Теодор мейман лазер кратко

Обновлено: 05.07.2024

"Вся история науки на каждом шагу показывает, что отдельные личности были более правы в своих утверждениях, чем целые корпорации ученых или сотни и тысячи исследователей, придерживающихся господствующих взглядов".

В 1916 г. А. Эйнштейн теоретически обосновал эффект вынужденного излучения (в современной терминологии – лазерный эффект), открыв тем самым возможность создания принципиально новых устройств, генерирующих электромагнитные колебания в оптическом диапазоне частот. В те годы воспользоваться этой возможностью было нельзя, так как было неясно, как можно создать требуемые условия возбуждения электронов в веществе.

Теодор Мейман

На подбор соответствующего вещества и поиск способов его возбуждения ушло более 30 лет. По мнению составителей юбилейного журнала "Electronics", известный советский физик В. А. Фабрикант (Всесоюзный электротехнический институт, Москва) ближе других подошел к пониманию возможности усиления электромагнитного излучения при индуцирующем действии другого излучения, и сделал попытку получить усиление в парах цезия [1]. В 1940 г. он изложил свою теорию, основанную на квантовых принципах, и показал, что при падении на среду электромагнитного излучения определенной частоты происходит его резонансное поглощение, вызывающее переход электронов на верхние энергетические уровни. Если через данную среду проходят фотоны той же частоты, то возможен возврат электронов па нижние уровни с вынужденным излучением фотонов той же частоты. Следовательно, происходит усиление потока фотонов.

В 1954 г. советские физики A.M. Прохоров и Н. Г. Басов получили лазерно-мазерный эффект, состоящий в следующем: поток молекул аммиака, тщательно отсортированных в магнитном поле по одинаковой степени возбуждения, попадал в СВЧ-резонатор и начинал излучать электромагнитные волны. Получила экспериментальное подтверждение теория А. Эйнштейна о возможности вынужденного излучения. В этом же году Д. Гордон, Г. Зейгер и Ч. Таунс объявили о создании первого квантового генератора (мазера), работающего на молекулах аммиака. Правда, генерация излучения была в сантиметровом радиодиапазоне (длина волны l =1,24 см). Возникло новое направление физики – квантовая электроника.

В 1957-1958 гг. A.M. Прохоров и Н. Г. Басов в Москве, в Физическом институте, сформулировали основные принципы создания генераторов и усилителей световых волн. Одновременно в США Ч. Таунс и А. Шавлов (Bell Telephone Laboratories) опубликовали фундаментальную работу в области инфракрасных и оптических лазеров, в которой был описан принцип создания лазера на парах щелочи [2]. За это открытие A.M. Прохоров и Н. Г. Басов совместно с Ч. Таунсом были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Продолжались широкие исследования в области материалов, способов возбуждения и конструкций квантовых генераторов. Ведущие научно-исследовательские лаборатории США, СССР, Великобритании и других высокоразвитых стран проводили интенсивные исследования, однако никому не удавалось создать рабочий образец. Крупные компании, военные ведомства и исследовательские лаборатории вкладывали огромные средства в создание лазера, но это не приближало их к результату. Экспериментальные исследования зашли в тупик и многие ученые стали сомневаться в практической возможности получения когерентного оптического генератора.

Именно в этот момент – момент накопления фундаментальных теоретических результатов и отсутствия практических решений – появился Теодор X. Мейман. Он вошел в историю как физик, которому впервые в мире удалось получить лазерный эффект в твердом теле. В созданном им твердотельном лазере активным веществом служил рубиновый цилиндрический стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки (ламп фотовспышки). Для обеспечения в кристалле рубина инверсной населенности энергетических уровней лампы работали в режиме сверхъярких коротких вспышек, что обеспечивало импульсный режим работы лазера.

