ЗОЛОТОЙ ЮБИЛЕЙ КВАНТОВОЙ ЭРЫ
Кандидат физико-математических наук Т. ШМАОНОВ.
С появлением лазеров практически во всех областях науки, техники и экономики возникли совершенно новые технологические процессы и производства, составлявшие еще столетие назад сюжеты научно-фантастической литературы. По существу, полностью изменилось лицо нашей цивилизации. Образовалось и стало бурно развиваться информационное общество (включающее Интернет), основанное на использовании компьютеров и широкополосных сетей глобальной оптоволоконной и спутниковой связи, появившихся только благодаря возникновению квантовой электроники и связанных с ней технологий, и в первую очередь - лазеров различных частотных диапазонов, мощности и конструктивных особенностей.
Представив хронологию этого этапа в виде графика, можно заметить, что кривая до момента создания лазеров растет практически по экспоненте; продвижение в область все более высоких частот идет медленно, но тем не менее неуклонно.
К середине прошлого века был хорошо освоен диапазон от постоянного тока (0 Гц) до частот порядка нескольких гигагерц (1012 Гц). А за истекшие полстолетия удалось продвинуться в область высоких частот еще примерно на восемь порядков (до рентгеновского диапазона).
Интересно, что на начальном этапе развития многим казалось, что появился новый источник световой энергии практически неограниченной мощности, источник разрушающих все "лучей смерти". Человечество издревле мечтало овладеть такими лучами - достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед сжег вражеский флот, используя зеркала, фокусирующие солнечные лучи. Можно спорить о правдоподобности этой исторической легенды, но современные научные оценки показывают, что основания для нее есть.
В конце позапрошлого века вышел научно-фантастический роман Герберта Уэллса "Война миров", сюжет которого основан на использовании марсианами тепловых лучей для завоевания Земли. Вскоре после него, в 20-х годах XX века, Алексей Толстой опубликовал роман "Гиперболоид инженера Гарина". В центре повествования - прибор, создающий высоконаправленный луч света сверхбольшой интенсивности, способный разрезaть и прожигать любой материал. Научно-техническая основа этого романа, мягко говоря, хромала. Но важно другое: и в нем проявилась мечта получить интенсивное световое излучение.
С самого начала своей истории человечество знало только один источник света - тепловой. Чем сильнее нагрето тело и чем больше его масса, тем ярче оно светится. Однако по мере накопления фундаментальных научных знаний о физических процессах генерации света становилось все яснее, что при увеличении толщины раскаленного тела растет и поглощение в его массе. Попытка повысить таким образом излучаемую мощность приводит к тому, что растущие потери сводят на нет наши усилия. Поднимать температуру можно тоже только до определенного предела, зависящего от тепловой прочности материала и величины подводимой энергии. На пути повышения мощности излучения возникает и множество других препятствующих факторов, приводящих к необходимости решать все более сложные проблемы.
Как всегда, наступает момент, когда накопленный значительный багаж научных знаний требует появления новых идей, возникает необходимость найти кардинально новые и к тому же простые пути решения стоящих задач.
Такой момент наступил в середине 50-х годов прошлого века. Тогда, практически одновременно, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов в СССР, Дж. П. Гордон, Х. Дж. Цайгер и Ч. Х. Таунс в США опубликовали работы, заложившие основы квантовых методов генерации сверхвысокочастотных колебаний. Частотных ограничений эти методы не предполагали, и распространение их на световой диапазон в принципе было вполне возможным. Поэтому 1954 год можно условно считать годом возникновения квантовой электроники.
Чтобы правильно понять историческую логику ее появления и развития, целесообразно очень кратко остановиться на предыстории. Если проанализировать методы генерации электромагнитного излучения, применявшиеся до появления квантовой электроники, то есть до 1954 года, легко заметить, что все они основаны на классической схеме. В нее входят усилитель, резонансная система, схема обратной связи, подающая часть сигнала с выхода усилителя на его вход, и, разумеется, блок питания. В такой схеме квантовые явления учитывать не имело смысла в силу их малости. Она прекрасно работала как в мощных силовых системах - установках энергопитания (частоты от 50 Гц до нескольких кГц), так и в радиотехнических устройствах, включающих связь и радиовещание, телевидение и радиолокацию (частоты от 10 кГц до 10 ГГц).
В силовых системах главным элементом, объединяющим и усилитель, и обратную связь, служит механический преобразователь (генератор), который получает энергию от двигателя. На первом этапе развития радиотехники (до начала 20-х годов) не менее успешно (особенно в СССР) применялись мощные машинные генераторы высокочастотных колебаний для питания радиопередающих станций. Однако увеличивать частоту вращения роторов и, следовательно, частоту радиосигнала свыше 100 кГц было нельзя: это приводило к разрушению роторов центробежными силами.
