Канонічна версія історії винаходу лазера проста, витончена і далеко не повна.Виглядає вона так. У 1916 р Альберт Ейнштейн (Albert Einstein) створив теорію взаємодії випромінювання з речовиною, з якої витікала принципова можливість створення квантових підсилювачів і генераторів електромагнітних хвиль.
У першій половині 50-х років з’явився попередник лазера — аміачний мазер, квантовий генератор мікрохвильового випромінювання, практично одночасно винайдений і побудований в Нью-Йорку та Москві. У США цю роботу виконали професор Колумбійського університету Чарльз Таунс (Charles Таунс) з асистентами Джеймсом Гордоном (Джеймс Гордон) і Гербертом Цайгером (Герберт Зеіджер), в СРСР — наукові співробітники ФІАН Олександр Прохоров і Микола Басов. У 1958 р. Таунс разом з канадцем Артуром Шавловом (Артур Шавлов) і незалежно від них Прохоров дали теоретичне обгрунтування конструкції квантового генератора світлового випромінювання, який тоді називали не лазером, а оптичним Мазером. У травні 1960 співробітник дослідницького центру фірми Хьюз Теодор Мейман (Theodore Мейман) запустив перший у світі лазер на штучному рубіні. Через півроку в лабораторіях корпорації IBM було розроблено інфрачервоний лазер на фториді кальцію з добавкою іонів урану, побудований Пітером Сорокіним (Пітер Сорокін) і Міреком Стівенсоном (Мірек Стівенсон) (цей прилад діяв лише при температурі рідкого водню і практичного застосування не отримав). Нарешті, в грудні того ж року дослідники з Bell Laboratories Алі Джаван (Алі Джаван), Вільям Беннетт (William Bennett) і Дональд Херріот (Дональд Herriotte) продемонстрували перший у світі газовий лазер на суміші гелію і неону, який повсюдно застосовується і в наші дні. Після цього фізики та інженери всього світу включилися в гонку по створенню всіляких лазерів, яка йде і до цього дня.
на фото Гелій-неоновий лазер (газовий лазер)
Всі ці події дійсно мали місце, але одночасно з ними відбувалися й інші. У 50-і роки мазерами і лазерами плідно займалися фізики, чия роль відома сьогодні лише фахівцям. Спробуємо хоча б частково заповнити лакуни в історії створення лазера.
Як працює лазер?
До появи статті Ейнштейна «Квантова теорія випромінювання» фізики не сумнівалися, що проникаючі у матеріальне середовище фотони взаємодіють з електронними оболонками атомів і молекул лише двома шляхами — або поглинаються і переводять частинки середовища на більш високий енергетичний рівень, або випускаються з одночасною втратою цими частками частини своєї енергії. Ейнштейн першим зрозумів, що існує ще одна можливість. Припустимо, що частка речовини вже знаходиться в збудженому стані з енергією E2. Тоді при зустрічі з фотоном, енергія якого дорівнює різниці між і енергією Е1 Е2 іншого, «нижчого» стану цієї частки, частка випромінить фотон, а сама перейде в стан Е1. Дуже важливо є те, що новонароджений квант є повністю тотожним першому — у нього така ж енергія Е1-Е2, такий же напрямок руху, така ж поляризація і така ж фаза. Виходить, що вихідний фотон примушує частинку «породити» його власну копію. Такий тип випромінювання називається вимушеним (1924 р цей термін першим використав американський фізик Джон ван Флек Джон ван Флек).
У звичайних умовах виникнення вимушеного випромінювання малоймовірно. На це є дві причини. По-перше, енергія затравочних фотонів повинна належним чином співвідноситися з енергетичним спектром можливих станів частинок середовища, що трапляється далеко не завжди. По-друге (і це важливіше), в нормі середовище перебуває в термодинамічній рівновазі, і абсолютна більшість її частинок знаходяться в стані з мінімальним значенням енергії (його називають основним).
Падаючий фотон має незмірно більше шансів зустрітися саме з такою часткою і поглинутися нею, ніж потрапити в околицю частинки, здатної в результаті контакту випромінити фотон-копію. Тому не дивно, що вимушене випромінювання довгий час залишалося лише теоретичним поняттям. Непрямі експериментальні свідоцтва реальності цього явища вперше з’явилися в 1928 р, а прямі — майже двома десятиліттями пізніше.
