азерные установки уже давно стали повседневностью, их широкое использование сегодня никого не удивляет. Мы сталкиваемся с ними в клиниках при обследованиях и лечении, в трудовых процессах во многих отраслях и даже в качестве бытовых приборов в домашних условиях. Но едва ли многие из нас знакомы с историей открытия удивительных свойств лазера и смогут назвать имя создателя первой лазерной установки
Мало кто назовет и значение самого слова «лазер» (от англ. laser), вошедшего практически во все языки. А ведь этот термин — акроним по первым буквам слов в полном названии прибора по-английски: «light amplification by stimulated emission of radiation» («усиление света посредством вынужденного излучения»). Строго научно лазер называют оптическим квантовым генератором — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и другие) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн теоретически обосновал эффект вынужденного излучения, открыв тем самым возможность создания принципиально новых устройств, генерирующих электромагнитные колебания в оптическом диапазоне частот. Но в те годы этой возможностью нельзя было воспользоваться, так как никто не знал, каким образом можно создать требуемые условия возбуждения электронов в веществе.
Более трех десятков лет ушло на подбор соответствующего вещества и поиск способов его возбуждения. Ближе других подошел к пониманию возможности усиления электромагнитного излучения при индуцирующем действии другого излучения известный советский физик В.А.Фабрикант из Всесоюзного электротехнического института, он же сделал попытку получить усиление в парах цезия. В 1940 году ученый 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 на нижние уровни с вынужденным излучением фотонов той же частоты. Следовательно, происходит усиление потока фотонов.
В 1954 году советские физики A.M.Прохоров и Н.Г.Басов получили лазерно-мазерный эффект: поток молекул аммиака, тщательно отсортированных в магнитном поле по одинаковой степени возбуждения, попадал в СВЧ-резонатор и начинал излучать электромагнитные волны. Так 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. Возникло новое направление физики – квантовая электроника.
В 1957-1958 годах A.M.Прохоров и Н.Г.Басов в Физическом институте сформулировали основные принципы создания генераторов и усилителей световых волн. Одновременно в США Ч.Таунс и А.Шавлов опубликовали фундаментальную работу в области инфракрасных и оптических лазеров, в которой был описан принцип создания лазера на парах щелочи. За это открытие A.M.Прохоров и Н.Г.Басов совместно с Ч.Таунсом были удостоены Нобелевской премии 1964 года.
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, но 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, когда были накоплены фундаментальные теоретические результаты, но отсутствовали практические решения, и появился Теодор Харальд Майман. 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 Майман (или просто Тед, как его тогда называли) родился в 1927 году в Лос-Анджелесе в еврейской семье инженера-электрика, изобретателя Эйбрахама Маймана и Розы Абрамсон. Его отец работал в «Bell Labs», он много лет потратил на то, чтобы доказать необходимость применения электронных устройств в автомобилях. В то время эти предложения не вызвали интереса, но 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.
Майман-старший с детства прививал Теду любовь к электронике и научному поиску. В возрасте двенадцати лет мальчик помогал отцу ремонтировать различные электронные устройства, а в четырнадцать он уже работал в мастерской одной из компаний. В 1949-м Теодор Майман окончил 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 Майман 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 Маймана 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 году Майман получил степень доктора философии.
Теодор всегда был большим оригиналом. Получив ученую степень, достигнув определенного общественного положения и отчасти удовлетворив свои амбиции, он решил прервать исследования и отправиться в кругосветное путешествие. Майман подготовил себе преемника, который мог бы продолжить эксперименты на созданном им оборудовании. Это был И.Вейдер, его единственный соратник и помощник, чье имя также впоследствии вошло в историю создания лазера.
Вернувшись из кругосветного путешествия, Майман начал работать в лаборатории «Hughes Research», одной из многих включенных в гонку по созданию лазера. В ту пору этой проблемой занимались крупнейшие исследовательские центры «Bell Labs», «RCA Labs» и другие.
Трудности, с которыми столкнулся молодой и тогда мало кому известный ученый, были огромны. Несмотря на то, что Майман 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. Но 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 Майман все-таки отказался от использования рубина. На это решение повлияли и эксперименты И.Вейдера, который определил, что квантовая эффективность излучения рубина очень низка (около одного процента). Майман обратился к исследованию других материалов, но альтернативы не находил.