Принципиально важным стало появление нового усиливающего элемента. В январе 1907 года американский ученый и изобретатель Ли Де Форест заявил патент на электровакуумный прибор - триод, очень быстро ставший основой всей радиоэлектроники первой половины ХХ века. Появилась электровакуумная и радиотехническая промышленность. Были разработаны электроваку умные приборы, рассчитанные на все более высокие частоты вплоть до гигагерц. Все они продолжают успешно использоваться в мощных радиотехнических генераторах и в наше время.
Большинство функций электровакуумных приборов (радиоламп, как их именуют в технике) сегодня стали выполнять полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы и интегральные схемы, в основе работы которых лежат квантовые явления. Интегральные схемы, а без них немыслима как современная вычислительная техника, так и почти все области промышленности, появились и развивались параллельно и благодаря развитию квантовой электроники.
Дальнейший прогресс определялся потребностью продвижения в сторону все более высоких частот. Предел классической радиотехники - диапазон гигагерц был достигнут как раз к середине прошлого века. Естественным препятствием дальнейшему продвижению стали геометрические размеры электровакуумных приборов и длина пробега пучка электронов в них, определяющая длину волны генерируемого излучения. По порядку величины это миллиметровые размеры. Однако если маломощный высокочастотный прибор создать еще удается, то изготовить подобные устройства большой мощности невозможно в принципе. Не очень высокий коэффициент их полезного действия и трудности отвода больших тепловых потоков с малых площадей и объемов приводят к разрушительным последствиям. Становилось все более очевидно - необходимо отыскать новые принципы генерации мощных высокочастотных колебаний.
Именно к середине прошлого века произошло накопление необходимых для этого научных и технических знаний. В области оптики были хорошо изучены спектроскопические свойства веществ, созданы теоретические основы процессов поглощения и излучения энергии на основе квантово-механических представлений, адекватно описывающих явления в атомных масштабах, и объяснена их связь с коэффициентами поглощения и излучения. Сами методы эксперимента были чрезвычайно усовершенствованы благодаря появлению и развитию техники радиоспектроскопии, вызванному прогрессом электроники во время и после Второй мировой войны.
К началу XX века научные представления о механизмах излучения и поглощения света развивались на основе классической теории и данных спектроскопии. Атом рассматривался как осциллятор (колебательная система) с трением (лучистым), амплитуда которого убывала со временем. Все известные в те времена источники света (от костра до вольтовой дуги и лампы накаливания) излучали световую энергию благодаря спонтанному (самопроизвольному) излучению. Атом вещества получал тепловую энергию, переходил в возбужденное состояние и начинал колебаться, непрерывно излучая свет.
В 1917 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу, посвященную изучению термодинамического равновесия между излучением и атомами и молекулами окружающих его тел. В тот период уже появились и развивались квантово-механические теории, и Эйнштейн в своей работе объединил с ними классические представления. В результате он получил формулу для спектральной плотности равновесного излучения черного тела (ее обычно именуют формулой Планка).
Для этого ему понадобилось помимо известных двух процессов - спонтанного излучения и поглощения ввести третий, ранее неизвестный, процесс вынужденного (индуцированного) излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом может излучать не только спонтанно, но и под воздействием взаимодействующего с ним кванта внешнего светового поля. В результате взаимодействия возникают два кванта, имеющие одну и ту же частоту и направление, то есть абсолютно неразличимые. Это очень важное свойство атома позднее рассмотрел Поль Дирак в статье "Квантовая теория излучения и поглощения энергии", опубликованной в 1927 году. В работе Эйнштейна были также определены коэффициенты поглощения и индуцированного излучения и установлена связь между ними, что позволило вычислять эти величины исходя из экспериментальных спектроскопических данных. Спектроскописты в те времена считали вынужденное излучение необходимым теоретическим трюком, полезным для теоретических расчетов. Причина того весьма проста: чтобы наблюдать индуцированное излучение, нужно, во-первых, обеспечить наличие возбужденных атомов, а во-вторых, необходимо, чтобы вероятность индуцированного излучения была больше вероятности спонтанного. В обычных условиях плотность энергии света невелика и соответственно вероятность индуцированного излучения, величина которой пропорциональна этой плотности, также мала. Этим обстоятельством и объясняется тот факт, что даже после возникновения понимания этого явления в теории очень долго никто и не пытался поставить соответствующий эксперимент. Необходимо упомянуть также и о другом, едва замеченном, но важном результате, полученном Эйнштейном. Он установил, что при излучении светового кванта атом или молекула получают импульс в прямо противоположном направлении. Это говорит о том, что излучения сферических волн в элементарном процессе не происходит. Впоследствии Артур Комптон в экспериментах по рассеянию рентгеновского излучения подтвердил это предсказание.