Отримати вимушене випромінювання помітної інтенсивності в принципі нескладно. Кращий (але, як зараз відомо, не єдиний) рецепт наказує виготовити середовище, яке містить на верхньому рівні Е2 більше часток, ніж на нижньому Е1. У цьому випадку у фотона з енергією Е2-Е1 більше шансів запустити процес генерації вимушеного випромінювання, ніж поглинутися. Середовище, яке відповідає цій умові, називається інверсійним. Інверсні середовища отримують штучно, різними способами, причому всі вони вимагають витрати енергії. Самостійно такі середовища виникають дуже рідко — наприклад, це відбувається у верхніх шарах марсіанської атмосфери, де під дією сонячного випромінювання різко збільшується частка молекул вуглекислого газу, що знаходяться у збудженому стані. Цікаво, що це явище було відкрито лише в 1981 р — Через багато років після появи лазера.
Інверсне середовище може бути джерелом випромінювання, але, як правило, фізично нецікавим. Таке середовище всього лише мимовільно (як кажуть фізики, спонтанно) випромінює в усіх напрямках фотони однакових енергій (монохроматичне світло). Саме це і відбувається на Марсі — вимушене випромінювання молекул двоокису вуглецю рівномірно розсіюється по всіх напрямах.
Ситуація радикально зміниться, якщо з інверсного середовища видобувати енергію, сконцентровану у вузькому пучку. Найпростіше це зробити, помістивши в середовище трубку з дзеркалами на кінцях, перпендикулярними до осі трубки.Оскільки спонтанне випромінювання поширюється в усі сторони, якась частина його попрямує строго уздовж осі трубки. Ці фотони, і тільки вони, багаторазово відіб’ються від дзеркал і витягнуть з середовища свої численні копії. В результаті простір між дзеркалами заповниться однаковими фотонами, що метаються в обох напрямках. Поки вплив на середовище забезпечує збереження інверсії, це положення зберігається. Однак якщо хоч одне дзеркало зробити напівпрозорим, то частина фотонів піде назовні (безперервно або імпульсами, залежно від того, як саме здійснюється інверсія). У результаті виникне або стабільний, або пульсуючий потік (у разі пари напівпрозорих дзеркал — два потоки) ідентичних фотонів. Подібне випромінювання називається когерентним. В ідеалі всі когерентні фотони зобов’язані рухатися паралельно, але на практиці промінь все ж буде розходитися, хоч і незначно. Це і є лазер, квантовий генератор вимушеного когерентного світлового випромінювання.
Виходить, що для роботи лазера необхідні три основних компоненти: оптичне середовище, здатне пропускати і випромінювати фотони; фізичний механізм, що призводить їх в стан інверсії (цей процес називається накачуванням); нарешті, пристрій для селекції та посилення ідентичних фотонів (так званий оптичний резонатор), в даному випадку — торцеві дзеркала.
Не можна не згадати ще одну важливу обставину. Дотепер мовчазно передбачалося, що енергія Е1 відповідає основному стану частинок середовища. Однак кількість частинок в цьому стані таке велике, що створити інверсію практично нереально. Набагато краще мати як мінімум три енергетичних рівня — основний (E0) і два збуджених (Е1 і Е2), між якими можливі переходи. У звичайних умовах ця пара рівнів майже пустує, і якщо енергетичне підживлення переводить певну частку частинок на рівень Е2, то інверсія по відношенню до рівня Е1 виникає автоматично, адже він-то майже не заповнений. Тому, як правило, лазери працюють по трьох- і навіть чотирирівневій схемі.
.