Теодор Мейман (или просто Тед, как его тогда называли) родился в 1927 г. в Лос-Анджелесе. Его отец работал инженером-электронщиком в Bell Labs и был изобретателем. Много лет он потратил на то, чтобы доказать необходимость применения электронных устройств в автомобилях. В то время его предложения не вызвали интереса, однако уже через несколько лет все автомобили были оборудованы предложенным им электронным прибором. Талантливый инженер и образованный человек, он предчувствовал широкое применение электроники в различных областях человеческой деятельности и, в частности, внедрение ее достижений в медицину. Именно он изобрел первый электронный стетоскоп [2].

Старший Мейман с детства прививал Теду любовь к электронике и научному поиску. В возрасте 12 лет мальчик помогал отцу ремонтировать различные электронные устройства, а в 14 он уже работал в мастерской одной из компаний. В 1949 г. Теодор Мейман закончил университет штата Колорадо и получил звание бакалавра в области технической физики. В то время он мечтал работать на факультете физики Стэнфордского университета и после нескольких неудачных попыток все-таки достиг поставленной цели.

В Стэнфорде Т. Мейман сделал первые шаги к успеху. Работа под руководством лауреата Нобелевской премии В. Лэмба дала ему именно такую подготовку, которая была нужна для практического воплощения идеи лазера. Диссертация Меймана была посвящена оптическим и СВЧ-измерениям, он изучил различные способы получения оптического излучения и существующие тогда оптические измерительные приборы. Из-за финансовых трудностей он сам разрабатывал и изготавливал необходимое ему для проведения экспериментов специальное электронное оборудование. В 1955 г. Т. Мейман получил степень доктора философии.

Трудности, с которыми столкнулся молодой и мало тогда кому известный ученый, были огромны. Несмотря на то, что Мейман обладал большим исследовательским опытом, в него никто не верил. Его теоретические и практические разработки не находили поддержки, финансирование было скудным. Когда в качестве материала для лазера он выбрал рубин, маститые ученые подняли его на смех. Знакомство со свойствами рубина и опыт работы с ним как с материалом, который может служить источником когерентного излучения, он получил еще в аспирантуре Стэнфордского университета. Был период, когда уставший от бесполезных усилий и насмешек, Мейман даже отказался от использования рубина. На это решение повлияли эксперименты И. Вейдера, который определил, что квантовая эффективность излучения рубина очень низка (около 1%). Т. Мейман обратился к исследованию других материалов, но альтернативы не находил.

И тогда с необычайным упорством, вызывавшим раздражение и насмешки, он вернулся к экспериментам с рубином. Путем повторных опытов Мейман выяснил, что результаты Вейдера были ошибочны. Квантовая эффективность излучения рубина оказалась равной 75%.

В то время большинство ученых пытались создать лазер непрерывного действия. Эти работы основывались главным образом на появившейся в 1958 г. знаменитой статье Э. Сколоу и К. Таунса, излагавших идею оптического лазера и предлагавших использовать для генерации когерентного светового излучения пары натрия, а не твердое вещество. Мейман был верен себе и шел вперед вопреки общепринятому мнению. Ознакомившись с теорией А. Шавлова и Ч. Таунса и сделав вывод, что она не будет работать, он взялся за конструирование своего лазера. Используя самую яркую лампу с элипсоидным рефлектором, он убедился в возможности построения лазера, работающего в непрерывном режиме. Однако надежность такого лазера была очень низкой. Поиск нетрадиционных решений натолкнул его на мысль о целесообразности использования сверхярких стробоскопических ламп, применяемых в фотографии (фотовспышек). Проведенные Мейманом расчеты (в то время они производились только на логарифмической линейке!) показали, что эти лампы действительно обеспечивают оптическую накачку, и он применил их для создания импульсного рубинового лазера.

Рубиновый кристалл, с которым работал Мейман, имел форму стержня, на торцевых поверхностях которого необходимо было сформировать отражающие зеркала. В 1960 г. технологию создания многослойных пленочных покрытий для лазерных зеркал имели только крупнейшие лаборатории. Т. Мейман самостоятельно разработал технологию нанесения серебра на рубиновый стержень и осуществил ее.

16 мая 1960 г. Т. Мейман создал первый в мире рубиновый лазер. На это ушло 9 месяцев колоссальных усилий, работы в атмосфере насмешек, неверия, безденежья. Он обошел в этом соревновании ведущие компании, такие как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG и многие другие.

