когда изобрели лазер в каком году
История открытия: от мазера к лазеру
60 лет назад в Государственном оптическом институте (ГОИ) был запущен первый отечественный лазер. Нанофотоника, медицина, пилотажно-навигационные системы, лидарные комплексы – вот далеко не полный перечень областей науки и техники, в которых лазеры нашли свое применение. Об истории возникновения лазерных систем, принципе действия и сферах использования – в нашем материале.
Вынужденное излучение
История создания лазера берет свое начало в далеких 20-х прошлого столетия. Именно тогда формировался новый раздел физики – квантовая электроника. Открытие физических принципов квантовой электроники считается одним из самых выдающихся достижений науки прошлого века, а вершиной этого достижения, безусловно, является создание лазера.
Макс Планк, 1919 год
Итак, фундаментом стало открытие немецким физиком Максом Планком элементарной порции энергии – кванта, за что он был удостоен Нобелевской премии. Планк совершил настоящую революцию в физике, вдохновил на новые открытия знаменитых ученых того времени, в числе которых был и Альберт Эйнштейн. Именно теория вынужденного (или индуцированного) излучения, которую Эйнштейн сформулировал в 1917 году, спустя несколько десятилетий стала основой для создания первого лазера. Тогда он, по сути, допускал возможность «заставить» электроны излучать свет определенной длины волны одновременно, а для этого придумать некий управляемый электромагнитный излучатель.
Чарльз Таунс со своим первым «МАЗЕРом»
В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер» – от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
Как мазер стал лазером
Мазеры смогли совершить несколько значимых открытий: точно определили значение скорости света, в очередной раз подтвердили справедливость теории относительности и даже помогли обнаружить реликтовое излучение расширяющейся Вселенной. При всем этом мазеры оказались не при делах, когда речь шла о традиционной электронике. Действительно, на практике СВЧ-электронике мазеры ничем помочь не могли – прибор излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.
Физики понимали, что квантовые генераторы должны перейти на оптический диапазон, то есть от усиления микроволн к усилению света, или другими словами – от мазера к лазеру (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения»).
В 1960 году американский физик Теодор Майман создает первый лазер. Это был импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина (сантиметром в диаметре и около двух в длину) с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки.
От мегаватт современных лазеров к гигаваттам будущих лазерных систем
Лазеры, в отличие от мазеров, сразу же нашли применение в повседневной жизни. Например, уже в 1962 году с помощью рубиновых лазеров сваривались швы на корпусе наручных часов. Сегодня с лазерами мы сталкиваемся ежедневно – в наш обиход давно уже прочно вошли лазерные принтеры, указки, линейки, «лазерные шоу», считыватели штрих-кодов. Широкое применение лазеры нашли в медицине – их появление практически ознаменовало новую эру в хирургии.
Различное применение лазерных источников излучения стало возможным благодаря исследованиям и разработкам ГОИ на протяжении последних 60 лет, с момента создания первого рубинового лазера. Под научным руководством сотрудников института промышленностью было освоено большое число лазерных систем, более двух десятков из них было принято на вооружение армии. Мощные лазеры разработки ГОИ открыли новые возможности развития измерительных и информационных систем (например, в доплеровской локации).
Специалисты 17 научного отдела ГОИ, 1971 год
Специалисты ГОИ им. Вавилова продолжают исследования в этой сфере и находят лазеру новое применение. Один из последних проектов института связан с использованием лазеров в солнечной энергетике. В настоящее время разработками в этой области интенсивно занимаются ведущие страны, такие как США, Япония, а также страны Европы. Ученые ГОИ им. С.И. Вавилова внесли свою уникальную лепту.
В 2003 году в ГОИ впервые в мире был создан фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ). Само использование фуллерена – новейшего наноматериала, обладающего широким спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра – делает этот лазер уникальным. Еще более фантастическим кажется сама идея использования прибора – преобразование солнечной энергии в лазерное излучение. Для этого планируется создание электростанции космического базирования, на геостационарных спутниках. Такая станция лишена всех недостатков солнечных электростанций на Земле – она не зависит от погодных условий, энергия по лазерному лучу может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории.
Конечно, создание электростанции в космосе требует разработки сложнейших оптоэлектронных систем, систем доставки и монтажа всех этих устройств на космические спутники. Это, безусловно, проект будущего, следующего поколения специалистов. Проект, который как нельзя лучше демонстрирует эволюцию лазеров и их безграничные возможности: от милливатт до гигаватт, от сварки корпуса наручных часов до задач космического масштаба.
