одна из самых коротких и самых важных статей в истории физики.

Компания «Хьюз» не стала ждать журналов и 7 июля 1960 года объявила об изобретении на пресс-конференции в Нью-Йорке. Газеты писали о «луче смерти» из научной фантастики, хотя Мейман уверял, что думает прежде всего о мирном применении - в медицине, связи и промышленности. Для рекламной фотографии компания, по рассказам, сняла более крупный и эффектный рубин, чем использовался в первом лазере.

Часть специалистов поначалу сомневалась, что Мейман действительно получил лазерное излучение. Сомнения рассеялись, когда в течение нескольких месяцев рубиновый лазер воспроизвели в других лабораториях, а исследователи лаборатории «Белл» продемонстрировали узкий направленный пучок когерентного света.

Лазеры размножаются

После успеха Меймана лазеры начали появляться один за другим. В ноябре 1960 года физики IBM Питер Сорокин и Мирек Стивенсон создали лазер на кристалле фторида кальция с ураном. 12 декабря 1960 года Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот в лаборатории «Белл» запустили первый газовый лазер на смеси гелия и неона - первый лазер с непрерывным, а не импульсным излучением. Гелий-неоновые лазеры с красным лучом стали самыми распространенными в лабораториях, школах и сканерах.

В 1962 году несколько американских групп почти одновременно создали полупроводниковые лазеры. Их практическое применение стало возможным благодаря полупроводниковым гетероструктурам, над которыми работали Жорес Алферов в Ленинграде и Герберт Кремер в США, - за это они получили Нобелевскую премию 2000 года. Полупроводниковый лазер, наследник транзистора, стал самым массовым лазером в мире. В 1964 году появились лазеры на углекислом газе, способные резать металл, и твердотельные лазеры на неодиме.

В Советском Союзе работы по лазерам развернулись широко. Первые советские рубиновые лазеры, по имеющимся данным, были запущены в 1961 году. Школы Басова и Прохорова в Физическом институте Академии наук и другие центры стали одними из ведущих в мире.

Тридцатилетняя тяжба

Вопрос о том, кто изобрел лазер, обернулся долгой юридической борьбой. Патент на оптический мазер в 1960 году получили Таунс и Шавлов, а права на него принадлежали лаборатории «Белл». Гордон Гулд, подавший заявку на патент в 1959 году, проиграл первые споры. Но он не сдавался и десятилетиями судился с патентным ведомством и компаниями. Лишь в 1977 году он получил первый патент на оптическую накачку, а затем и другие, и к концу 1980-х годов выиграл ключевые дела. Лазерная промышленность к тому времени стала многомиллиардной, и отчисления по патентам сделали Гулда богатым человеком.

Сам Мейман не получил Нобелевской премии, хотя его, по имеющимся сведениям, выдвигали. В 1961 году он ушел из «Хьюз» и основал собственную компанию по производству лазеров. Он получил премию Вольфа, японскую премию и другие награды и был включен в Национальный зал славы изобретателей США. Мейман умер в 2007 году.

Луч, нашедший задачи

«Решение» быстро нашло множество задач. Уже в начале 1960-х годов офтальмологи начали применять лазер для операций на сетчатке глаза. В 1969 году астронавты «Аполлона-11» оставили на Луне отражатели, и обсерватории на Земле, посылая к ним лазерные импульсы, стали измерять расстояние до Луны с точностью до сантиметров. В 1974 году в супермаркете в американском штате Огайо лазерный сканер впервые считал штрихкод на упаковке жевательной резинки.

В 1970 году в США было создано оптическое волокно с низкими потерями, и лазерный свет начал передавать информацию по стеклянным нитям. Сегодня по оптоволокну передается почти весь межконтинентальный интернет-трафик. В 1970-х годах появились лазерные принтеры, в 1980-х - компакт-диски, затем DVD. Лазеры стали инструментом промышленной резки, сварки и маркировки, геодезии, хирургии и косметологии. С 1990-х годов миллионы людей исправили зрение с помощью лазерной коррекции.

Лазер стал и военным инструментом - для дальнометрии, наведения бомб и ракет. В 1980-х годах в рамках американской Стратегической оборонной инициативы и советских программ разрабатывались мощные лазеры для уничтожения ракет и спутников, но боевого применения в этой роли они тогда не получили.

Лазер в науке и культуре

Лазер открыл новые области науки: нелинейную оптику, голографию, сверхточную спектроскопию, лазерное охлаждение атомов до температур, близких к абсолютному нулю. С лазерами связаны многие Нобелевские премии - от премии за голографию в 1971 году до премии 2018 года за оптический пинцет и метод получения сверхкоротких мощных импульсов. В 2015 году лазерные интерферометры обсерватории ЛИГО впервые зарегистрировали гравитационные волны.

Лазер быстро вошел в массовую культуру. В фильме о Джеймсе Бонде «Голдфингер» (1964) злодей пытается разрезать героя лазерным лучом - в романе Яна Флеминга, вышедшем до изобретения лазера, вместо него была циркулярная пила. «Лазерные мечи» и бластеры стали неотъемлемой частью научной фантастики.

Итоги

• 16 мая 1960 года Теодор Мейман в лаборатории компании «Хьюз» в Малибу запустил первый в мире лазер на синтетическом рубине.
• Лазер основан на явлении вынужденного излучения, предсказанном Эйнштейном в 1917 году, и стал развитием мазера, созданного в 1954 году Таунсом, Басовым и Прохоровым.
• Мейман опередил крупные исследовательские коллективы, доказав пригодность рубина, которую многие специалисты отрицали.
• В течение нескольких лет появились газовые, полупроводниковые и другие типы лазеров, а спор о приоритете вылился в тридцатилетнюю патентную тяжбу.
• Лазер стал основой оптоволоконной связи, медицины, промышленной обработки, записи и считывания информации и многих научных открытий.