Луч академика Басова. Отцу советского лазера поставят памятник?
Россия в разные эпохи была богата гениями в различных сферах, которые весь свой талант и силы отдавали на служение Родине. Кому-то из них почести отданы сполна, а о ком-то с течением времени начинают забывать, что крайне досадно.
«Надо отметить славную дату»
Общественная организация «Сильная Россия» обратилась к Председателю Правительства Российской Федерации Михаилу Мишустину по случаю столетия со дня рождения советского и российского физика Николая Басова.
«Просим вас . в рамках историко-культурного просвещения рассмотреть возможность реализации под эгидой правительства РФ ряда мер, посвященных 100-летию со дня рождения Басова Н. Г., в частности, установить ему памятник в городе-наукограде Троицке и топонимическую доску на площади Академика Басова в Москве», — говорится в обращении, текст которого приводит ТАСС.
Инициативу «Сильной России» поддержал лидер КПРФ Геннадий Зюганов. «Я застал тот период, когда Басов и Прохоров блистали на научном горизонте и всё делали для того, чтобы наша наука, начиная от фундаментальной и заканчивая прикладной, показывала лучшие образцы, — заявил Зюганов в беседе с Общественной службой новостей. — Изобретение Басова сейчас решает многие проблемы. Моему приятелю недавно нужна была небольшая полостная операция. При помощи лазера всё великолепно было сделано. Это же касается и защиты страны. Поэтому я тремя руками “ЗА” то, чтобы был поставлен Басову памятник. И, естественно, надо отметить эту славную дату».
Фронтовик идет в науку
Про Басова можно сказать так — это человек эпохи, который стал человеком-эпохой. Он появился на свет в городке Усмань 14 декабря 1922 года, став, таким образом, единственным в истории Нобелевским лауреатом, родившимся в стране под названием РСФСР. Провозглашенная после октября 1917 года республика через шестнадцать дней после рождения Басова стала частью еще большей страны — Советского Союза.
Отец Николая был специалистом по влиянию лесопосадок на подземные воды и поверхностный дренаж. Спустя несколько лет семья Басовых перебралась в Воронеж. Там Николай окончил школу, но мечты о высшем образовании были отложены в сторону — началась Великая Отечественная война. В Куйбышеве Басов получил специальность ассистента врача и с 1943 года оказался в действующей армии. С 1-с Украинским фронтом он дошел до Праги.
Демобилизовали Басова в декабре 1945 года. Фронтовик поступил в МИФИ. Уже с третьего курса Басов работал лаборантом в Физическом институте имени Лебедева АН СССР. Старшие коллеги отмечали, что студент обещает стать большим ученым. Басов ожидания не обманул — уже к 1956 году он защитил докторскую диссертацию, посвященную исследованию молекулярного генератора, где в качестве активной среды использовался аммиак.
Да будет лазер!
Непосвященным это мало что скажет, но работы Басова в соавторстве с его научным руководителем Александром Прохоровым стали прорывными в области квантовой физики. Советские ученые установили принцип усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, что позволило в 1954 году создать первый квантовый генератор (мазер) на пучке молекул аммиака. Это стало шагом к созданию лазеров, которые сегодня активно применяются в разных сферах человеческой деятельности.
За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн (создание молекулярных генераторов и усилителей) Басов и Прохоров в 1959 году были награждены Ленинской премией, а в 1964 году им совместно с Чарлзом Таунсом за «фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе», была присуждена Нобелевская премия по физике.
Знание — сила
Это были времена, когда сомнений в лидерстве советской науки в мире не было ни у кого. Басов генерировал идеи одну за одной — предложил методы лазерного нагрева плазмы, проанализировал процессы стимулирования химических реакций лазерным излучением, выдвинул предложение использовать лазер для управляемого термоядерного синтеза и т.д.
Не обо всем, что делал Басов, говорилось открыто. У любого большого ученого часть деятельности связана с оборонными задачами. Но за что бы он ни брался, везде работал тщательно и скрупулезно.
Басов создал целую научную школу, внимательно следил за тем, как растут его ученики, поскольку видел задачу в дальнейшем развитии новых направлений физики. А еще успевал редактировать несколько научных журналов и на протяжении 12 лет был главой Всесоюзного просветительского общества «Знание».
«Наши теоретические разработки воплощаются в приборы за рубежом. Там эти приборы часто и остаются»
Трудно даже представить, каково ему было в 1990-х, когда некогда передовая советская наука была практически выброшена либералами-рыночниками на помойку. Столпы советской физики, нобелевские лауреаты сражались за сохранение хотя бы малой части наследия, надеясь на то, что эти «сумерки разума» пришли не навсегда. Басов понимал, что потерянное поколение ученых отбрасывает прогресс страны на десятилетия. К сожалению, даже нобелевскому лауреату в ту пору было сложно достучаться до сильных мира сего.