События, связанные с этим
КАНАРСПИ: система контроля качества, опередившая время
Лазер — история изобретения
В 2020 году мы будем отмечать 60-летие одного из самых выдающихся изобретений человечества. В 1960 году в Америке было торжественно объявлено о создании устройства, которое в настоящее время используется практически везде — от лабораторий учёных до тяжёлой промышленности и пластической хирургии. А вот для массового уничтожения людей и сооружений на больших расстояниях это устройство, к счастью, использовано быть не может. По крайней мере пока. Хотя его фантастические предшественники, столь живо и красочно описанные в романах «Война миров» Герберта Уэллса и «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого, продолжают будоражить некоторые радикально настроенные умы.
От мазера до лазера
Как вы, возможно, догадались, речь идёт о лазере. Он же — оптический квантовый генератор. Принцип его действия содержится в самом названии — LASER (аббревиатура выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света посредством стимулированного излучения»). Иными словами, если пучок света пропустить через специально подобранную и подготовленную стимулированным излучением среду, то интенсивность света будет многократно усилена.
Принято считать, что лазер изобрёл американский физик Теодор Мейман. Ему действительно удалось создать действующий оптический генератор на кристалле рубина размером в кубический сантиметр, о чём 6 августа 1960 года в журнале «Нэйчер» было опубликовано в высшей степени пафосное сообщение.
Однако в СССР значительно раньше было создано устройство аналогичного действия (только в другом диапазоне волн) — мазер.
Ещё в 1939 году советский физик Валентин Александрович Фабрикант выдвинул идею о том, что для усиления электромагнитного излучения можно пропускать его через вещество с особыми характеристиками. В 1951 году он довёл эту идею до практического воплощения и подал заявку на изобретение. Его генератор излучения должен был работать в диапазоне радио- и сверхвысоких частот.
В 1952 году советские физики Николай Басов и Александр Прохоров представили модель такого генератора на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии. Они назвали его микроволновым квантовым генератором — мазером. Параллельно работы над созданием микроволнового генератора велись и в Колумбийском университете (США) под руководством Чарлза Таунса.
В 1958 году, за два года до «эпохального изобретения» Меймана, Прохоров и независимо от него Таунс теоретически обосновали возможность создания квантового генератора и в оптическом диапазоне, то есть для световых волн. По сути, Мейману оставалось лишь реализовать эти разработки на практике. Он даже не стал «заморачиваться» с названием для своего изобретения — просто заменил первую букву с М (microwave, «микроволновый») на L (light, «световой»). Так из мазера получился лазер.
В чём его сила?
Конечно же, это было только начало. В том же 1960 году американцам Али Джавану, Уильяму Беннетту и Дональду Хэрриоту удалось создать первый в мире газовый лазер; оптическое излучение генерировалось в мощном электрическом разряде в смеси неона и гелия. А двумя годами позже в СССР и США одновременно заработали первые полупроводниковые лазеры.
Сила лазера заключается в том, что он создаёт очень узкий пучок света очень большой интенсивности. За прошедшие 60 лет лазер сделался практически незаменимым во многих областях человеческой деятельности — от коррекции зрения и лазерной косметологии до лазерных принтеров, оптико-волоконной связи, записи компакт-дисков. Лазер необходим во многих научных исследованиях.
Начало использования лазера в промышленности иногда называют «индустриальной революцией», сравнимой по значению с изобретением паровой машины. Лазерный луч легко режет металл и закаляет сплавы. Это происходит следующим образом: луч движется по кромке стальной детали, мгновенно разогревая её до температуры 1300-1500 °С, в результате чего образуется новый сверхтвёрдый слой толщиной меньше миллиметра.
Большие перспективы связываются сейчас с использованием лазерных лучей для сверхдальней связи. Возможно, в самом недалёком будущем с помощью лазера можно будет передавать информацию между искусственными спутниками Земли и со спутников на Землю. Ничего удивительного; даже известная всем школьникам лазерная указка так хорошо«держит фокус», что способна направить луч на облака, находящиеся на высоте в несколько километров. При этом пятно света на облаке будет иметь диаметр не более одного метра.
Супероружие
Три Нобелевки
Первая Нобелевская премия по физике за исследования в бласти квантовой электроники, непосредственно связанной с квантовыми генераторами, была вручена в 1964 году Александру Прохорову, Николаю Басову и Чарлзу Таунсу.