7 июля 1960 г. на специально созванной пресс-конференции Т. Мейман объявил о создании лазера и рассказал о возможных областях его применения: связь, медицина, военная техника, транс-порт и высокие технологии. Изобретение получило широкий общественный резонанс. Газеты писали, что ученый из Лос-Анджелеса изобрел "луч смерти".

Несколько месяцев спустя, в 1961 г., Bell Labs сообщила о создании первого образца газового лазера, работающего на смеси гелия и неона в непрерывном режиме. Затем был получен лазерный эффект на парах цезия, и началась демонстрация возможностей построения лазеров буквально на сотнях различных материалов.

По мнению Т. Меймана, его успех объясняется несколькими факторами. Во-первых, прекрасное базовое образование и большой научный и практический опыт. Во-вторых, то, что при достижении цели он всегда избегал традиционных представлений, основанных на "незыблемых" постулатах научной элиты. Именно "эффект гуру" (как называл его Т. Мейман) не позволил другим ученым достичь успеха.

Поскольку Ч. Таунс стал одним из лауреатов Нобелевской премии 1964 г. "за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа – мазеров и лазеров", возник некоторый скепсис относительно первенства Т. Меймана в изобретении лазера. Это наглядный пример условности при установлении приоритета некоторых открытий в науке, а также того, что обще-ство не всегда торопится с признанием заслуг первооткрывателей. Известно, что А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии "за важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта" лишь в 1921 г. – через 16 лет после созданной им теории. В. Рентген получил эту премию в 1901 г. – через шесть лет после обессмертившего его открытия. Открытие В. Фабриканта вообще было отвергнуто как нереализуемое.

Но "никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер", – говорит Т. Мейман [1]. И еще: "Если они сделали это, то где же тогда, черт возьми, их лазер?" – и вынимает из кармана тот самый первый лазер, который он создал в 1960 г.

Т. Мейман основал компанию Korad по производству лазеров. Затем создал фирму Maiman Associates, которая в 1976 г. объединилась с компанией TRW. Он стал ее вице-президентом по новейшим технологиям.

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера, Т. Мейман запатентовал некоторые типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Т. Мейман удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества – SPIE, награды президента США, аналога Нобелевской премии в странах Азии – Japan Prize и др.

С 1983 г. Т. Мейман увлекся применением лазеров в медицине. Он продолжает трудиться, готовит специалистов в этой области и считает, что работа составляет счастье его жизни.

Сегодня лазеры широко используются в различных областях человеческой деятельности. Они прочно вошли в быт в виде лазерных дисков, указок, принтеров и т.д. В технике связи без лазеров невозможно представить современные волоконно-оптические и атмосферные линии связи, оптические усилители, оптическую связь между космическими аппаратами. В технологии мощные лазеры используются для прецизионной обработки материалов и упрочения поверхностей. В экологии они обеспечивают высокоточный мониторинг окружающей среды. В медицине лазеры заменяют скальпель при тончайших хирургических операциях, а также широко используются в диагностике и лечении. Во многих оборонных системах лазеры также занимают центральное место. И недаром в 2000 г. была присуждена еще одна Нобелевская премия за исследования, непосредственно связанные с лазерами: Ж. Алферов и Г. Кремер получили ее за развитие полупроводниковых структур для высокоскоростной связи и оптоэлектроники.

Электроника: прошлое, настоящее, будущее. – Перевод с английского под ред. члена-корреспондента АН СССР В. И. Сифорова. – М.: Мир. – 1980 (Electronics. Special Commemorative Isse. – 1980. – Vol. 53. №9 (587), McGraw-Hill Inc/ New York, USA).
Friedman G. Inventing the light fantastic: Ted Maiman and the world's first laser // Optical Engineering Reports, 2000.
Носов Ю. Р. Дебют оптоэлектроники. – М.: Наука. – 1992.
Author Biography. Theodore H. Maiman, Ph.D.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №6, 2003 г., стр. 53.
Перепечатывается с разрешения редакции.