За год до смерти, выступая на заседании Российской академии наук, Басов говорил: «Надо создавать хотя бы минимальные условия в своих лабораториях, иначе наши теоретические разработки воплощаются в конкретные приборы за рубежом. Там эти приборы часто и остаются». Лучшие ученики, не видя перспектив, отправлялись за рубеж, даже собственный сын Дважды Героя Социалистического Труда нашел работу в Америке.
Маяк для новых поколений
Там с распростертыми объятиями приняли бы и самого Басова, но он до последнего сохранил верность стране. Лауреат Нобелевской премии ушел из жизни летом 2001 года, когда и не было еще понятно, будет ли возрождение утраченного. Но ученый верил в лучшее.
Наверное, и сейчас российская наука еще далека от тех позиций в мире, которые занимала наука советская. Подниматься после падения всегда трудно. Но, вновь штурмуя утраченные высоты, стоит воздать должное тем, кто и сегодня служит высоким ориентиром. Таким, каким был Николай Геннадиевич Басов.
История одного из самых важных изобретений XX века – лазера
Но мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — ведь ученые даже не подозревали о его существовании.
А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно когерентно вынуждающему излучению (то есть имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию). А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.
Первые эксперименты
Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей, причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор. Но для этой идеи время еще не настало.
Мало кто занимался усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения и в 1930-е годы. Наиболее серьезной работой по этой теме была докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными — опять-таки из-за отсутствия резонатора. В 1957 году Фабрикант и Бутаева даже наблюдали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, однако это так и осталось их личным достижением.
Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.
Мазеры
Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта мысль осенила его весной 1951 года во время прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому небольшому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл впервые испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением. Прибор, который Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сегодня белловский фотофон считают предтечей опто-волоконных систем связи.)
Таунс понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. Изготовить высококачественный объемный резонатор такой величины было не слишком просто, но все же возможно. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером (MASER — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и уже «остепенившийся» Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.
От микроволн к свету
Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков — слишком многих, чтобы рассказать обо всех. Фактически не была решена лишь задача усиления вынужденного излучения с помощью положительной обратной связи. Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс со своим старым другом и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.
Сам термин «лазер» возник даже раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона. Поздней осенью 1957 года это слово появилось на страницах блокнота, где он записывал свои размышления и вычисления. В то время Гулд ничего не публиковал и поэтому не получил признания, которое, бесспорно, заслужил. Правда, в 1970—1980-х он добился утверждения своих патентных заявок и наконец-то стал купаться если не в славе, то в долларах.
Лазеры
Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Этот минерал представляет собой оксид алюминия с небольшой примесью хрома, который и придает ему красный цвет (чистый оксид алюминия бесцветен). Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом. По любопытному совпадению произошло это ровно через 50 лет после того, как Клод поразил воображение посетителей Парижской автомобильной выставки своими светящимися трубками. Лазер Джавана и его коллег работал в инфракрасном диапазоне, но через два года Уайт и Ригден заставили гелий-неоновый лазер излучать красный цвет.
Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад получили Нобелевскую премию). К настоящему времени трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Это, безусловно, одно из важнейших изобретений XX века навсегда изменило нашу жизнь.
Первый лазер в истории: каким он был
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.
А покорить его удалось Теодору Мейману в 1960м году. Он провёл множество расчетов и пришел к выводу, что идеальным рабочим телом для генерации волн оптического диапазона станет кристалл рубина. Он же предложил принцип накачки рабочего тела – короткими вспышками света от соответствующей лампы-вспышки и способ создания положительной обратной связи для того чтобы усилитель стал генератором – эту функцию выполняли зеркальные покрытия на торцах кристалла. Расчеты Меймана показали, что атомы хрома, которые являются примесью в кристаллах сапфира и делающие его рубином имеют подходящую систему энергетических уровней, которая делает возможной генерацию лазерного излучения. В рубине реализуется простейшая трехуровневая схема. Атом хрома, поглощая свет в сине-зелёной области спектра, переходит на верхний возбужденный уровень, с которого происходит безизлучательный переход на метастабильный уровень, на котором он может задержаться на время порядка 1 мс. Из этого состояния атом возвращается на основной уровень, излучая фотон с длиной волны или 694 или 692 нм, так как метастабильный уровень на самом деле не один, их два очень близко расположенных. Возможность накопления атомов на метастабильном уровне и позволяет создать инверсную заселенность, а вместе с ней и генерацию лазерного излучения, когда один или несколько спонтанно испущенных фотонов заставляют лавинообразно «осыпаться» все остальные атомы из метастабильного состояния в основное, испуская новые фотоны с одинаковой длиной волны, фазой, поляризацией и направлением движения. Они и создают яркий красный луч, которому свойственна когерентность.