Теория коэффициентов Эйнштейна позволила физикам разработать в течение нескольких последующих лет адекватную теорию преломления и рассеяния света, что облегчило объяснение экспериментальных результатов. Особый интерес всегда вызывало явление дисперсии света. Впервые его наблюдал в далеком 1648 году средневековый ученый Маркес и заново описал Францеско Гримальди в 1665 году. Вблизи резонанса дисперсия меняет знак и существенно растет поглощение. Это явление именуется аномальной дисперсией, и его исследованием, как теоретическим, так и экспериментальным, занимались в середине 20-х годов XX столетия несколько исследователей: Крамерс - теоретически, а Ладенбург - экспериментально, на опытах в газах (1928). При сильном возбуждении газ явно показал наличие "отрицательного поглощения", то есть, по существу, усиления излучения. К сожалению, твердый предрассудок, что излучение должно обязательно находиться в жестком равновесии со средой, не позволил экспериментаторам в то время более глубоко изучить это неординарное явление.
В СССР существовала и активно развивалась в Физическом институте Академии наук (ФИАН), Государственном оптическом институте и в университетах страны школа спектроскопистов, которые также исследовали эти явления. В докторской диссертации, защищенной в ФИАНe, В. А. Фабрикант явно сформулировал условие, обеспечивающее усиления света атомной системой. Он писал:
"…чтобы в атомной системе имело место усиление, необходимо, чтобы отношение населенностей уровней было больше, чем отношение соответствующих статистических весов". При этом условии интенсивность излучения на выходе системы будет больше, чем на входе. Впоследствии В. А. Фабрикант, М. М. Вудинский и Ф. А. Бутаева получили авторское свидетельство №123209 от 18 июня 1951 года с формулировкой:
"Метод усиления электромагнитного излучения, отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другими способами создается избыточная по сравнению с равновесной концентрация атомов, других частиц или систем, находящихся на верхних, возбужденных уровнях".
По существу, В. А. Фабрикант описал прибор, получивший впоследствии наименование LASER - сокращение от "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - "усиление света с помощью вынужденного излучения". К сожалению, последующие эксперименты группы Фабриканта, выполненные в Государственном оптическом институте, были безрезультатны. Следует отметить, что это авторское свидетельство покрывает только процесс усиления света. В нем нет и намека на возможность обратной связи, необходимой для создания генераторов света. Это обстоятельство неслучайно.
Классические оптики-спектроскописты обычно имели дело с линейными преобразованиями излучения при его прохождении через призмы, линзы и прочие оптические элементы. Поэтому и усилитель представлялся им естественным элементом оптической системы.
Как было отмечено, после Второй мировой войны в науку вошли новые радиофизические методы исследования, появилась радиоспектроскопия, занимавшаяся, по существу, все той же спектроскопией, но уже в диапазоне радиоволн. Соответствующие энергетические уровни, в отличие от оптического случая, оказывались зачастую даже при нормальных лабораторных условиях в достаточной мере населенными. Кроме того, в радиоспектроскопии относительно легко было создать высокую плотность монохроматического излучения в диапазонах радиочастот. Поэтому вынужденным излучением уже нельзя было пренебрегать, как в случае оптической спектроскопии, когда населенности оптических уровней были действительно пренебрежимо малы. Радиоспектроскопы строили либо радиоинженеры, либо ученые-физики, прошедшие во время войны школу радиотехники или радиолокации. Для этих людей понятия об обратной связи, о резонансных системах, генераторах и значительных мощностях излучения были вполне естественными. Поэтому неудивительно, что в 1954 году были одновременно опубликованы две статьи - в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. "Использование молекулярных пучков для радиоспектроскопических исследований вращательного спектра молекул") и в США (Дж. П. Гордон, Х. Дж. Цайгер и Ч. Х. Таунс. "Молекулярный генератор СВЧ и сверхтонкая структура СВЧ-спектра молекулы аммиака - NH3"). В них предлагалось применить в квантовых генераторах резонаторы для создания обратной связи и одновременного отбора колебаний строго определенных частот.
В этих статьях была обоснована идея мазера (MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление СВЧ-колебаний {микроволновых} с помощью индуцированного излучения). Мазеры были впоследствии построены для различных диапазонов частот и принесли большую пользу главным образом в научных исследованиях. Например, с помощью мазера исследователи "Bell Lab." в 1967 году уточнили значение температуры радиоизлучения от Большого взрыва - реликтового излучения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.; № 5, 1994 г. ), а также в качестве эталонов времени. Впервые такие измерения были осуществлены и опубликованы в СССР в 1957 году в одной кандидатской диссертации, выполненной в ФИАНe, но не получили в свое время достаточной известности. Впоследствии мазеры, ввиду их ограниченных возможностей, не нашли широкого применения. Тем не менее это был последний шаг на пути к лазеру, поскольку в мазерах были экспериментально проверены все идеи, существенные для реализации квантового генератора.