В 2010 году исполнилось 50 лет с того события, к которому российская наука имела самое непосредственное отношение. Трое отечественных ученых удостоены Нобелевских премий за эпохальные научные открытия, благодаря которым был изобретен и впоследствии усовершенствован лазер. Мейман построил и запустил свой первый твердотельный лазер 16 мая 1960 года.

Мейман построил и запустил свой первый твердотельный лазер 16 мая 1960 года. Активным веществом в его устройстве служил рубиновый цилиндрический стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки (ламп фотовспышки). Для обеспечения в кристалле рубина инверсной населенности энергетических уровней лампы работали в режиме сверхъярких коротких импульсов.

Родился Теодор Мейман в Лос-Анджелесе (Калифорния) 11 июля 1927 года в семье инженера-электронщика. После учебы в колледже, работы в ремонтных мастерских и службе во флоте он обратился наконец к науке. В 1949 году закончил Университет штата Колорадо (University of Colorado) и получил звание бакалавра в области технической физики. Затем продолжил учебу на физическом факультете Стэнфордского университета (Stanford University) и стажировался под руководством лауреата Нобелевской премии Уиллиса Ламба (Willis Lamb).

Создать свой первый лазер Мейману удалось после девяти месяцев непрерывной гонки, работая в лаборатории Hughes Research, которая соревновалась с другими ведущими компаниями, такими как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG. Затем ему еще долго пришлось бороться за свой приоритет, который в конце концов стал вполне общепризнанным. После работы в Hughes Research Мейман основал свою собственную компанию Korad по производству лазеров. Затем создал фирму Maiman Associates, которая в 1976 году объединилась с компанией TRW, и стал ее вице-президентом по новейшим технологиям.

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера Мейман получил также патенты на многие типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Позже был удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества — SPIE, награды президента США, Japan Prize (аналога Нобелевской премии в странах Азии) и др. Последние годы занимался применением лазеров в медицине.

3 комментария: Теодор Мейман — создатель твердотельного лазера

Все же почему Мейман не получил Нобелевскую за создание первого лазера? Ведь первый газовый лазер заработал лишь в следующем — 1961 году?

В 1949 г. Теодор Мейман закончил университет штата Колорадо и получил звание бакалавра в области технической физики. В то время он мечтал работать на факультете физики Стэнфордского университета и после нескольких неудачных попыток все-таки достиг поставленной цели.

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера, Т. Мейман запатентовал некоторые типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Т. Мейман удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества — SPIE, награды президента США, аналога Нобелевской премии в странах Азии — Japan Prize и др.

Как известно, лазер – это устройство способное к усилению света путем вынужденного излучения. И возможность построения этого устройства была сначала предсказана в теории, а лишь много лет спустя удалось построить первый образец. Напомню, что вынужденное излучение было объяснено с точки зрения квантовой теории Эйнштейном, а первое воплощение этого принципа в железе началось в 50х годах ХХ века независимо различными группами ученых, наиболее известными из которых стали Ч. Таунс, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. Тогда им удалось построить первый квантовый генератор – мазер, который генерировал излучение в области сантиметровых волн. Непокоренным на то время оставался оптический диапазон, и о том, как его удалось покорить я и постараюсь рассказать в этой статье.

Детали лазера крупным планом:

Собственно, кристалл рубина.

И весь лазер в сборе, без источника питания.

А так его показывали в книжках Б. Ф. Федорова различных изданий.

Поскольку такой способ накачки все равно остается неэффективным, то от него быстро ушли в пользу накачки прямыми трубчатыми лампами серии ИФП. Кристаллы же рубина также стали выпускаться всего нескольких стандартных размеров, в точности по размеру светящейся части лампы. Кристалл рубина и лампу стали размещать в фокусах эллиптического отражателя, чтобы кристалл собирал максимум доступного света. Так это выглядит схематически.

А так выглядит эллиптический отражатель вживую.