С историей изобретения первого оптического квантового генератора связано много достаточно интересных и порой очень несправедливых событий. Для начала надо отметить, что разработку первого лазера Мейман осуществлял по своей инициативе и самостоятельно, только со своим помощником, при этом, лазер на рубине создавался вопреки мнениям многих специалистов, которые были уверены в том, что рубин не годится в качестве рабочей среды. Есть городская легенда, согласно которой, его помощник, будучи дальтоником, впервые в жизни увидел красный свет, в тот момент когда лазер был собран и он заработал. Согласно этой же легенде, Мейман не наблюдал лазерный пучок визуально, так как был очень занят настройками регистрирующей аппаратуры – нужно было срочно собирать экспериментальные данные и готовить статью к публикации, в которой будут представлены убедительные доказательства, что было впервые получено когерентное излучение оптического диапазона. Тут-то и начались сложности. Во-первых, статью Меймана о том, что возможна генерация оптического когерентного излучения в кристалле рубина отклонили от публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «его статье нет ничего принципиально нового». Вместо этого статья была опубликована в Nature. Что характерно – в 1958 году в журнале Physical Review Letters была уже опубликована статья о принципах работы лазера, направленная из конкурирующей организации – Bell Labs, и это не смотря на то, что рабочего экземпляра лазера у них не было, статья описывала просто теоретическое обоснование. Они же быстро состряпали патент на лазер, которого у них ещё не было. А Мейман получил отклонение из этого журнала, хотя построил первый работоспособный лазер. Более того, он подробно потом объяснил ученым из Bell Labs в разговоре по телефону, что нужно для создания лазера и как его построить, уже после того, как он создал свой. Тем не менее, приоритет Меймана в изобретении лазера так и не был признан. Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву. Отчасти это объясняют тем фактом, что Мейман работал в частной фирме, которая выполняла заказы для военных, а не в университетской лаборатории.
Теперь, оставим драму в покое и посмотрим, как был устроен рубиновый лазер Меймана в железе. Конструкция была чрезвычайно проста – в компактном корпусе находилась миниатюрная спиральная лампа-вспышка, внутри которой фиксировался ещё более миниатюрный кристалл рубина. Противоположные его торцы были посеребрены – один торец был «глухим» зеркалом, второй был посеребрен более тонким слоем, который пропускал некоторое количество света. Первый в мире лазер был длиной в 12 сантиметров, весил 300 грамм и выглядел игрушечным.
Детали лазера крупным планом:
Собственно, кристалл рубина.
И весь лазер в сборе, без источника питания.
В прессу же попала фотография лазера уже более крупных размеров, но уже далеко не первого в истории. И журналисты сразу же начали поднимать панику, дескать, изобретены «лучи смерти».
Буквально через год-два, когда новость об изобретении лазера уже разлетелась по миру, стали появляться первые лабораторные образцы лазеров в СССР. В отличии от стран запада, спиральные лампы накачки в лазерах не прижились сразу. Во-первых спиральная лампа не смотря на свою «очевидность» имеет далеко не оптимальную форму тела свечения – лишь малая доля света идет по адресу, так как соседние витки спирали в основном подсвечивают друг друга, а не вставленный внутрь неё кристалл рубина. Во-вторых – советская промышленность не выпускала широкую номенклатуру спиральных импульсных ламп. А те которые выпускались, имели неподходящую форму – спираль была слишком большого диаметра но мало витков, как например, достаточно известные лампы ИФК-20000 и ИФК-80000. Была спиральная модификация у достаточно известной и распространенной лампы ИФК-2000, но она встречается очень редко и смогла бы «прокачать» лишь самый миниатюрный кристаллик рубина, как у Меймана. Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве. Первый лазер в СССР имел возможность устанавливать в него кристаллы различных размеров, а для накачки использовались «классические» U-образные лампы ИФК-2000. Так он выглядел «живьем».
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.
Была ещё конструкция с так называемой «полостной» лампой. Полостная лампа получается, если постепенно увеличивать число витков в спиральной лампе до бесконечности, пока они не сольются в сплошную полость. Такая лампа представляет собой две трубки из кварцевого стекла вложенные одна в другую и спаянные на торцах. Электроды впаяны в противоположные концы лампы. Единственная известная полостная лампа советского производства – ИФПП-7000, применялась в накачке лазерной установки УИГ-1.
Такая схема накачки обладает всеми недостатками схемы со спиральной лампой, поэтому больше нигде не применялась. На фотографии лампа ИФПП-7000 и кристалл рубина использовавшийся с ней. Кроме теперь уже экзотических схем со спиральными и полостными лампами накачки, возможна работа рубинового лазера в ещё более экзотической схеме – с непрерывной накачкой. Это возможно если кристалл рубина очень маленький, охлаждается жидким азотом и освещается сфокусированным пучком от ртутной лампы сверхвысокого давления или лучом мощного аргонового лазера. Но такие устройства так и не покинули стены лабораторий, оставшись экзотикой, описанной в научных статьях, не смотря на то, что со временем его удалось «отучить» от жидкого азота. Впоследствии и от напыленных на торцы зеркал отказались, так как они недолговечны и в случае их повреждения придется менять весь кристалл. Такая конструкция сохранилась только в тех устройствах где нужна максимальная компактность, как, например, в излучателях лазерных эпилляторов. Во всех остальных зеркала смонтированы отдельно на юстировочных приспособлениях.
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.
Наигравшись с самой мощной на тот момент фотовспышкой, я собрал излучатель с этой лампой и показанным выше кристаллом. Корпусом для лампы и кристалла стал стеклянный моноблочный отражатель от технологического лазера «Квант-16», а снованием стал кусок металлического швеллера. Из кусков этого же швеллера были сделаны юстировочные приспособления для зеркал резонатора.
В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.
А в качестве выходного было выбрано зеркало якобы от рубинового лазера.
Забегая вперед, скажу, что этот конструктив оказался нерабочим. Лазерную генерацию получить на нем не удалось. Причины вполне очевидны – лампа накачки в два раза длиннее кристалла и её свет используется крайне неэффективно. Да и возможность выходного зеркала обеспечить эту генерацию тоже вызывала вопросы. Квантрон (так называется блок лампа+кристалл+отражатель) пришлось переделать. Во втором варианте я сделал новый держатель для кристалла и ламп, вместо одной лампы ИФП5000 решил использовать две лампы ИФП2000, размещенные в упор к кристаллу и соединенные последовательно электрически. Длина ИФП2000 идеально соответствует длине окрашенной части кристалла. Такой способ компоновки называется «плотная упаковка».
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.
И в такой конфигурации удалось получить генерацию с первого импульса! Порог генерации оказался довольно высоким – около 1500 Дж энергии накачки. Лазер выдавал луч насыщенно-красного цвета, ослепительной яркости. К сожалению из-за его «скоротечности» сфотографировать его не удалось. Зато удалось зафиксировать его разрушительное действие на металл при фокусировке. Из железа он хорошо высекает искры.
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:
1. Б. Ф. Федоров Оптические квантовые генераторы, «Энергия», 1966,
2. Б. Ф. Федоров Лазеры и их применения, «Энергия», 1973
3. А. С. Борейшо Лазеры: устройство и действие, Санкт-Петербург, 1992
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.
Лазеры
Открытие физических принципов квантовой электроники в 1954 г. – одно из самых выдающихся достижений науки ушедшего века, придавшее значительный импульс развитию современной цивилизации.
Основой лазеров является созданная в 1916 г. А. Эйнштейном теория поглощения и испускания света атомами. Эйнштейн рассмотрел взаимодействие фотонов с системой (атомами и молекулами), обладающей двумя энергетическими уровнями E1 и E2, причем энергия фотона совпадает с разностью энергий этих уровней. Согласно теории Эйнштейна, переход E1 → E2 происходит с поглощением фотона hν= E2 – E1. Переход из возбужденного состояния E2 в нижнее состояние может происходить самопроизвольно (спонтанное излучение).
Помимо этого процесса, Эйнштейн предположил существование еще одного процесса, а именно, переход в нижнее состояние E1 под действием фотонов спонтанного излучения. Этот процесс был им назван вынужденным излучением
в 1938 г. советским физиком В.А. Фабрикантом был предложен метод экспериментального доказательства существования вынужденного излучения, он был первым, кто обратил внимание на принципиальную возможность создания среды, усиливающей излучение (отрицательная абсорбция).
Изобретение лазера (факты)
В 1951 г. В.А. Фабрикантом (СССР) совместно с М.М. Вудынским (СССР) и Ф.А. Бутаевой (СССР) была подана заявка на изобретение «Нового способа усиления электромагнитного излучения ультрафиолетового (УФ), видимого, инфракрасного (ИК) и радиодиапазона», которая не была принята. Авторское свидетельство было выдано только в 1959 г. А в 1964 г., уже после запуска лазеров, В.А. Фабрикант, М.М. Вудынский и Ф.А. Бутаева получили диплом об открытии №12 с приоритетом от 18 июня 1951 года на «Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания». К сожалению, это изобретение не было вовремя оценено, так как оно сильно опережало развитие науки в данном направлении и не было в то время подтверждено экспериментом.
В 50-е годы прошлого столетия возникла новая область исследований – радиоспектроскопия. В начале 50-х годов в лаборатории колебаний им. Л.И. Мандельштама и А.Д. Папалекси Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), по инициативе А.М. Прохорова, начались спектроскопические исследования молекул в радиочастотном диапазоне. В эти работы после окончания Московского физико- технического института (МФТИ) включился молодой ученый Н.Г. Басов.
В США радиоспектроскопией активно занималась группа ученых Колумбийского университета под руководством Ч. Таунса. Предметом исследований в области радиоспектроскопии являлось изучение строения молекул и их вращательных состояний, переходы между которыми лежат в области субмиллиметрового диапазона. В связи с тем, что расстояние между вращательными состояниями молекул малó, при комнатной температуре часть молекул переходит на верхнее возбужденное состояние, и наблюдать поглощение с нижнего энергетического состояния оказалось сложным. Кроме того, процесс наблюдения ухудшался допплеровским уширением линий. Для преодоления этих трудностей в радиоспектроскопии стали применять метод молекулярных пучков. Появилась идея – отделить молекулы, находящиеся на верхнем возбужденном уровне, от молекул, находящихся на нижнем уровне. Тогда фракция молекул, находящихся на нижнем уровне, будет поглощать свет, а находящиеся на верхнем под действием радиоволны будет давать вынужденное излучение.