Чтобы обеспечить самовозбуждение любого генератора, нужно выполнить два известных из классической радиотехники условия. Первое - необходимо иметь усиливающий элемент, или, иными словами, элемент с отрицательными потерями. В случае квантового генератора таким элементом служит среда с отрицательным коэффициентом поглощения. Второе - требуется обеспечить обратную связь, то есть подать на вход усилителя часть выходного сигнала с тем, чтобы в образовавшейся таким образом петле происходило непрерывное нарастание сигнала вплоть до насыщения системы. Понятие "насыщение" оптикам также не было знакомо, поскольку необходимыми для достижения насыщения интенсивностями света экспериментаторы еще не располагали. Однако все это и было реализовано в мазерах. Оставался последний шаг, но сделать его было непросто, и сделан он был только через 6 лет.
Сначала постараемся ответить на вопрос: почему сразу вслед за мазерами не появились лазеры? Чем это объясняется? Ведь практически все было готово! Однако пришлось преодолевать две не вполне очевидные трудности.
Первая трудность состояла в том, что в оптическом диапазоне не существовало резонаторов в классическом понимании. Оптики вполне довольствовались хорошо известными методами селекции излучения по длине волны с использованием призм, дифракционных решеток и эталона Фабри-Перо (интерферометра). Оптики и не догадывались, что всем известный оптический интерферометр при определенных условиях может служить в качестве высокодобротного резонатора. Немного остановимся на этом вопросе.
Известно, что развитие радиотехники началось с освоения диапазонов достаточно длинных волн (порядка сотен и тысяч метров), использовались резонаторы в виде комбинации катушек индуктивности и емкостей, то есть, как говорят, элементов с сосредоточенными постоянными, размеры которых значительно меньше длины волны. При продвижении в сторону все более коротких волн наступает момент, когда размеры резонатора становятся сначала сравнимыми с длиной волны, а потом и меньше ее. Тогда стали применять объемные резонаторы в виде замкнутых полостей. Но и этот путь доступен для не слишком коротких длин волн. Ясно, что в оптическом диапазоне (длина волны порядка микрометра) такой резонатор технически реализовать не удастся. Решение пришло неожиданно. В 1958 году опять практически одновременно в СССР (А. М. Прохоров в статье "О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах") и в США (А. Л. Шавлов и Ч. Х. Таунс) предложили для создания квантовых генераторов в области очень коротких длин волн так называемый открытый резонатор. В простейшем случае это два плоских и размещенных на одной оси параллельных зеркала (впоследствии стали использовать и сферические зеркала, позволившие реализовать некоторые очень полезные режимы работы лазеров). Существенно, что размеры таких резонаторов оптического диапазона всегда оказываются много больше длины волны. Важно, что даже при не очень высоком коэффициенте отражения зеркал добротность резонатора, то есть отношение запасенной в резонаторе энергии (которая пропорциональна его объему) к энергии, теряемой за один период колебания, оказывается весьма высокой.
Вторая трудность состояла в подборе подходящей усиливающей среды и создании в ней условий для образования отрицательного поглощения, то есть "инверсной населенности" - когда населенность верхних уровней превышает населенность нижних. Решение этой задачи лежало на пути исследования спектроскопических свойств различных материалов. Наиболее изученными к тому времени были различные кристаллы и газы. Первым для создания лазера был использован кристалл рубина (двуокись алюминия с примесью ионов хрома). В США его построил в 1960 году Теодор Мэйман - сотрудник лабораторий известной фирмы "Хьюз". Основываясь на опубликованных работах и своих исследованиях спектроскопических свойств и люминесценции рубина, он разработал конструкцию лазера. С первого включения получил генерацию на длине волны 0,6943 мкм. В его конструкции резонатором служили плоскопараллельные, полированные и посеребренные торцы кристалла, расстояние между которыми составляло один сантиметр. Инверсная населенность создавалась обычной спиральной импульсной лампой, применяемой в фотографии в качестве вспышки.
Вспоминается курьезный факт: когда Мэйман весной 1960 года прислал свою статью в солидный физический журнал "Physical Review Letters", редакция ответила, что статья не может быть напечатана, поскольку работ по мазерам публиковалось много и они уже не представляют интереса для научной общественности. Несомненна ошибка редактора: эта пионерская работа имела большое значение, поскольку ее появление говорило о том, что квантовая электроника вышла из стадии теоретических поисков и перешла к практике. Обидевшись (и вполне обоснованно), автор объявил о своей работе в газете "Нью-Йорк Таймс" от 7 июля 1960 года, что, конечно, не соответствовало неписаной этике ученых - публиковать серьезные работы только в серьезных журналах. Вскоре Мэйман послал свою работу в несколько английских журналов, где она и была наконец опубликована. Т. Мэйман работал в производственной фирме военно-промышленного комплекса, и в его обязанности входила разработка новых, применимых на практике приборов. Он подошел к созданию лазера с позиций разработчика, и его успех как раз говорил о том, что наступил новый этап развития квантовой электроники.
Прошло совсем немного времени, и в том же, 1960 году Али Джаван, В. Р. Беннет (мл.) и Д. Р. Херриот (все - сотрудники "Bell Lab.") запустили гелий-неоновый лазер, где инверсную населенность создавал электрический разряд в смеси газов низкого давления. Статья на эту тему была получена "Physical Review Letters" 30 декабря 1960 года и на этот раз без сомнений и задержек опубликована в феврале 1961 года. Попутно отметим, что использовать разряд в газах для создания инверсной населенности предложил еще в 1939 году В. А. Фабрикант.
Подводя итог этого важнейшего этапа развития, можно сказать, что квантовая электроника получила солидную научную основу. С этого момента многие исследователи в разных странах (а не только в СССР и США) осознали потенциал квантовой электроники и новые работы стали появляться как грибы в осеннем лесу. Тогда же оформились важнейшие направления исследований:
1. Поиски разнообразных новых активных сред - твердотельных, жидких (в том числе растворов красителей), газообразных и изучение их свойств.
2. Создание новых лазеров на их основе и исследование свойств этих лазеров.
3. Изучение свойств лазерного излучения и возможностей его применения для исследования свойств вещества.
4. Поиски новых применений лазеров и лазерного излучения, создание новых приборов и систем для различных областей науки и техники.
Необходимо отметить, что фундаментальные исследования, давшие направление дальнейшему развитию работ, были выполнены в СССР под руководством академика А. М. Прохорова в Физическом институте Академии наук группой научных сотрудников (в их числе Н. Г. Басов, А. А. Маненков, А. И. Барчуков и др.). В США в то же время несколько групп вели аналогичные работы, среди которых, как было уже указано, выделялись работы Ч. Х. Таунса.
В 1964 году Нобелевский комитет присудил А. М. Прохорову, Н. Г. Басову и Ч. Х. Таунсу премию по физике за выдающийся вклад в создание и развитие квантовой электроники.
В период с 1961 по 1964 год стали появляться работы в новом многообещающем направлении - полупроводниковой квантовой электронике. Многие исследователи и ранее рассматривали возможность использования полупроводников в качестве активной усиливающей среды. Известен патент японских ученых Й. Ватанабе и Дж. Нишизава от апреля 1957 года, в котором предлагалось применить инжекцию (вброс) свободных носителей в полупроводник с целью получить излучение. Патент имел название "полупроводниковый мазер", говорящее о правильном понимании цели работы. Наиболее интересным, получившим впоследствии развитие, стало предложение группы сотрудников ФИАНа под руководством Н. Г. Басова, которые предлагали использовать p-n-переход в полупроводнике для возбуждения излучения.
Изучение электролюминесценции началось в далеком 1907 году, когда английский ученый Т. Раунд наблюдал ее в детекторе на основе карбида кремния (T. Round, Electrical world, 309, 1907). Впоследствии О. В. Лосев из Нижнего Новгорода опубликовал в 1923 и 1928 годах описания экспериментальных работ на эту тему.
Область полупроводниковых лазеров развивалась очень интенсивно. Были преодолены все возможные препятствия на пути создания надежных малогабаритных приборов с широким спектром параметров как по частотам излучения, так и по энергетическим и временны, м характеристикам. Особая роль в решении этих вопросов выпала на долю Жореса Ивановича Алферова с сотрудниками ленинградского Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Академии наук (Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, Е. М. Портной, М. К. Трухан), которые разработали многослойные гетероструктуры, ставшие основой современных полупроводниковых лазеров. За эти работы в 2000 году Ж. И. Алферову была присуждена Нобелевская премия. В настоящее время полупроводниковые лазеры лежат в основе устройств записи, хранения и передачи информации по оптоволоконным линиям связи, находят применение в различных областях науки и техники, в частности в качестве мощных малогабаритных элементов накачки твердотельных лазеров.
Лазерное излучение имеет ряд свойств, которые кардинально отличают его от многих других видов излучений, в частности обычных, тепловых. Перечислим эти свойства:
1. Монохроматичность, то есть способность генерировать излучение в очень узком спектральном диапазоне.
2. Когерентность (пространственная и временнaя) - свойство, тесно связанное с монохроматичностью. Когерентность можно с некоторым приближением определить как согласованное (во времени и в пространстве) протекание колебательных процессов, вызывающих излучение. Это свойство определяется тем обстоятельством, что в лазере усиливается только волна, частота которой одновременно равна и частоте лазерного перехода, и собственной частоте резонатора лазера. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии излучения лазера может оказаться в миллион раз y, же ширины линии того же перехода, но при спонтанном излучении. Именно это обстоятельство позволяет использовать лазеры в качестве высокостабильных эталонов частоты и времени.
3. Направленность. Это свойство является простым следствием того обстоятельства, что активное вещество лазера всегда помещено в открытый резонатор, в котором могут существовать только волны, распространяющиеся весьма близко к его оси.
4. Яркость, то есть мощность, излучаемая в единичный телесный угол, также, по существу, представляет собой следствие высокой направленности лазерного пучка. Достаточно сказать, что яркость лазера мощностью порядка милливатта в тысячи раз превосходит яркость практически любого обычного источника света. Эффективная температура лазерного луча, то есть температура, до которой нагревается поглощающее тело, помещенное на пути луча, может иметь невообразимую величину в тысячи миллиардов градусов. Это значит, что понятие тугоплавкости тел по отношению к лазерному излучению смысла не имеет. Любое тело может быть превращено непосредственно в пар, минуя жидкую стадию. На этом свойстве и основаны промышленные методы обработки изделий.
Внушительное впечатление производит даже только перечисление некоторых уже реализованных применений лазерного излучения.
Высочайшая монохроматичность лазерного излучения дает возможность измерять расстояния с погрешностью, равной размерам ядер атомов и даже меньшей.
Генерация коротких лазерных импульсов излучения вплоть до фемтосекунд, то есть длительностей порядка периода световой волны, открыла новые экспериментальные методы исследования вещества. В спектроскопии оказалось возможным резко повысить разрешение и точность приборов.
Фокусировка лазерного излучения позволяет получать напряженность электромагнитных полей, превышающую внутриатомные поля, что используется для инициирования ядерных и контролируемой термоядерной реакции (см. Наука и жизнь" № 2, 2003 г.).
Осуществлены многочисленные применения лазеров в медицине. Производят большое впечатление бескровная лазерная хирургия, операции внутри глаза и на сетчатке для изменения оптической силы хрусталика.
Благодаря появлению лазеров возникла совершенно новая область научных исследований - нелинейная оптика, изучающая взаимодействие интенсивного лазерного излучения с веществом.
Промышленное применение лазеров привело к революционным изменениям в технологии и станкостроении.
Наконец, достигнуты совершенно фантастические скорости передачи данных путем модуляции (с полосой до 20 ГГц) лазерного излучения и транспортировки его по световодам на практически неограниченные расстояния на земном шаре.
Весь этот прогресс вызван усилиями большой армии ученых и инженеров, во главе которой стоят четырнадцать лауреатов Нобелевской премии.
В последние годы появилось множество лазеров, использующих все доступные активные среды. Описать подробно всю эту картину в рамках одной статьи, естественно, невозможно. Поэтому попытаемся сгруппировать лазеры, используя общие признаки. Это могут быть схемы уровней (трехуровневые, четырехуровневые), особенности активной среды, способы накачки, генерируемые частоты, временны, е характеристики и т. п.
1. Твердотельные лазеры.
Активная среда - люминесцирующее твердое тело (матрица), активированное ионами Nd, Cr, Ti, Co, Ni, Tm, Ho, некоторыми редкоземельными и другими ионами. В качестве матрицы используются как различные кристаллы (рубин, гранаты и т. п.), так и аморфные тела (стекло). Оптическая накачка осуществляется либо импульсными лампами, либо мощными полупроводниковыми лазерами. Используются как трех-, так и четырехуровневые схемы. Диапазон энергетических характеристик чрезвычайно велик - от долей джоулей до мегаджоулей в импульсе (лазерные системы термоядерных установок). Промышленные лазеры непрерывного действия генерируют излучение мощностью до 4 кВт. Диапазон временных характеристик простирается от непрерывного излучения до фемтосекундных импульсов. Сфокусировав такой импульс в пятнышко размером порядка десяти микрон, получают плотность энергии в фокусе до 1021 Вт/см2.
К этой же группе можно отнести и лазеры на оптоволоконных световодах. Активной средой в них служит сердечник волокна, активированный редкоземельными ионами. Мощность их излучения в непрерывном режиме достигает 2,5 кВт. Световодные лазеры незаменимы в системах оптоволоконной связи и в некоторых других областях техники.
В особую группу следует выделить перестраиваемые твердотельные лазеры на основе кристаллов александрита (Сr3+BeAl2O4), сапфира (TiAl2O3), (Сr3 +LiCaAlF6) и др. Диапазон перестройки этих лазеров простирается от 700 до 1010 нм.
2. Лазеры на красителях.
Основное свойство этих лазеров - широкий диапазон перестройки длины волны: от 320 до 1500 нм. Крайне интересна другая их особенность - способность генерировать импульсы фемтосекундной длительности.
3. Полупроводниковые лазеры.
Эта группа лазеров отличается весьма малыми габаритами, они генерируют в достаточно широком диапазоне мощностей - от микроватт до десятков ватт и покрывают диапазон длин волн от 300 до 1500 нм. Важно, что такие лазеры могут быть встроены в элементы оптических устройств световодной связи. Сегодня они составляют технологическую основу всех широкополосных линий связи со скоростью передачи информации свыше гигабайта в секунду.
4. Газовые лазеры.
В первом и до сих пор широко применяемом газовом лазере использовалась смесь гелия и неона при низком давлении, сегодня используют также смеси гелия с ксеноном и другие. Это маломощные лазеры (до 200 мВт), генерирующие ограниченный набор частот.
Особую группу составляют газовые (СО2, СО) лазеры высокого давления с высокой (до десятков киловатт) выходной мощностью. Они широко применяются в промышленных производственных процессах.