Было бы странно, если бы мне не захотелось построить свой собственный рубиновый лазер, используя ~~подручный и подножный~~ выброшенный из лазерной лаборатории хлам. Хотелось отдать своего рода дань истории. Ну и получить первый опыт работы с импульсными твердотельными лазерами. Дальше следует описание постройки моего собственного лазера на рубине.

Информация представлена в ознакомительных целях. Автор не несет ответственности за попытки повторения описанного.

Основой стал упомянутый выше кристалл от установки УИГ-1. Это кристалл бледно-розового цвета с размером рабочей окрашенной части 8*120 мм, с дополнительными бесцветными наконечниками, что дает общую длину кристалла в 180 мм. Наконечники нужны для крепления кристалла в корпусе излучателя. Ещё одна причина, по которой окрашенную часть делают точно по размеру лампы накачки в том, что у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации. Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.

В первую очередь был построен макет источника питания для лампы накачки. Основная его деталь – это батарея конденсаторов емкостью 1000 мкФ, которая заряжалась до напряжения 3 кВ.

Напомню, что схемы с высоковольтными конденсаторами большой ёмкости смертельно опасны!

Схема заряда и поджига лампы. Для первой попытки взята ИФП-5000.

Сначала схема с лампой испытывалась без какого либо корпуса. Вспышка лампы крайне мощная, происходит с достаточно громким хлопком и её легко видно в соседних комнатах – свет распространяется через коридор, переотражаясь от стен. Вспышка лампы способна обугливать дерево и бумагу, расположенные к ней в упор. Каждая вспышка сопровождается запахом подгоревшей пыли и озона, выработанного могучим импульсом жёсткого ультрафиолета, и сопровождается волной жара, если находиться рядом с ней. Прямое наблюдение вспышки без средств защиты глаз крайне опасно! Для защиты достаточно обычной сварочной маски или очков.

В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.

В качестве отражателя было решено испытать белые кафельные плитки. Современной тенденцией в коммерческом лазеростроении является использование керамических диффузных отражателей сделанных из спеченной окиси алюминия, которая отражает до 97% падающего света. Фирменные отражатели мне, конечно же, недоступны, но вот кафельные плитки выглядят не хуже, тоже идеально белые.

Было заменено и выходное зеркало на новое с измеренным коэффициентом пропускания 45% на длине волны 694 нм.

Поскольку кристалл не имеет водяного охлаждения, то с повышением его температуры энергия луча довольно быстро падает, вплоть до полного срыва генерации. Да и кафельные плитки хорошо нагревались и затрудняли отвод тепла. При разборке я заметил, что поверхность плиток все же начала темнеть. Было решено испытать металлический отражатель, согнутый из хромированной пластины фотоглянцевателя.

Этот отражатель работал также как и кафельные плитки, но гораздо быстрее охлаждался и стрелять можно было чуть чаще. Было проведено несколько стрельб по металлу и резине. От сорта металла зависит вид высекаемых искр. Стрельба в трансформаторное железо. Для сквозного пробоя понадобилось 4 выстрела.

Стрельба в нержавейку. Искры более яркие.

Стрельба в лезвие канцелярского ножа из углеродистой стали дает обилие пушистых звездочек.

Стрельба в резину дает выброс факела пламени длиной до 3-4 см с последующими колечками дыма.

Также удалось выяснить, что из-за применения призмы полного отражения в качестве глухого зеркала лазер работает в одномодовом режиме и выдает энергию меньшую, чем мог бы, при том же уровне накачки. Дело в том, что центральное ребро у призмы – это мертвая зона и, исходя из схемы хода лучей света в призме полного отражения, световой пучок расщепляется на два параллельных, что соответствует моде ТЕМ10. Опозналось это по пятну ожога на черном карболите – было четко видно расщепленное пополам пятно как на картинке.

Если создать условия, при которых все остальные моды не будут подавляться, то за счет появления высших мод можно добиться повышения выходной энергии минимум вдвое. Для этого потребовалось заменить призму, которые легкодоступны, на специальное глухое зеркало, рассчитанное для работы на длине волны 694 нм. И это того стоило! Порог генерации упал до 900 Дж, а энергии действительно стало больше! И при стрельбе в черный карболит получалось равномерное пятно ожога. Теперь пластинка трансформаторного железа пробивалась за 2-3 выстрела, а диаметр отверстия получался несколько большим. Ну и количество искр стало существенно больше! Особенно красиво получается при стрельбе в углеродистую сталь.