Рассортировать молекулы по энергетическим состояниям удалось благодаря одному интересному свойству некоторых из них. Некоторые молекулы имеют дипольный момент, связанный с определенным распределением зарядов положительных ядер атомов, составляющих молекулу, и окружающих их электронов. Причем некоторые молекулы, например, аммиак NH3, имеют дипольный момент, величина которого различна для молекул, находящихся в разных энергетических состояниях определенного перехода в радиодиапазоне (λ=1,26 см).
В неоднородном электрическом поле молекулы аммиака, находящиеся на верхнем и нижнем энергетических уровнях, не только ориентируются, но и дрейфуют в направлении градиента неоднородности поля. Исходя из этого, если создать молекулярный пучок (например, аммиака) и пропускать его через сильно неоднородное электрическое поле, то можно разделить пучок на два: в одном будут преимущественно молекулы в нижнем состоянии, а в другом – в верхнем. Неоднородное электрическое поле создавалось так называемым «квадрупольным конденсатором». Такая «сортировка» молекул приводит к созданию инверсной населенности, т.е. получению активной среды.
Важным обстоятельством при «сортировке» молекул является то, что, согласно теории Эйнштейна, вероятность спонтанного перехода возбужденной молекулы пропорциональна γ 3 , т.е. время жизни
λ3 . Например, для перехода с λ=1,26 см молекулы без потерь, находясь в возбужденном состоянии, могут пройти примерно 1 м пути. Если отсортированные в возбужденном состоянии молекулы ввести в резонатор, настроенный на определенную частоту соответствующего перехода, то при условии, что усиление вынужденного излучения молекул превосходит потери резонатора, можно получить генератор электромагнитных волн.
Первые публикации в печати, относящиеся к квантовым генераторам, появились в 1954 г. В январе 1954 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым была направлена в редакцию Журнала экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) статья «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул» [3], опубликованная в октябре 1954 г. В статье Н.Г. Басов и А.М. Прохоров писали: «Используя молекулярный пучок, в котором отсутствуют молекулы в нижнем состоянии рассматриваемого перехода, можно сделать «молекулярный генератор»». В мае 1954 г. Ч. Таунс с сотрудниками направил в журнал «Physical Review» статью «Микроволновой молекулярный генератор и новая сверхтонкая структура микроволнового спектра аммиака».
В статье сообщалось о том, что «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Таким образом, фактически одновременно и независимо были высказаны идеи, описан и осуществлен в 1954 г. в СССР Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и в США Ч. Таунсом с сотрудниками новый тип генератора радиоволн. Такой генератор электромагнитных волн был назван "МАЗЕРом".
МАЗЕР – аббревиатура английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление СВЧ волн с помощью индуцированного излучения). 1954 год считается началом нового направления науки – квантовой электроники. В 1964 г. Ч. Таунс, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров были удостоены Нобелевской премии по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе»
После создания мазера на аммиаке были проведены исследования в направлении разработки мазеров на твердом теле. Концепция и конкретная конструкция твердотельного мазера были детально разработаны профессором Гарвардского университета Н. Бломбергеном. Затем Г. Феер и его коллеги в лаборатории «Bell Telephone» сделали первый твердотельный мазер с использованием идеи Н. Бломбергена на кристалле этилсульфата гадолиния. Вскоре профессор К. Кикучи из Мичиганского университета разработал твердотельный лазер на искусственном кристалле рубина. Стандартный твердотельный мазер представлял собой огромное и очень тяжелое устройство весом 2,3 т, выполненное со сложными криогенными устройствами и магнитами.
Предполагалось, что мазер может детектировать и усиливать чрезвычайно малые микроволновые сигналы. Т. Мейман в этот период начал работать в лаборатории Хьюза (Hughes Research Laboratories) с мазером К. Кикучи, провел его усовершенствование и в 1959 г., закончив работу, уменьшил вес с 2,3 т до 11,3 кг. Заказчик, войска связи США, установили его на входе приемного радара и были удовлетворены его работой. В 1958 г. появилась статья Ч. Таунса и А. Шавлова «Оптические и инфракрасные мазеры» в журнале «Physical Review». В статье было высказано предложение создать инфракрасный лазер на парах калия, получившее большой резонанс в научном мире.
Начался интенсивный поиск сред, на которых можно было бы создать лазер. Т. Мейман выбрал для исследования кристалл розового рубина, оптические свойства которого он хорошо знал. Изучение квантового выхода флюоресценции, разработка идеи использования импульсной лампы с высокой яркостной температурой и применение эллиптического рефлектора были основой для создания Т. Мейманом лазера на кристалле рубина.