Вторая, в 2000 году, — советскому (российскому) физику Жоресу Алферову и американцам Герберту Крёмеру и Джеку Килби за полупроводниковые лазерные структуры.
Наконец, в прошлом, 2018 году высшую научную награду снова вручили за лазерные исследования и технологические разработки. Её получили Артур Эшкин (США), Жерар Муру (Франция) и Донна Стрикленд (Канада).
Кстати, Донна Стрикленд — третья женщина-физик, получившая Нобелевскую премию, за всю историю вручения. До неё подобной высокой чести были удостоены лишь Мария Склодовская-Кюри (Нобелевская премия по физике за 1903 год) и Мария Гёпперт-Майер (тоже по физике, 1963 год).
Нобелевская премия по физике в 2018-м была вручена за «чисто лазерные» разработки. Это, во-первых, «лазерный пинцет», позволяющий захватывать и перемещать совсем уж микроскопические объекты, типа живой клетки или даже отдельной белковой молекулы. Значение этого открытия для микробиологии и медицины трудно переоценить, так как живую клетку можно будет теперь переносить в нужное место безо всякого для неё вреда.
Во-вторых, «лазерный радар», с помощью которого можно изучать события, происходящие за очень короткий срок, миллиардные доли секунды. Его можно использовать в очень широком диапазоне научных исследований, в частности для сверхтонкого химического анализа, а также создания метаматериалов — композиционных материалов с искусственно созданной периодической структурой.
Наконец, это более совершенная разновидность «лазерного скальпеля», который уже на протяжении десятилетий успешно применяется в хирургии (к примеру, офтальмологами).
Итак, волшебная сила света, сконцентрированного в узкие направленные пучки, оказывает все большее влияние на нашу жизнь. Учёные собираются использовать лазеры как для изучения мира элементарных частиц, так и для «глубокого зондирования» космического вакуума. Практическое применение лазеров планируется расширить — и для нейтрализации ядерных отходов, и для воздействия на раковые клетки.
Журнал: Тайны 20-го века №41, ноябрь 2019 года
Рубрика: История изобретений
Автор: Ольга Строгова
Лазерный мир
История одного из самых важных изобретений XX века – лазера
В 1902 году французский химик Жорж Клод изобрел, а в 1910 году показал публике неоновую лампу. Через пару лет какой-нибудь любознательный умелец уже вполне мог бы приделать к ней боковые зеркала и при большом везении методом проб и ошибок изготовить примитивный лазер. Тогда история техники могла бы сложиться иначе.
Но мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — ведь ученые даже не подозревали о его существовании.
А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно когерентно вынуждающему излучению (то есть имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию). А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.
Первые эксперименты
Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей, причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор. Но для этой идеи время еще не настало.
Мало кто занимался усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения и в 1930-е годы. Наиболее серьезной работой
по этой теме была докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными — опять-таки из-за отсутствия резонатора. В 1957 году Фабрикант и Бутаева даже наблюдали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, однако это так и осталось их личным достижением.
Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.
Мазеры
Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта мысль осенила его весной 1951 года во время прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому небольшому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл впервые испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением. Прибор, который Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сегодня белловский фотофон считают предтечей опто-волоконных систем связи.)
Таунс понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. Изготовить высококачественный объемный резонатор такой величины было не слишком просто, но все же возможно. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером (MASER — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и уже «остепенившийся» Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.
От микроволн к свету
Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков — слишком многих, чтобы рассказать обо всех. Фактически не была решена лишь задача усиления вынужденного излучения с помощью положительной обратной связи. Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс со своим старым другом и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.
Сам термин «лазер» возник даже раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона. Поздней осенью 1957 года это слово появилось на страницах блокнота, где он записывал свои размышления и вычисления. В то время Гулд ничего не публиковал и поэтому не получил признания, которое, бесспорно, заслужил. Правда, в 1970—1980-х он добился утверждения своих патентных заявок и наконец-то стал купаться если не в славе, то в долларах.
Лазеры
Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Этот минерал представляет собой оксид алюминия с небольшой примесью хрома, который и придает ему красный цвет (чистый оксид алюминия бесцветен). Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом. По любопытному совпадению произошло это ровно через 50 лет после того, как Клод поразил воображение посетителей Парижской автомобильной выставки своими светящимися трубками. Лазер Джавана и его коллег работал в инфракрасном диапазоне, но через два года Уайт и Ригден заставили гелий-неоновый лазер излучать красный цвет.
Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода.
