ЛАЗЕРЫ: ИСТОРИЯ
И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Научная сессия Общего собрания Сибирского отделения, прошедшая 10 декабря в Доме учёных СО РАН, была посвящена 50-летию создания первого в мире лазера.
Ольга Савельева, «НВС»
С заглавным докладом выступил директор Института лазерной физики СО РАН академик С. Н. Багаев.
По словам Сергея Николаевича, наука о лазерах в Сибирском отделении успешно развивается, несмотря на то, что эти исследования, весьма перспективные, не входят ни в одну национальную программу, а это не самым позитивным образом отражается на финансировании.
Между тем, лазеры настолько прочно вошли в нашу жизнь, что уже мало кто из неспециалистов задумывается, что слово это представляет собой акроним от английского light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения. Практическое применение лазеров имеет весьма обширные границы: от расчётов траекторий искусственных космических объектов до косметической хирургии, где удаление кожных новообразований типа кератом давно поставлено на поток.
Лазер, если говорить вкратце, представляет собой генератор когерентного оптического излучения. В основе когерентного излучения лежит использование так называемого вынужденного, или индуцированного излучения атомов в резонаторе. Резонатор осуществляет положительную обратную связь для возникновения среды, в которой энергия накачки (световая, тепловая, химическая, электрическая и др.) позволяет осуществить возбуждение атома, молекулы, ядра на верхний энергетический уровень.
Для того, чтобы возникла генерация, то есть видимое излучение, очень важно, чтобы осуществилась так называемая инверсия населённости, когда верхние энергетические уровни заселены больше, чем нижние. Тогда при переходе с верхнего уровня на нижний возникает возможность отдачи фотонов, их излучения, в результате чего возникает световой импульс или луч света. Этот процесс возбуждения происходит под действием внешней силы, поэтому и называется вынужденным.
Гербертом Уэллсом в романе «Война миров» и Алексеем Толстым в «Гиперболоиде инженера Гарина» были высказаны некоторые идеи, которые можно считать предвосхищением лазера как научного достижения. Научная же предыстория лазера начинается с Альберта Эйнштейна, который, рассматривая проблему излучения атомов в обычной среде, впервые определил возможность появления и наблюдения вынужденного, или индуцированного излучения. Этот эффект впоследствии стал рассматриваться как принцип работы лазерной системы. Но строгую квантовую теорию излучения разработал Поль Дирак в 1927 г. В 1939 г. выдающийся советский физик-оптик Валерий Фабрикант доказал возможность существования атомов с вынужденным излучением, а также впервые наблюдал усиление оптического сигнала при возбуждении атомов на верхний уровень.
Первый импульсный лазер на рубине был запущен в США Теодором Мейманом 16 мая 1960 года. Основанием для этого послужили фундаментальные работы американского физика Чарлза Харда Таунса и советских физиков Александра Михайловича Прохорова и Николая Геннадьевича Басова (Физический институт
им. П. Н. Лебедева). Год спустя лазеры появились и в Советском Союзе: сначала в Государственном оптическом институте
им. С. И. Вавилова, а затем в Физическом институте
им. П. Н. Лебедева, а ещё через год — в в Сибирском отделении АН СССР, в Институте радиофизики и электроники. Там над этой задачей работала в то время группа молодых учёных под руководством будущего академика Вениамина Павловича Чеботаева.
В 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике с формулировкой «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к разработке принципов создания мазеров и лазеров».
Создание лазера привело к появлению нового направления — лазерной физики. Начало исследований было положено в 1962–1963 гг. в Институте радиоэлектроники, во главе которого стоял Юрий Борисович Румер. Позже лазерным излучением занималась лаборатория, затем отдел, существовавший сначала в Институте физики полупроводников, потом в Институте теплофизики. В 1991 г. возник Институт лазерной физики СО РАН.