К газовым лазерам относятся также лазеры на парах металлов - меди, He-Cd и некоторых других, а также аргоновый и криптоновый ионные лазеры мощностью от 5 до 30 Вт. Они нашли применение для накачки лазеров на красителях, в нелинейной оптике, а также в медицине.
Эксимерные лазеры работают на смеси благородных газов с фтором, хлором или фторидами, молекулы которых существуют только в возбужденном состоянии (они называются эксимерными). Для них характерен ультрафиолетовый диапазон излучения и импульсный режим работы. Они могут отдавать значительные мощности - до киловатта. Эти лазеры широко используют в офтальмологии для исправления рефракции хрусталика.
5. В особую группу следует выделить газодинамические лазеры с тепловой накачкой , которую создает сверхзвуковой поток горячего газа. Газ нагревает сгорающее углеводородное топливо. Активная среда - смесь газов N2+CO2+He или N2+CO2+H2O. Для них характерна очень высокая излучаемая мощность - до 20 кДж на килограмм сгоревшего топлива.
6. Химические лазеры.
Это лазеры, в которых инверсия населенностей достигается за счет экзотермической химической реакции, например на основе цепной реакции F + H2 = HF + H. Химические лазеры способны излучать в широком диапазоне частот и при значительных отдаваемых мощностях - до 100 кВт.
7. Параметрические лазеры - источники когерентного излучения, в которых мощная световая волна одной частоты проходит через кристалл, преобразующий ее в излучение меньшей частоты (процесс носит название "нелинейно-оптическое преобразование"). Важнейшее свойство этих лазеров - возможность плавной перестройки излучения в широком диапазоне частот - позволяет плодотворно применять их в спектроскопии.
8. В стадии разработки и исследований находятся лазеры на свободных электронах, рентгеновские и гамма-лазеры, имеющие пока только научное значение.
Таким образом, можно констатировать, что к настоящему времени появилась широкая гамма лазеров, способных генерировать когерентное излучение практически с любыми необходимыми характеристиками в широком спектральном диапазоне - от инфракрасного до рентгеновского.
В заключение необходимо упомянуть, что в последнее время (в частности, в нашей стране) поговаривают, что квантовая электроника себя якобы исчерпала. Это мнение абсолютно необоснованно. Огромный диапазон частот лазерного излучения (от рентгена до дальнего инфракрасного) обеспечивает неограниченные возможности его применения и в технике, и в фундаментальных научных исследованиях.
Реальным подтверждением этому служит появление нового поколения квантовых генераторов - волоконных лазеров с мощностью непрерывного излучения более 10 кВт, открывающих новые области применений лазерного излучения.
"НАУКА И ЖИЗНЬ" О КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
Журнал "Наука и жизнь" начал публиковать материалы, посвященные лазерной тематике, практически с момента зарождения квантовой электроники. За истекшие пятьдесят лет на страницах журнала появилось несколько сотен статей и заметок, так или иначе относящихся к лазерной технике и областям ее применения. Приводим список основных публикаций журнала, позволяющих проследить полувековой путь развития этой интереснейшей области электроники.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
Прохоров А. Из истории квантовых генераторов (нобелевская лекция). - 1965, № 3.
Парад лазеров. - 1965, № 5.
Фабрикант В. Классика, кванты и квантовая электроника . - 1965, № 10.
Жидкостные лазеры. - 1967, № 3.
Лохов Ю., Сипягин В. Лазеры. - 1971, № 8.
Лохов Ю. и др. Профессии лазера. - 1972, № 3.
Сворень Р. Планируется прорыв (g-лазер). - 1975, № 1.
Прохоров А. и др. Лазерный луч из ракетного пламени. - 1975, № 11.
Свет: когерентность, интерференция, поляризация . - 1976, № 3.
Прохоров А. Квантовая электроника двадцать лет спустя. - 1976, № 8.
Клячко Л. Транспортировка вещества по лазерному лучу. - 1980, № 9.
Сворень Р. Электрон стреляет на лету. - 1982, № 4.
Басов Н. Мощные лазеры и лазерная технология . - 1982, № 12.
Басов Н. и др. Миллион лет с точностью до секунды. - 1984, № 6.
Транковский С. Лазер излучает белый свет. - 1994, № 10.
Летохов В. Фемтофизика и фемтохимия - науки о сверхбыстрых процессах . - 1995, № 9.
Костко А. Лазер исследует атмосферу . - 2002, № 12.
Парафонова В. Ядерный синтез в лазерной искре. - 2003, № 2.
Как работает лазер. - 2003, № 9.
Парафонова В. Лазер предскажет землетрясение . - 2004, № 4.
ПОПУЛЯРНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Дунская И. М. Возникновение квантовой электроники . - М.: Наука, 1974.
Тарасов Л. В. Лазеры: действительность и надежды. - М.: Наука, 1985.
Транковский С. Д. Книга о лазерах. - М.: Детская лит., 1988.
НАУЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Einstein А. Zur quantentheorie der Strahlung, Phys. Z. 18, 121-128 (1917).
Dirac Р. Еxternal pump quanta for induced radiation (Dirac P. A. M. The quantum theory of the emission and absorption of radiation, Proc. Roy. Soc. London A 114, 243 (1927))
Фабрикант В. А. Докторская дисс. / Физический институт им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР, 1939.
Басов Н. Г. и Прохоров А. М. Использование молекулярных пучков для радиоспектроскопических исследований вращательного спектра молекул // ЖЭТФ, т. 27, стр. 431.
Gordon J. P., Zeiger H. J., Townes C. H. // Phys. Rev., 1954, 95, 282.
Прохоров А. М. О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах // ЖЭТФ, 1958, т. 34, стр. 1658.
Schawlow A. L. and Townes C. H. // Phys. Rev., 1958, v. 112, p. 1940.
Maiman T. H. Stimulated optical radiation in ruby // Nature, 1960, 187, 493-494.
Javan А., Bennet W. R., jr. and Herriot D. R. // Phys. Rev. Lett, 1961, 6, 106.
Басов Н. Г., Крохин О. Н. и Попов Ю. М. // ЖЭТФ, 1961, т. 10, стр. 1879.
Round Т. // Electrical world, 1907, 309.
Алферов Ж. И., Андреев В. М., Портной Е. М., Трухан М. К. // Физика полупроводников, 1970, т. 3, стр. 1107.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Иллюстрация к роману "Гиперболоид инженера Гарина". Предполагалось, что мощное излучение можно получить даже от пламени свечи, а это абсолютно невозможно: слишком большой и "холодный" источник света. Не говоря уже о том, что фокусировать луч следовало параболическим зеркалом, а не гиперболоидом.
Илл. 2. Под действием энергии накачки (например, светового потока) атомы с основного уровня Е0 поднимаются на верхний, неустойчивый уровень Е2. Оттуда они быстро опускаются на уровень Е1, отдавая часть своей энергии на нагрев вещества. С этого уровня атом возвращается в основное состояние Е0, излучая квант частоты n = (Е1 - Е0)/h, где h - постоянная Планка. Вернуться он может либо самопроизвольно, либо под воздействием пролетающего кванта той же частоты n. В этом случае говорят об индуцированном когерентном излучении.
Илл. 3. Первым квантовым генератором, «прародителем» всей квантовой электроники, стал мазер, работающий на молекулах аммиака NH3. Принцип его работы заключался в следующем. Пучок молекул в источнике проходит через высокочастотное электромагнитное поле, где часть их переходит в возбужденное состояние. Далее пучок из смеси молекул поступает в фокусирующее устройство — систему из четырех электродов, создающих четырехполярное электрическое поле. В нем на молекулы в возбужденном состоянии действуют силы, направленные к центру системы, а на молекулы в основном состоянии — силы, направленные наружу. В результате в сфокусированном пучке остаются только возбужденные молекулы, которые попадают в резонатор. В резонаторе возникают незатухающие колебания радиочастоты, которые выходят через волновод. «Лишние» молекулы аммиака из прибора откачиваются.
Илл. 4. Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления. Перед началом работы производится поджиг — молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом. Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами — полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона построил в конце 1960 года американский физик А. Джаван.
Илл. 5. Газодинамический лазер — разновидность лазера газового, — напоминающий реактивный двигатель. Сгорающее в нем топливо создает поток горячих газов, ионы и молекулы которых возбуждены нагревом до тысячи с лишним градусов. Поток проходит через сопло и резонатор, где охлаждается и отдает энергию в виде непрерывного излучения мощностью до сотен киловатт.
Илл. 6. Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора — между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).
Илл. 7. Полупроводниковый лазер излучает за счет квантовых p-n—переходов между зоной проводимости (p) и валентной зоной (n). Излучающая область лазера исключительно мала — порядка 10-11 сантиметра (длина около 1 мм, толщина порядка 2 мкм), но энергия излучения достигает 10 Вт. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs. Первый полупроводниковый лазер построил американский физик Р. Холл в 1962 году.
Илл. 8. Параметрический лазер работает за счет преобразования мощной световой волны одной частоты, проходящей через нелинейный кристалл, в излучение меньших частот. Кристалл помещен между зеркалами, играющими роль резонатора. Меняя расстояние между зеркалами, можно при постоянной длине волны накачки менять частоту лазерного излучения в широких пределах. Первые параметрические лазеры были созданы в 1965 году одновременно Дж. Джодмейкером и Р. Миллером (США), С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР).
Илл. 9. Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях, налитых в кювету. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Накачка производится либо мощными лампами, либо лазерным излучением. Нагревающаяся в процессе работы жидкость прокачивается через холодильник. Лазеры на неорганических жидкостях по своим параметрам сходны с твердотельными лазерами. Первый лазер на красителях был построен в 1966 году.
Статьи по теме
Читайте в любое время
