Гиперболоид русских физиков: как создавался первый в мире лазер

16 сентября 13:30
Гиперболоид инженера Гарина стал частью русской культуры задолго до того, как появились первые мазеры, а затем лазеры.

Писатель Алексей Толстой предопределил развитие не только русской, но всей мировой науки, а русские физики Александр Прохоров и Николай Басов воплотили его фантастическую идею в жизнь.

Сегодня лазер является неотъемлемой частью нашей жизни. Тяжело представить сферу деятельности, где мы не используем лазерные технологии. От точных операций в микрохирургии до мега-лазера, уничтожающего астероиды. Печатающие принтеры и музыкальные диски, целеуказатели и дальномеры, считыватели штрих-кодов и прецизионные фрезы, медицинские скальпели и приборы навигации, системы передачи информации на расстояние и сварочные аппараты, промышленные резаки и инструменты светового шоу — неполный список лазерных устройств. Всё это стало возможно благодаря разработкам в фундаментальной физике.

В 1964 году Нобелевскую премию «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе» получают Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс. Эта была одна из тех редких Нобелевских премий, когда награда нашла героев практически сразу после сделанного ими открытия.

Александр Прохоров, из семьи профессиональных революционеров, родился 11 июля 1916 года в австралийском городе Атертоне, где его родители скрывались от царской жандармерии после удачного побега из сибирской ссылки. После завершения гражданской войны семья Прохоровых вернулась в Советскую Россию. В 1934 году будущий нобелевский лауреат поступил на физфак Ленинградского Университета. А в 1939 перебрался в Москву, став аспирантом в ФИАНе, в лаборатории колебаний Леонида Мандельштама. В 1941 году ушёл на фронт в ополчение, разведчиком. Два ранения, медаль «За Отвагу», демобилизован в 1944 году. В 1946 защитил кандидатскую, а в 1951 — докторскую.

Чарльз Таунс — американский физик. Родился 28 июля 1915 года, Гринвилл, Южная Каролина, США. В 1939 году получил степень PhD и устроился работать в Bell Laboratory. Во время войны участвовал в разработке радаров для бомбометания по заказу Пентагона. В 1948 перешёл в Колумбийский университет, где занялся изучением индуцированного излучения в СВЧ-диапазоне, опираясь на свой опыт в разработке СВЧ-радаров для армии США.

Николай Басов, родился 14 декабря 1922 года, в городе Усмань Тамбовской губернии (сейчас относится к Липецкой области), РСФСР. После начала Великой Отечественной войны был отправлен на учёбу на ассистента врача в Куйбышевской медицинской академии, с 1943 года воевал на 1-м Украинском фронте, закончил войну в Праге. После войны в 1946 году поступил в Московский инженерно-физический институт (МИФИ) — увидел из трамвая объявление о внеочередном наборе в Московский механический институт (так тогда назывался МИФИ). На третьем курсе попал в ФИАН. Туда же пошёл в аспирантуру. Где и работал под началом Александра Прохорова.

В 1952 году на Всесоюзной конференции по спектроскопии Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов делают доклад о возможности создания устройства, которое будет испускать когерентное микроволновое излучение за счёт вынужденного (индуцированного) излучения молекул. Этот доклад положил начало квантовой электронике и дальнейшему появлению мазеров и лазеров.

«Нам приходилось принимать во внимание эффект Эйнштейна, который в 1916 году показал: если возбужденную молекулу облучать светом определенной частоты, то, переходя в нижнее энергетическое состояние, она будет изучать квант той же частоты, — вспоминал потом Александр Прохоров. — Это и есть вынужденное излучение. Тогда и пришла идея молекулярного генератора (мазера). Мы его сделали в СВЧ-диапазоне, так как именно он использовался в радиоспектроскопии».

При этом научное сообщество к «забавам» молодых физиков относилось с улыбкой. После докладов на научных конференциях профессору Прохорову и его аспиранту часто приходилось слышать слова «у вас крыша поехала», а сам Лев Ландау во время обсуждения когерентности излучения молекул в резонаторе за счёт собственного поля говорил прямо: «этого не может быть, так как не может быть никогда!».