Вебер, Діке і Бломберген. Шлях до квантових генераторів когерентного випромінювання зайняв кілька десятиліть. У 1924 р американець Річард Толман (Річард Толмен) першим здогадався, що Ейнштейнівська теорія вказує на можливість посилити інтенсивність електромагнітного випромінювання, без якого, як ми зараз знаємо, лазер не може працювати. Через кілька років німецькі фізики Рудольф Ладенбург (Рудольф Ладена бург) і Ганс Копферманн (Ханс Kopfer-Манн) отримали перші, поки що непрямі докази фізичної реальності інверсних середовищ. У 1934 р американці Клод Клітон (Клод Cleaton) і Нейл Вільямс (Neil Williams) фактично спостерігали інверсію молекул аміаку, яка, як відомо, була покладена в основу конструкції перших мазерів. В кінці 30-х років професор Всесоюзного електротехнічного інституту Валентин Фабрикант виконав серйозний теоретичний аналіз методів досягнення інверсії в газовому розряді. У 1947 рамериканці Вілліс Лемб (Ягня Вілліс) і Роберт Резерфорд (Роберт Retherford) за допомогою вимушеного випромінювання домоглися посилення електромагнітних хвиль, що випускаються молекулами водню. Ці результати укупі з рядом інших частково розкрили можливості, передбачені теорією Ейнштейна, але в першій половині двадцятого сторіччя справа далі не рушила.
Чарльз Таунс згадував, що концепція мазера прийшла йому в голову 26 квітня 1951. Він був у Вашингтоні на конференції, присвяченій обговоренню нових методів генерації хвиль міліметрового діапазону для радіолокаторів.
Клістрони, магнетрони і лампи біжучої хвилі, успішно використовуються в ролі джерел сантиметрового випромінювання, але не надто добре відповідали наміченій меті. Роздуми над пошуком нестандартного шляху вирішення цього завдання і наштовхнуло Таунса на ідею приладу, який пізніше чи то він сам, чи то його асистенти (думки розходяться) назвали Мазер.
Приблизно в той же час або трохи раніше аналогічне осяяння відвідало і професора електротехніки Мерілендського університету Джозефа Вебера (Джозеф Вебер). Якраз тоді він захистив докторську дисертацію з фізики, працюючи над якою застосовував електромагнітні хвилі НВЧ-діапазону для інверсії газоподібного аміаку. По ходу справи Вебер глибоко вивчив ейнштейнівську теорію і прийшов до висновку, що за допомогою інверсії можна підсилити інтенсивність випромінювання.
Влітку 1952 він виклав свої міркування на науковій конференції в Оттаві, а ще через рік оприлюднив їх у статті, яка стала першою відкритою публікацією на цю тему. У ній Вебер показав, як можна побудувати підсилювач мікрохвильового випромінювання, що використовує термодинамічно нерівноважний аміак в якості інверсного середовища. Однак він не подумав про те, що замкнута металева порожнина (об’ємний резонатор) перетворює цей підсилювач в генератор. Як відомо, саме це зробили Прохоров з Басовим і група Таунса. Більш того, при відсутності резонатора розрахунковий коефіцієнт посилення приладу виходив досить скромним, тому Вебер і вирішив, що практичного значення така конструкція не матиме. Незабаром він захопився загальною теорією відносності і конструюванням перших у світі детекторів гравітаційного випромінювання, що принесло йому на початку 70-х років світову популярність. Проте Вебера без сумніву можна назвати одним з першовинахідників квантових підсилювачів випромінювання.
Оптичний квантовий генератор
Замкнута порожнина не годиться для генерації вимушеного навколосвітлового і світлового випромінювання з довжинами хвиль близько мікрона і часткою мікрона, тут потрібен відкритий дзеркальний резонатор. Першим про це здогадався професор Прінстонського університету Роберт Діке (Роберт Дік), надзвичайно різносторонній дослідник, який отримав безліч важливих результатів у галузі фізики і астрофізики. У 1956 р він подав патентну заявку на апарат для генерації когерентного інфрачервоного світла, що містить газоподібне активне середовище, обрамлений напівпрозорими дзеркалами. Правда, Дике чомусь не уточнив, що газ потрібно перевести в термодинамічно нерівноважний Інвертований стан, але швидше за все лише тому, що вважав цю деталь несуттєвою для Бюро патентів. У всякому разі, сам він завжди стверджував, що заслуговує на визнання як перший винахідник лазера.