Первый работающий лазер
16 мая 1960 года Т. Мейман (США), вопреки мнению многих именитых ученых, запустил первый лазер именно на кристалле розового рубина. Впоследствии в книге «Лазерная Одиссея» Т. Мейман написал: «Замечу, в заключение, что хотя мазер был очень интересным предметом физических исследований в течение нескольких лет, он был всего лишь промежуточным этапом, который, возможно, даже отвлек внимание на пути создания лазера».
Надо отметить, что Т. Мейману не удалось опубликовать статью о создании лазера в престижных журналах «Physical Review Letters» или «Journal of Applied Physics». Известие о создании первого лазера нашло широкий отклик после организованной администрацией фирмы Хьюз пресс-конференции в отеле Дельмоника в Нью-Йорке 7 июля 1960 года. Краткий вариант статьи Т. Меймана, в котором впервые сообщается о получении когерентного света, был опубликован в журнале «Nature» 6 августа 1960 года под названием «Вынужденное оптическое излучение на рубине».
16 мая 1960 г. в США американским ученым и инженером Теодором Мейманом (1927–2007 г.г.) в исследовательской лаборатории фирмы Хьюз (Hughes Research Laboratories) был запущен первый лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). С этого момента началось бурное развитие лазерной науки и техники во всем мире.
Работы по созданию лазеров интенсивно велись в СССР, начиная с конца 1960 г. В ФИАН (г. Москва) и в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (ГОИ им. С.И. Вавилова, г. Ленинград) по инициативе академика А.А. Лебедева и д.ф.-м.н. М.П. Ванюкова.
Первый лазер в СССР
Первый в СССР лазер – рубиновый – был запущен 2 июня 1961 года в ГОИ им. С.И. Вавилова, в отделе академика А.А. Лебедева, лаборатории М.П. Ванюкова, Леонидом Дмитриевичем Хазовым с участием И.М. Белоусовой.
В ФИАН СССР лазер был запущен 18 сентября 1961 года М.Д. Галаниным, А.М. Леонтович, З.А. Чижиковой.
Предпосылками создания лазера в ГОИ им. С.И. Вавилова послужили глубокие научные заделы в области спектроскопии и люминесценции кристаллов (Д.С. Рождественский, С.И. Вавилов, П.П. Феофилов, А.Н. Теренин), в области физической оптики и импульсных источников света (А.А. Лебедев, М.П. Ванюков, А.М. Бонч-Бруевич, С.И. Левиков), а также первоклассные научные школы оптотехники и конструирования (В.П. Линник, Е.Н. Царевский, И.А. Тельтевский) и активных сред лазеров (В.Т. Славянский, А.И. Стожаров, Г.О. Карапетян). Именно благодаря этому в ГОИ им. С.И. Вавилова были начаты интенсивные разработки твердотельных лазеров.
С конца 1960 г. Л.Д. Хазовым было начато детальное изучение состояния разработки лазеров в США, а также подготовка элементной базы для запуска лазера на рубине в ГОИ им. С.И. Вавилова.
В 1961 году, после выхода статьи А. Джавана о запуске первого газового лазера на смеси газов гелийнеон, в ГОИ по инициативе И.М. Белоусовой были начаты работы в области газовых лазеров. В 1962 г. группой И.М. Белоусовой (куда входили И.М. Белоусова, О.Б. Данилов, И.А. Елькина) был запущен газовый гелий-неоновый лазер с плоским резонатором и резонатором плоскость–сфера. Конструкция гелий-неонового лазера была разработана выдающимся конструктором И.А. Тельтевским. Лазер был изготовлен на опытном производстве ГОИ, где работали блестящие мастера-оптики, сумевшие в те годы изготовить зеркала резонатора с точностями обработки поверхности до 0,01 полосы. Создание первых лазеров, твердотельного и газового, явилось началом интенсивных работ ряда отделов и групп ГОИ над новыми активными средами, улучшением параметров лазеров и их применением.
Поскольку автор статьи возглавляла исследования в области газовых лазеров, то в статье, в основном, уделено внимание именно работам ГОИ по разработке и применению газовых лазеров. Так, например, одним из первых применений газового гелий-неонового лазера явилась работа по передаче информации по лучу лазера (И.М. Белоусова, О.Б. Данилов, Ю.В. Попов, И.Н. Адрианова).
7 октября 1963 года была впервые осуществлена передача телевизионного изображения по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу на 1300 м между ГОИ и Ленинградской военно-инженерной космической академией (ЛВИКА) им. А.Ф. Можайского (С.И. Бахтин, В.М. Очеленков, Б.С. Данилов), продемонстрировавшая информационную емкость светового диапазона длин волн и возможность транспортировки излучения через атмосферу. Это было зафиксировано в протоколе работы комиссии сотрудников ГОИ и ЛВИКА по установлению факта передачи телевизионной информации с помощью лазера.
Дальнейшее развитие эти работы получили в опытно-конструкторской работе (ОКР) «Кратер» по созданию многоканальной линии связи (300 телефонных каналов) по лучу гелий-неонового лазера. ОКР велась Красногорским оптико-механическим заводом, ГОИ, ЛВИКА и Центральным научно-исследовательским институтом связи (ЦНИИС).
Опытные станции передачи информации были установлены на ряде объектов, в том числе в Москве, Армении и на космодроме «Байконур». На рис. 8 приведена фотография приемо-передающей станции «Кратер» и титульного листа журнала «Советский Союз» с изображением луча лазера над Москвой (1965 г.) при передаче информации 300 телефонных каналов по лучу лазера между Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова (МГУ) и г. Красногорском (33 км). Нельзя не отметить чрезвычайно важные эксперименты, проводимые в ФИАН СССР по первым применениям твердотельных лазеров. Так, в 1963 г. учеными ФИАН В.С. Зуевым и П.Г. Крюковым была впервые осуществлена локация Луны с помощью рубинового лазера с модулированной добротностью.
Подготовка кадров в области квантовой электроники являлась важной вехой в создании лазеров в СССР. В 1963 г. в ЛИТМО под руководством д.т.н., профессора К.И. Крылова была создана первая специализированная кафедра для подготовки специалистов в области лазерной техники и лазерной физики – кафедра квантовой электроники. За более чем 50-летний период на кафедре было подготовлено более 1200 специалистов-лазерщиков, которые в настоящее время работают на многих предприятиях России и зарубежных стран. С момента возникновения на кафедре начали проводиться научные исследования по важнейшим фундаментальным и прикладным вопросам квантовой электроники.
В конце 1960-х годов на кафедре под руководством К.И. Крылова были запущены мощные лазеры на углекислом газе, которые были совместно с медиками (профессор Б.И. Хромов) применены в пионерских работах по лазерной хирургии.
Разработка и создание лазеров
Разработка и создание лазеров находились под постоянным вниманием правительства СССР, прежде всего, Министра оборонной промышленности С.А. Зверева, знавшего досконально оптическую отрасль, науку и промышленность, который неоднократно бывал в ГОИ им. С.И. Вавилова.
В 1964 г. в Москве Министерством оборонной промышленности была организована первая выставка разработанных в СССР лазеров. На выставке демонстрировались газовые лазеры и лазерное телевидение, твердотельные и полупроводниковые лазеры, первые дальномеры на лазерах – разработки ГОИ, Научно-исследовательского института прикладной физики (НИИПФ), Ленинградского оптико-механического объединения (ЛОМО) и др.
Выставку посетил Первый секретарь ЦК КПСС, Председатель Совета Министров СССР Н.С. Хрущев. После проведения выставки было издано первое постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о развитии лазерной техники в СССР. В работы в области исследований, создания и применения лазеров включились десятки организаций, в том числе Академия наук СССР, предприятия оптической отрасли, электронной и радиопромышленности, учебные учреждения. В СССР началась эпоха бурного развития лазеров различных типов и назначений.
В 1971 году на базе лазерной лаборатории был создан лазерный отдел ГОИ им. С.И. Вавилова. В 1993 г. на базе этого отдела был организован НИИ лазерной физики, который возглавил профессор Артур Афанасьевич Мак .
В 2005 г. НИИ лазерной физики был переименован в ФГУП «Научно-производственная корпорация «ГОИ им. С.И. Вавилова», ныне ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова». ГОИ им. С.И. Вавилова – один из ведущих центров страны в области лазерной физики.
Многие исследования, выполненные в ГОИ, явились основой для создания систем и приборов, находящихся на мировом уровне либо превосходящих его.
Важнейшими направлениями теоретических и экспериментальных исследований НИИ лазерной физики и лазерного отдела (ныне отделения) являлись и являются разработка и исследования лазеров и лазерно-оптических систем с уникальными параметрами. Подробно направления работ и достижения в области лазеров и их применений в ГОИ им. С.И. Вавилова освещены в статье, поэтому здесь отметим только некоторые из них. Необходимо подчеркнуть, что в течение всех лет, начиная с 1962 г. ГОИ им. С.И. Вавилова был тесно связан с промышленностью и, прежде всего, с ЛОМО, которое уже в 1965 г. выпустило серийный твердотельный лазер (на неодимовом стекле) с энергией 1000 Дж (ГОС-1000), сразу же нашедший широкое применение в научных и военных организациях.
Одной из самых крупных программ в 70–80-ые годы прошлого столетия являлась программа лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В ГОИ программы по ЛТС были начаты в 1963–1964 г.г. по инициативе М.П. Ванюкова. Далее эти работы возглавил А.А. Мак. Под его руководством была создана шестиканальная лазерная установка «Прогресс» (в филиале ГОИ в Сосновом Бору), на которой впервые в мире были проведены эксперименты со сферическими мишенями при импульсах излучения с управляемой формой и длительностью (В.А. Серебряков, А.Д. Стариков, А.В. Чарухчев и др.). В 1970–1990 г.г. при научном руководстве сотрудников ГОИ промышленностью было создано большое число лазерных систем, более двух десятков которых были приняты на вооружение Советской Армии.