Обычная сталь тоже искрит весьма неслабо!

3 выстрела делают в лезвии ножа сквозную дырку.

На этот момент возможности лазера уже были в принципе понятны, и оставалось убрать весь тот бардак из конденсаторов и оголенной высоковольтной проводки в более-менее аккуратный корпус, удачно оставшийся от разобранного блока питания лазера ЛГ-70. Принято решение сократить конденсаторную батарею, оставив только 6 однотипных конденсаторов, которые идеально влазили в корпус. Впихивание остального барахла затруднений не вызвало, даже осталось место для очень важного узла обеспечения безопасности – вакуумного выключателя имеющего нормально замкнутое положение, который разряжает конденсаторы на мощный резистор, когда прекращаются занятия с лазером и блок питания обесточивается. Заряд надежно сливается примерно за 40 секунд. Платой за это стало некоторое снижение энергии излучения, но зато лампы накачки работают в более щадящем режиме.

Вверху – конденсаторы, правее – разрядный резистор, в левом нижнем углу – система поджига лампы, круглая катушка правее – балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы (без него лампы торжественно взрываются после пары десятков вспышек), ещё правее (в центре) трансформатор от китайской микроволновки для заряда конденсаторов, ещё правее – его пускатель, и в правом нижнем углу – вакуумный выключатель ВВ-5, который замыкает конденсаторы на резистор при выключении аппарата из сети.

Вид БП сзади. Вентилятор там стоит просто потому, что он там был, и там было место под него. Реально греющиеся узлы в этом блоке отсутствуют. Высокое напряжение выводится через два контакта на самодельных проходных изоляторах, которым ещё нужно обеспечить дополнительную защиту от случайных прикосновений.

После сборки блока питания было решено взять штурмом пятак, выполненный из нержавеющй стали толщиной примерно 1.3 мм. Понадобилось около 7 выстрелов, но сквозной пробой был получен!

Здесь уже видны искры с тыльной стороны пятака.

А вот и желаемый результат – сквозной пробой пятака.

Подводя итог, было бы странно, если бы с моим увлечением я бы не построил этот действительно выдающийся вид лазера, у которого в моей реализации выходная энергия оценивается в 5 Дж при использовании полновесной батареи конденсаторов. Именно с него началась история всей лазерной техники и совершенно новой на тот момент науки – нелинейной оптики, которая открыла совершенно необычные казусы, происходящие со светом в области больших мощностей и энергий. Отдельно я бы хотел поблагодарить Джаррода Кинси, американского лазерного самодельщика, с ним я смог обсудить конструкцию своего самодельного лазера, и получить от него ряд ценных замечаний. В статье были использованы материалы из следующих источников, помимо бездонных глубин интернетов:

Благодарю за чтение, надеюсь было интересно.

А для будущих проектов у меня припасен действительно огромный рубиновый стержень – диаметром 16мм и с длиной окрашенной части 240 мм. Полная длина – 300 мм. Из такого кристалла можно получить до 100 Дж выходной энергии. Почти то, что нужно для лазерного бластера.

Теодор Мейман, так звали выпускника Стэнфордского университета, который в 33 года совершил революционное открытие в науке и создал первый в мире рабочий лазер. В 1955 году молодой доктор наук начал трудиться над воплощением в реальность идеи, которая давно витала в научном сообществе. Теоретически предполагалось, что из источников света можно собрать один узкий плотный пучок высокой мощности и, как следствие, на очень маленькой площади можно сконцентрировать большое количество энергии.

Шестьдесят лет назад, как и в наши дни в качестве лазерных кристаллов использовались искусственно выращенные цилиндрические стержни рубина с диаметром в несколько миллиметров и длиной до двадцати сантиметров. Увидеть подобные образцы синтетических минералов можно в Горном музее Петербурга.

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

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.

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

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.

Читайте также: