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.

Примерно через год первый лазер был запущен в СССР. Это произошло 2 июня 1961 года в ГОИ, старшим научным сотрудником Л.Д. Хазовым с участием И.М. Белоусовой. Все элементы лазера – рубин, покрытие на его торцах, лампы накачки – были созданы в ГОИ. После запуска лазера на рубине в институте началась интенсивная работа по созданию твердотельных и газовых лазеров. Уже в 1963 году была проведена первая в мире передача телевизионного сигнала по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу.

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.