Но Басова и Прохорова, бывших фронтовиков, такими заявлениями было не смутить, а авторитетами — не запугать, и они продолжали свои теоретические и экспериментальные разработки.

В 1954 году Чарльз Таунс, работавший параллельно и независимо от русских физиков, сообщает, что в Колумбийском университете «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Новый прибор получил имя «мазер» (MASER: Мicrowave Аmplification by Stimulated Emission of Radiation (микроволновое усиление с помощью индуцированного стимулированного излучения).) По словам самого Чарльза Таунса: «на изобретение мазера его вдохновила прочитанная книга А. Н. Толстого „Гиперболоид инженера Гарина“, которая вышла в 1936 году».

После публикации статьи коллеги Чарльза Таунса стали расшифровывать MASER по-своему: «способы получения поддержки для дорогостоящих исследований» (Means of Acquiring Support for Expensive Research). Намекая, что ему удаётся тратить деньги, в том числе из военного бюджета на абсолютно не нужные исследования.

Если Таунс в своих исследованиях опирался на опыт, полученный во время работы с радарами, и во многом шёл наугад, методом проб и ошибок, надеясь на удачу, то Прохоров и Басов с самого начала поставили во главу угла теоретическое обоснование. «Духа военного времени в лаборатории не чувствовалось. Я немного моложе Александра Михайловича. Во время войны он тоже был в армии, но и он не занимался в войну радиотехникой. Поэтому мы не были исследователями радаров, и в этом смысле у нас и у американских учёных несколько разные подходы к развитию квантовой электроники.» — вспоминал Николай Басов. Как отмечал другой Нобелевский лауреат Виталий Гинзбург:

«Для Николая Басова характерно стремление осмысливать физическую картину явлений по возможности до эксперимента, что позволило ему идти, как правило, кратчайшим путём к цели».

Статья Александра Прохорова и Николая Басова «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул», опиравшаяся на результаты, представленные в докладе 1952 года, была готова к публикации в начале 1953 года. Однако авторы обнаружили, что «в численных коэффициентах условий самовозбуждения было пропущено 2π в какой-то степени», и они забрали её на доработку. В итоге статья была отправлена в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» в декабре 1953 г. и напечатана в октябре 1954 г., т. е. после публикации статьи Таунса о мазере.

В своей работе Прохоров и Басов провели детальное теоретическое исследование использования молекулярных пучков в радиоспектроскопии. Было показано, что молекулы одного итого же вещества, находящиеся в пучке в разных энергетических состояниях, могут быть разделены путём пропускания пучка через неоднородное электрическое поле. С разделёнными по энергетическим состояниям молекулы, попавшими в микроволновый резонатор, происходит или поглощение, или их умножение (согласно тому, какое энергетическое состояние выбрано). Александр Прохоров и Николай Басов также представили количественные условия для работы микроволнового усилителя или генератора, который они назвали «молекулярным генератором».

Спустя несколько месяцев после публикации статьи Таунса о мазере, Прохоров и Басов собрали свою собственную установку мазера (в количестве трёх штук, для исследования их частотной стабильности).

В 1955 году Александр Прохоров на конференции Фарадеевского общества в Англии представил «Теорию молекулярного генератора и молекулярного усилителя мощности», разработанную совместно с Николаем Басовым. На этой конференции Прохоров и Таунс впервые были представлены друг другу.

В своей новой работе Басов и Прохоров предложили, в частности, метод трёх уровней, который открывал возможности по созданию мазеров с излучением в видимом диапазоне. Поэтому эти приборы стали называться лазерами (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

В 1956 году Николай Басов защитил докторскую диссертацию «Молекулярный генератор», т. е. мазер.

«Николаем Басовым совместно с Александром Прохоровым, — отметил в своём отзыве на докторскую диссертацию другой Нобелевский лауреат академик Виталий Гинзбург, — была разработана нелинейная теория молекулярного генератора. Эта теория проста и нуждается ещё в развитии, но она адекватна (в первом приближении) сути дела и достаточна для конструирования и наладки прибора».

В 1959 г. за создание нового метода генерации и усиления электромагнитных волн Прохоров и Басов получают Ленинскую премию.

Однако первый лазер был создан не нобелевскими лауреатами. 16 мая 1960 года американский инженер Теодор Майман запустил лазер на основе кристалла рубина и спиральной импульсной лампы. Зеркальное напыление на гранях кристалла рубина позволило получить эффект резонатора Фабри-Перо и обеспечить необходимую накачку по методу трёх уровней.

Статью Теодора Маймана не стали принимать к публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «статье нет ничего принципиально нового». Ведь два года назад они уже публиковали статью Bell Laboratory о возможном устройстве лазера. Кстати, Bell Laboratory оформило на себя патент на лазер, не имея ни одного работающего прототипа (остаётся только удивляться, что они при такой прыти не получили и Нобелевскую премию). Опубликовать статью о своём лазере Майману удалось лишь в Nature.

Теодор Майман Нобелевку не получил, ходят разговоры, что причиной было то, что работал Майман не в университетской лаборатории, а в частной компании, выполняющей заказы Пентагона.

Когда Нобелевский комитет запрашивал имена кандидатов на премию по физике, большинство мировых университетов указали три фамилии отцов-основателей нового раздела физики — квантовой электроники: Александра Прохорова, Николая Басова и Чарльза Таунса. Учёные и Нобелевский комитет посчитали, что награды достойны те, кто проделал титанический труд по созданию теоретической и экспериментальной базы сформировавшей новый раздел физики. А кто первым собрал лазер уже было не так важно — после проделанной Прохоровым, Басовым и Таунсом работы — это уже было вопросом времени.

Вручение Нобелевской премии по физике происходило 14 декабря 1964 года, в этот день Николаю Басову исполнилось 42 года. Примечательно, что Александр Прохоров и Николай Басов были вынуждены тянуть жребий, кому из них выступать перед публикой. Выбор пал на Николая Басова. Хотя никто не исключает, что Александр Прохоров мог подыграть своему ученику, сделав ему такой подарок на день рождения.

После получения Нобелевской премии никто из лауреатов не стал останавливаться на достигнутом. И продолжали активно двигать науку вперёд. Чарльз Таунс сменил направление своих научных интересов и переключился на астрофизику, в частности на инфракрасную спектроскопию в астрономических наблюдениях. Американский физик так объяснял этот свой шаг: «лазеры стали популярны, туда пришло много народа, значит я там уже не нужен. Я предпочитаю делать что-то, чего не хватает».

Николай Басов и Александр Прохоров занялись дальнейшим развитием квантовой электроники и лазерной физики, сформировав каждый свою научную школу. (Ещё в 1963 г. Николай Басов с частью сотрудников Лаборатории колебаний ФИАН выделился в отдельную лабораторию.)

Задач, которые стояли перед исследователями было необозримое множество, мало того, большая часть из них ещё была не известна. Ведь не зря же про лазер говорят: «готовое решение неизвестных задач». Чтобы отвечать на такие научные вызовы, нужно обладать развитой научной интуицией и научной смелостью. И Александра Прохорова, и у Николая Басова и того, и другого было в избытке.

В 1961 году Николай Басов своей работой «Получение состояний с отрицательной температурой в p-n–переходах вырожденных полупроводников», выполненной совместно с О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым), положил начало созданию и развитию полупроводниковых инжекционных лазеров, нашедших в настоящее время широкое применение.

В 1963 году Жорес Алфёров, на научную и личную жизнь, по его собственным словам, оказал огромное влияние Александр Прохоров, разработал теорию полупроводниковых гетероструктур, что позволило создавать дешёвые лазеры, работающие при комнатной температуре. В 1970 году был создан первый полупроводниковый лазер в России. (За исследования гетероструктур Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию в 2000 году).

В 1962 году Николай Басов выдвинул идею достижения реакции термоядерного синтеза путём лазерного облучения малой мишени. Первые термоядерные лазерные нейтроны были получены в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) в 1968 году лазерным облучением мишени из дейтерида лития. Работы в этом направлении продолжаются до сих пор. В Сарове, Нижегородская область, в декабре 2020 года был запущен первый модуль самой мощной в мире лазерной установки УФЛ-2М, необходимой для проведения экспериментов по управляемому инерциальному термоядерному синтезу и исследований свойств вещества в экстремальных состояниях — при сверхвысоких давлениях и температурах. Ввод в эксплуатацию первого модуля установки ожидается уже в этом году.

В 1965 году группа учёных во главе с Александром Прохоровым инициировала в России работы по созданию высокоэнергетических лазеров. Это была архисложная задача, сравнимая по важности и сложности с Атомным проектом. Здесь очень сильно пригодились организационные и коммуникационные способности Александра Прохорова. Кроме чисто физических вопросов, связанных с работой нового лазера, требовалось создать производство особо чистых материалов, разработать оптику для мощного электромагнитного излучения, объединить десятки тысяч людей, перевооружить промышленность, обучить инженеров и специалистов, открыть новые кафедры в вузах и т. д.

«Благодаря тому, что Александр Михайлович был очень доброжелательным человеком и с очень открытым характером, нам удалось создать хорошую кооперацию, которая представляла собой по-настоящему акционерную компанию, но государственную. То есть мы собрали вместе министерства — среднего машиностроения, авиационное, судостроения, — которые друг с другом до этого мало взаимодействовали. Ещё подключилось космическое агентство. И все они работали. Поэтому удавалось легко создавать комплектующие, всё это совместно налаживать», — вспоминал об этом периоде один из участников проекта академик Велихов.

Группа Николая Басова плотно сотрудничала с военным заказом: одними из самых известных и заметных (не только из-за размеров) реализованных проектов были высокоточный лазерный локатор 5Н27 и программа «Терра-3».

Опытная полигонная лазерная установка состояла из собственно лазеров (рубиновый — массив из 19 рубиновых лазеров и СО2‑лазер), системы наведения и удержания луча, информационного комплекса, предназначенного для обеспечения функционирования системы наведения, а также высокоточного лазерного локатора 5Н27, предназначенного для точного определения координат цели. Возможности 5Н27 позволяли не только определить дальность до цели, но и получить точные характеристики по её траектории, форме объекта, его размерах (некоординатную информацию).

Программа «Терра-3» была частью исследований в рамках создания системы ПРО. Николай Басов смог убедить в 1965 году военное начальство, что можно создать лазер, который будет прожигать оболочку боевой части вражеских атомных ракет. Исследования в рамках программы «Терра-3» «Терра-3» позволили в течение 4–5 лет увеличить энергию и мощность излучения фотодиссоциационных лазеров в миллионы раз и получить к 1970 году такую энергию излучения, которая недоступна и в настоящее время другим лазерам. Однако к середине 80-х эксперименты показали: параметры лазерного луча, способного разрушить головную часть баллистических ракет, не могут быть реализованы на комплексе «Терра-3».

Об этом Александр Прохоров предупреждал и Министерство обороны и Николая Басова ещё в 60-е.

«Лазерная техника начала стремительно развиваться, и сейчас она применяется в биологии, медицине, технике, промышленности — везде! — вспоминал Александр Прохоров. — Но сначала была надежда, что мы создадим мощное лазерное оружие. Военные надеялись, что лазерный луч будет „прожигать“ боеголовку и тем самым уничтожать её. И нас щедро финансировали. А мы ведь ничего не обещали! Мы просто установили, что такое оружие менее эффективно, оно „избирательно“. Я доказал, что луч при ударе о металл рождает облако плазмы, которая отражает лазерный луч. То есть эффект поражения резко снижается и боеголовку довольно легко защитить от такого поражения. Иное дело, когда луч выводит из строя электронику, то есть „ослепляет“ ракету. Это равносильно её уничтожению, и такие системы сейчас созданы и действуют…»

Решения, позволяющие применять лазерную технику в медицине, также были родом из лабораторий ФИАН и ИОФ РАН (Институт общей физики РАН, созданный для группы Александра Прохорова). И Прохоров, и Басов видели огромную перспективу лазеров для передачи информации, поэтому всеми силами поддерживали исследования в области оптоволокна.

Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс занимались активной исследовательской научной деятельностью до самой смерти. Николай Басов скончался 1 июля 2007 года, Александр Прохоров — 8 января 2002 года, а Чарльз Таунс прожил дольше всех и умер в возрасте 99 лет 27 января 2015 года. Все они видели, как их открытие меняет жизнь человечества. Входит в каждый дом и становится неотъемлемой частью обычной жизни.