И тогда с необычайным упорством, вызывавшим у многих раздражение и насмешки, он вернулся к экспериментам с рубином. Путем повторных опытов Майман выяснил, что результаты Вейдера были ошибочны: квантовая эффективность излучения рубина оказалась равной 75 процентам.
В то время большинство ученых пытались создать лазер непрерывного действия. Эти работы основывались главным образом на появившейся в 1958 году 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. Но Майман оставался верен себе и шел вперед вопреки общепринятому мнению. Ознакомившись с теорией А.Шавлова и Ч.Таунса и придя к выводу, 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. Но его надежность была очень низкой. Поиск нетрадиционных решений натолкнул на мысль о целесообразности использования сверхъярких стробоскопических ламп, применяемых в фотографии (фотовспышек). Проведенные Майманом 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 Майман, имел форму стержня, на торцевых поверхностях которого необходимо было сформировать отражающие зеркала. В 1960 году технологию создания многослойных пленочных покрытий для лазерных зеркал имели только крупнейшие лаборатории. Майман самостоятельно разработал технологию нанесения серебра на рубиновый стержень и осуществил ее.
16 мая 1960 года Теодор Майман создал первый в мире рубиновый лазер. На это ушло девять 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 того же года на специально созванной пресс-конференции Майман объявил о создании лазера и рассказал о возможных областях его применения – связь, медицина, военная техника, транспорт, высокие технологии. Изобретение получило широкий общественный резонанс. Газеты писали, что ученый из Лос-Анджелеса изобрел «луч смерти».
Несколько месяцев спустя, в 1961-м, «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 Теодора Маймана, 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 якобы незыблемых постулатах научной элиты. Именно «эффект гуру» (как называл его Майман) не позволил другим ученым достичь успеха.
Поскольку Ч.Таунс стал одним из лауреатов Нобелевской премии «за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа – мазеров и лазеров», возник некоторый скепсис относительно первенства Маймана в изобретении лазера. Это наглядный пример условности при установлении приоритета некоторых открытий в науке, а также того, что общество не всегда торопится с признанием заслуг первооткрывателей. Известно, что Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии «за важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта» лишь в 1921 году – через шестнадцать лет после созданной им теории. Вильгельм Рентген получил эту премию в 1901-м – через шесть лет после обессмертившего его открытия. Открытие В.А.Фабриканта вообще было отвергнуто как нереализуемое.
Но «никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер», говорил Майман. И еще: «Если они сделали это, то где же тогда, черт возьми, их лазер?» – при этом он вынимал из кармана тот самый первый лазер, который создал еще в 1960-м.
Теодор Майман основал компанию «Korad» по производству лазеров. Затем – фирму «Maiman Associates», которая в 1976-м объединилась с компанией TRW. Он стал ее вице-президентом по новейшим технологиям.
Кроме основного патента на создание первого в мире лазера, Майман запатентовал некоторые типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Он удостоен многих престижных премий, включая награду Международного оптического общества (SPIE) и аналог Нобелевской премии в странах Азии – «Japan Prize», ряда других. Журнал «Time» назвал изобретение Маймана «одним из самых важных технологических достижений ХХ века», которое навсегда изменило нашу жизнь.
Теодор Майман ушел из жизни 5 мая 2007 года в Ванкувере (Канада) в возрасте 79 лет. Многие университеты ныне предоставляют почетные степени имени Маймана, в том числе Университет имени Саймона Фрейзера. В 2011 году Майман был назван Стэнфордским университетом «героем инженерии» со ссылкой на редкое сочетание высокой квалификации в области физики и техники в сочетании со значительным лабораторным опытом.
Ныне лазеры широко используются в различных областях человеческой деятельности. Они прочно вошли в быт в виде лазерных дисков, принтеров, сканеров и так далее. В технике коммуникаций без лазеров невозможно представить современные волоконно-оптические и атмосферные линии, усилители, 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 заменяют скальпель при тончайших хирургических операциях, также широко используются в диагностике и лечении. Во многих оборонных системах лазеры также занимают центральное место.
И недаром в 2000 году была присуждена еще одна Нобелевская премия за исследования, непосредственно связанные с лазерами – ее получили Жорес Алферов и Герберт Кремер за развитие полупроводниковых структур для высокоскоростной связи и оптоэлектроники.