Фактично Діке зробив навіть більше, розробивши за допомогою свого студента Брюса Хокінса (Брюс Хокінс) один із способів отримання інверсного середовища — опромінення його світлом потрібного спектру і поляризації. Саме цей спосіб — метод оптичного накачування — пізніше застосував творець першого у світі лазера Мейман (. І його ж одночасно з Діке в 1952-53 рр Незалежно розробили Альфред Кастлер [Альфред Кастлер] з колегами у Франції). У Дике, чудового експериментатора і сильного теоретика, начебто були всі шанси першим побудувати діючий лазер. Однак у середині 50-х Діке зайнявся гравітацією і моделями Всесвіту — всерйоз і надовго. Він отримав виключно важливі для космології результати (зокрема, перевідкрив давно забуту теорію реліктового мікрохвильового випромінювання), але пішов з квантової мікроелектроніки.
Ще один з дослідників ідеї лазера був переселенець в США, голландський фізик Ніколаас Бломберген (Ніколас Бломберген). У 1956 р, працюючи в Гарварді, він опублікував статтю «Проект твердотільного мазера нового типу», в якій розвинув теорію трирівневого збудження інверсного середовища. Вперше ця ідея з’явилася в короткій замітці Басова і Прохорова, надрукованій взимку 1955 в ЖЕТФ. Проте їх схема ніколи не була реалізована, а запропонований Бломбергеном мазер випробували вже через кілька місяців після публікації його статті. Пізніше він виконав ряд фундаментальних досліджень з лазерної спектроскопії, за що в 1981р. був удостоєний Нобелівської премії (разом з Шавловим).
Таким чином, в 50-і роки до розробки мазерів і лазерів доклали руку троє найталановитіших фізиків, які з часом прославилися зовсім в інших галузях науки. Однак ніхто з них не продумав ідею лазера в цілому, як це трохи пізніше зробили Прохоров і Таунс з Шавловим. Тим більше цікаво, що незалежно від цих класиків практично від початку до кінця лазер винайшов нікому не відомий аспірант Колумбійського університету, який потім тридцять років домагався (і домігся-таки!) Визнання свого пріоритету. Він і стане останнім і головним героєм цієї статті.
Гордон Гулд (Gordon Гулд) народився в 1920 р З боку батька він походив від одного з пасажирів легендарного «Мейфлауер» доставив до Нової Англії перших колоністів, а по материнській лінії — від французького пірата. У 1942-му він захистив магістерську дисертацію з фізики в Єльському університеті, викладав там пару років, а потім отримав місце в секретній нью-йоркській лабораторії, яка розробляла методи розділення ізотопів урану для Манхеттенського проекту. У цей час він захопився комуністичними ідеями і став відвідувати збори партосередку, в результаті чого в початку 1945р. залишився і без допуску, і без роботи. Прослуживши чотири роки в приватній фірмі, він вступив до аспірантури фізичного факультету Колумбійського університету. Науковий керівник, майбутній Нобелівський лауреат Полікарп Куш (Полікарп Куш), запропонував Гулду зайнятися спектроскопією метастабільних атомів талію.
Для виготовлення таких атомів Гулд застосував абсолютно новий для тих часів метод оптичного накачування. Поступово до нього дійшло, що цим шляхом можна створювати і інверсні середовища. Ідея визрівала досить довго, але на початку листопада 1957 Гулд зрозумів, що для отримання видимого когерентного світла потрібно піддати оптичному накачуванні атомарний або молекулярний газ, укладений в трубку з дзеркалами на кінцях. Він усвідомив також, що для виведення випромінювання одне з дзеркал повинно частину світла відображати, а частина пропускати назовні. Роком раніше про це ж здогадався і Дике, але Гулду це не було відомо, адже Діке нічого не опублікував. Об’єднавши ідею накачування з ідеєю оптичного резонатора, Гулд сконструював (поки лише у власній голові) справжній лазер.
