Как изобрели лазер

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

Действительно, как тут не задуматься о применении лазера в немирных целях? Почему нельзя построить «гиперболоид инженера Гарина», несущий смерть и разрушения на расстоянии в десятки километров?

Да потому, что свет, как и любая электромагнитная волна, подчиняется законам физики. Теоретически можно послать жёстко сфокусированный, «тонкий, как вязальная спица», цитируя А.Н. Толстого, луч хоть на Луну, но он не будет иметь никакой разрушительной силы (разве что попадёт кому-нибудь в глаз и вызовет кратковременный ожог сетчатки). И наоборот — можно создать очень мощный луч, плавящий металл, но только на близком расстоянии. На сколько-нибудь значительном расстоянии мощный луч неизбежно расфокусируется.

Для того чтобы луч лазера и не расходился в пространстве, и сохранял высокую разрушительную силу на больших расстояниях, необходимы энергии и технологии изготовления лазерного вещества, которые нам пока недоступны — к счастью. Поэтому, если верить материалам из «Википедии», военные в настоящее время могут использовать лазер для временного ослепления противника, психологического воздействия на его боеспособность, а также для вывода из строя оптических систем наведения и создания световой завесы, не позволяющей снайперам противника вести прицельную стрельбу.

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.