В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад получили Нобелевскую премию). К настоящему времени трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Это, безусловно, одно из важнейших изобретений XX века навсегда изменило нашу жизнь. Статья «Квантовый светоч» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2006).
История изобретения лазеров
Из Википедии — свободной энциклопедии
| 1917 | А. Эйнштейн представляет концепцию вынужденного излучения |
| 1920 | И. Франк и Ф. Райхе подтвердили существование метастабильных состояний в возбужденном состоянии |
| 1927 | Поль Дирак создает квантовую теорию вынужденного излучения |
| 1928 | Р. Ладенбург и Г. Копферман исследовали отрицательную дисперсию света в газовом разряде (в неоне) |
| 1940 | В. А. Фабрикант исследовал отрицательное поглощение света |
| 1947 | У. Лэмб и Р. Резерфорд впервые демонстрируют вынужденное излучение |
| 1950 | К. М. Пурселл и Р. Ф. Паунд получили вынужденное излучение во фториде лития при быстром переключении магнитного поля (инвертированный спин) |
| 1951 | В. А. Фабрикант, Ф. А. Бутаева и М. М. Вудынский провели эксперименты по усилению электромагнитного излучения в газах |
Ч. Таунс исследовал возможности создания генератора субмиллиметрового диапазона
Ц. С. ван Гиил, Г. Г. Хопкинс и Н. С. Капани изготовили первое оптическое волокно
Н. Г. Басов делает теоретическое обоснование полупроводникового лазера
Швейкин Василий Иванович подал заявку на изобретение №714114 от 25.11.1961г. на «Квантовомеханический усилитель и генератор электромагнитных колебаний на полупроводниковых структурах (полупроводниковый лазер)» по ней было выдано авторское свидетельство №25760, которое было засекречено.
Р. Холл и другие; Н. Г. Басов и другие изобрели полупроводниковые лазеры на арсениде галлия (λ = 840 нм, λ = 710 нм)
Д. Кляйнман и П. Кислюк построили первый рефлектор Фабри-Перо для селекции мод в лазерном резонаторе
Н. Бломберген и другие выдвинули теорию распространения волн в нелинейных средах (удвоение частоты, параметрические процессы, стимулированный эффект Рамана, многофононная ионизация и другие)
Ф. Дилл, В. Говард и другие получили непрерывную стимулированную эмиссию в GaAs диодах при температуре от 2K до 77K (λ = 840 нм)
Н. Г. Басов и А. Н. Ораевский предложили идею тепловой накачки
Г. Херд создал первый азотный лазер
Г. Кромер, Ж. И. Алферов и Р. Ф. Казаринов предложили двойные гетероструктуры для лазерных диодов
Р. Нойман предложил возбуждать твердотельные среды с помощью лазерных диодов
M. Коупланд применил GaAs диод как оптический усилитель
П. П. Сорокин и Дж. Р. Ланкард построили первый импульсный лазер на красителях с накачкой лазером на рубине (λ = 756 нм)
В. Сильфаст, Г. Фовлс реализуют первый лазер на парах металлов Zn / Cd-лазер
В. Т. Уолтер построил первый лазер на парах меди (λ = 510,6 нм и λ = 578,2 нм)
Т. Ф. Дойтч, К. Л. Компа и Г. С. Пиментель построили первый фтороводородный (HF) лазер
M. Росс реализовал первый Nd:YAG-лазер с накачкой лазерными диодами
В. Т. Уолтер построил первый лазер на парах золота (λ = 637,8 нм)
Т. А. Кул и Р. Р. Тефенс создали чисто химический лазер на HCl непрерывного действия
Н. Г. Басов и другие построили первый эксимерный лазер на Xe * 2
T. Чанг и T. Бриджес построили 496-мкм-CH3 F-лазер
Ж. И. Алферов и другие построили первые лазерные диоды на двойных гетероструктурах с непрерывной генерацией при комнатной температуре
И. Хаяши, М. Паниш на другие построили лазерные диоды с непрерывной генерацией при комнатной температуре
Л. Эсаки и Р. Тсу получили первые квантовые волновые структуры
А. И. Гудзенко и С. И. Яковенко предложили реактор-лазер
Х. Сода и другие создали первые поверхностно-излучающие лазерные диоды (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)
Ц. Бор получил короткие импульсы с помощью лазера на красителях
Т. Кейн и Р. Бэйр создали монолитный кольцевой YAG-лазер с диодной накачкой
Р. Френд построил полимерный лазер с оптической накачкой