А потім він повівся незвично. Інтереси наукової кар’єри вимагали негайно написати статтю та надіслати її в першокласний журнал.Однак Гулду було вже 37 років, він все ще значився аспірантом і міг побоюватися, що стовпи фізичного співтовариства не поквапляться визнати його революційне відкриття. Будучи з юності схильним до винахідництва, він відчував, що саме ця стезя обіцяє йому максимум життєвих шансів. Тому Гулд вирішив нічого не публікувати, а домагатися патенту. Він заповнив дев’ять блокнотних сторінок розрахунками, поясненнями і малюнками і 13 листопада засвідчив їх у нотаріуса. Свій винахід він назвав лазером — так і з’явився цей термін. На тих же сторінках Гулд дав цілий список можливостей використання лазерів і в кожному рядку потрапляв прямо в яблучко.
Це був лише початок. На наступний рік Гулд придумав, записав і запевнив ще кілька лазерних винаходів — зокрема, метод накачування газоподібного середовища електричними розрядами. Однак в Бюро патентів він звернувся лише в квітні 1959 Спочатку Гулд чомусь вважав, що для отримання патенту треба представити не тільки опис винаходу, але і працюючий прототип, якого в нього, природно, не було. Таке правило й справді існувало, але було скасовано ще в 1880 р, будучи залишено в силі лише для винахідників вічного двигуна. Як не дивно, ця інформація дійшла до Гулда з неабияким запізненням, так що у нього з’явилися серйозні конкуренти. Артур Шавлов прийшов до ідеї дзеркального резонатора в кінці зими 1958 р., в липні він і Таунс подали заявку на новий прилад, а в березні 1960-го отримали патент. Гулд ж тим часом покинув аспірантуру заради роботи у фірмі TRG, яка вирішила зайнятися використанням лазерів для наведення ракет. Міністерство оборони виділило під цей проект майже мільйон доларів, однак Гулд не зміг взяти в ньому участь, оскільки йому відмовили у відновленні допуску. Через чотири роки він отримав місце викладача фізики в Бруклінському політехнічному інституті, потім став віце-президентом невеликої компанії, яка розробляла оптоволоконні прилади, а в 1985р. пішов на пенсію.
Покінчивши з лазерним винахідництвом, Гулд повністю віддався боротьбі за утвердження своїх патентів, яка тривала майже три десятиліття — своєрідний рекорд. Спочатку він незмінно програвав, але врешті-решт домігся свого. У 1977 р Бюро патентів вперше визнало його пріоритет у розробці методу оптичного накачування. Правда, до патенту тоді справа не дійшла, оскільки конкуренти негайно подали апеляцію. Заявка Гулда кілька разів піддавалася повторним експертизам і була остаточно затверджена лише у вересні 1986 р
Після першої перемоги справи пішли в гору. У 1979 р Гулду були видані патенти на лазерну різку, на застосування лазерів в фотокопіювальних машинах і на лазерний підпал термоядерних реакцій. Цікаво, що Гулд здогадався про таку можливість ще в 1957 р, коли перспективи керованого термояда зв’язувалися виключно з магнітним утриманням плазми. Прийнято вважати, що застосування лазерного випромінювання для нагрівання плазми до термоядерних температур в 1962 р вперше запропонували Басов і ще один майбутній академік, Олег Крохин. Як бачимо, Гулд їх значно випередив. У 1987 р він отримав патент на створення інверсних середовищ за допомогою газових розрядів, а ще через рік — патент на метод зниження поглинання світла за допомогою закону Брюстера. Він не зміг лише домогтися визнання свого пріоритету на винахід дзеркального резонатора, і з цим довелося примиритися.
Здобуті перемоги зробили Гулда дуже багатою людиною. Гонорари від промислового використання його винаходів в кінці 80-х років становили не менше двох мільйонів доларів на рік, а з часом досягли п’яти мільйонів. А от якби він отримав свої патенти без затримки, вони принесли б йому на багато менше грошей. Обсяг лазерного ринку спочатку був невеликий, і до кінця 70-х термін дії патентів встиг би закінчитися. Саме так сталося з патентом Таунса і Шавлова, який аж ніяк не збагатив своїх власників. А в 1991 р доля зробила Гулду ще один подарунок — його ім’я внесли до реєстру Національного Холла Слави винахідників.Залишається додати, що Гулд помер у вересні минулого року, через чотири місяці після закінчення терміну свого останнього патенту.