Советские, а ныне российские учёные сохраняют приоритет по многим направлениям исследований в мире. К ним можно отнести, например, работы по лазерной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Возникла возможность, используя лазерное излучение, получить качественный спектроскопический инструмент. Использование метода нелинейной лазерной спектроскопии насыщенного поглощения, разработанного в 1967–1968 гг. советскими учёными
В. С. Летоховым и В. П. Чеботаевым, позволило получать узкие спектральные линии внутри доплеровского контура, который ограничивает разрешение в спектральном диапазоне. Полученные резонансы насыщенного поглощения были использованы впоследствии в ИЛФ для создания оптических стандартов частоты, т.е. чрезвычайно стабильных по частоте лазерных источников излучения, необходимых для прецизионных измерений.
Преобразование частоты лазерного излучения из оптического диапазона в радиодиапазон, дающее возможность измерять абсолютное значение частоты, привело к созданию так называемой высокопрецизионной физики. Созданные сибирскими физиками в 1981 г. первые в мире лазерные часы позволили определять единицу времени «секунда» по числу высокостабильных оптических колебаний. Лазерные источники со стабильностью частоты 10-14 и выше давали точность на 5–6 порядков выше, чем было до появления лазерной техники, что позволяло определять секунду намного точнее, чем было возможно на стандартных водородных или цезиевых микроволновых часах.
В начале 2000-х годов были созданы фемтосекундные оптические часы, соединявшие возможности фемтосекундного лазера и оптических часов. Возможности перехода из оптического диапазона в радио- или ультрафиолетовый диапазон стали гораздо более простыми, надёжными и точными. Точность измерений в настоящее время составляет во всем мире 10-16–10-17. Это позволяет уточнять фундаментальные физические константы и тестировать основные положения квантовой электродинамики.
Благодаря высокой стабилизации частоты колебаний оптических генераторов, в которых используются квантовые переходы атомов кальция, магния, цезия и других элементов, секунда приобрела точное «физико-техническое» определение. Стандарты частоты и времени, которые создаются сегодня российскими учёными, позволяют значительно увеличить быстродействие потребительских навигационных устройств и способствуют развитию помехозащищенности широкополосной связи.
Лазеры жизненно необходимы и для развития новых методов локации, в том числе космической. Хорошо известная российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС благодаря разработкам сибирских учёных может увеличить точность определения координат с нескольких метров до нескольких сантиметров (развитие навигационной системы с помощью наземного сегмента и использования одновременно сигналов американской системы GPS может довести точность определения координат до 20–30 сантиметров). В настоящее время разрабатывается программа по развитию системы ГЛОНАСС на период до 2020 года.
Точность измерений по микроволновым стандартам приближается к своему пределу в рамках используемой технологии, поэтому разработкой оптических стандартов последние несколько лет занимаются также в Европе и в США (в частности, для навигационных спутниковых систем GPS и Galileo). Ученые из Института лазерной физики СО РАН активно участвуют в международном проекте с Национальным институтом метрологии в Германии.
Возможности лазерного излучения могут иметь немало технологических применений. Это, разумеется, не только гражданские технологии, но и военные. В институтах СО РАН осуществлены такие разработки как лазерная сварка, упрочнение, разделка сложных деталей, лазерная резка, лазерно-плазменные методы нанесения нанопокрытий с созданием особых структур, причём не только на поверхности различных материалов, но и на готовые изделия — двигатели, транспортные системы, транспортные узлы. Это сегодняшний день лазерной физики и её практических применений. Происходит переход от макрообъектов в нанообласть. Это позволяет расширить наши познания атомного, молекулярного мира и использовать их в нужных нам целях.
Академик С. Н. Багаев подчеркнул, что необходимо донести до руководства РАН и страны следующее: во-первых, лазерная физика в Сибирском отделении, несмотря на известные экономические трудности, живёт и развивается. Лазерная тематика в научных исследованиях с каждым годом получает всё более широкое распространение, лазер как метод научного познания играет всё большую роль в смежных направлениях физики, с его помощью проводятся исследовательские работы в биологии, медицине и т.д., а лазерные технологии могут и должны быть одной из приоритетных ветвей в инновационном развитии промышленности России.
Фото В. Новикова
стр. 3
|