Целый ряд исследований и разработок был направлен на реализацию твердотельных и газовых лазеров с малой угловой расходимостью, близкой к дифракционной, на разработку резонаторов различного типа, на изучение причин неоднородностей в активных средах и их устранение, на осуществление точной адресации лазерного пучка, а также методов нелинейной коррекции аберраций в лазерных средах и оптических элементах (А.А. Мак, Ю.А. Ананьев, В.Е. Шерстобитов, А.А. Лещев, Л.Н. Сомс, С.А. Димаков и др.).
Новые возможности в области создания лазерных систем для ЛТС открыли работы по компрессии методами вынужденного рассеяния импульсного лазерного излучения и возможности получения пикосекундных лазерных импульсов, способных конвертировать на мишени излучение до 1019 Вт/см2 и получить рентгеновское излучение с интенсивностью до 1015 Вт/см2 (С.Б. Паперный, В.Е. Яшин и др.).
Значительное место в работах лазерного отдела ГОИ уделялось созданию высокостабильных твердотельных лазеров, которые обеспечивали прогресс в области создания систем связи, локации и измерительных систем (В.И. Устюгов, А.А. Орлов и др.).
Широкомасштабные исследования проводились в лазерном отделе по газовым лазерам (фотодиссоционным, СО2- и СО-лазерам) под руководством И.М. Белоусовой, О.Б. Данилова и В.Е. Шерстобитова. Одновременно с экспериментальными исследованиями и разработками лазерных приборов и систем под руководством профессора Н.Н. Розанова широким фронтом велись теоретические исследования и численное моделирование оптических процессов в лазерах и системах на их основе, в том числе распространения лазерного излучения в средах (воде и атмосфере), что дало опорные предпосылки для оптимизации лазерных систем.
Важнейшим фактором являлось развитие лазерного направления в учебных учреждениях страны, прежде всего в ЛИТМО, МИФИ, МФТИ, ЛПИ и ЛЭТИ. Так, в ЛИТМО в 1970–1980 г.г. велась научная работа по созданию твердотельных лазеров высокой мощности, исследованию нелинейно-оптических свойств материалов квантовой электроники, созданию новых твердотельно-жидкостных лазерных активных сред на красителях. Эти работы проводились в тесном сотрудничестве как с академическими, так и с отраслевыми научно-исследовательскими институтами и предприятиями (Институт химии силикатов АН СССР, Институт общей физики АН СССР, Институт космических исследований, ГОИ им. С.И. Вавилова, ЛОМО и др.).
В 1984–1989 г.г. на кафедре квантовой электроники был разработан компактный лазерный излучатель с рекордными характеристиками для международного космического проекта по программе «Фобос». Данная программа положила начало широкому участию специалистов кафедры квантовой электроники в различных проектах по созданию разнообразных твердотельных лазерных излучателей с уникальными характеристиками.
Так, для применения в офтальмологии был разработан твердотельный лазер с длиной волны излучения 200 нм, совместно с австрийской компанией LMI для стоматологии была разработана трехволновая лазерная система «Оникс», для технологических применений – лазер высокой яркости на неодимовом стекле с энергий генерации более 15 кДж, для дальномеров – несколько типов импульсных лазерных излучателей.
В настоящее время кафедра носит название «Кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики», и одним из основных направлений исследований стали научные работы в области биомедицинских применений (стоматология, косметология, хирургия). В период 1988–2007 г.г. научно-учебную работу успешно и плодотворно осуществлял филиал кафедры в ГОИ им. С.И. Вавилова и Институте лазерной физики под руководством профессора А.А. Мака.
Мощные частотно-импульсные CO2 лазеры
Исследования по изучению взаимодействия импульсного излучения ФДЛ с веществом, а также успехи в области разработки CO2-лазеров привели к концу 70-х годов прошлого столетия к развитию идей создания импульсно-периодических лазеров со средней мощностью мегаваттного уровня. Разработку такого электроионизационного (ЭИ) CO2-лазера возглавило НПО «Астрофизика», созданное как головная организация страны по разработке лазерного оружия.
Под руководством В.К. Орлова и Н.В. Чебуркина на полигоне «Радуга» (И.С. Косминов) был в короткие сроки создан частотно- импульсный ЭИ CO2-лазер с энергией в импульсе 5–10 кДж и частотой следования импульсов 100– 150 Гц. В течение нескольких лет в НПО «Астрофизика» совместно с ГОИ им. С.И. Вавилова (лаборатория И.М. Белоусовой) были разработаны системы формирования и доставки мощного лазерного излучения по горизонтальной атмосферной трассе.
Впервые было продемонстрировано действие линейных адаптивных систем коррекции аберрации волнового фронта (ВФ) лазера и аберрации на атмосферной трассе до 4 км. Для коррекции динамических неоднородностей в мощном лазере была разработана и использована схема улучшения угловой расходимости на основе метода обращения волнового фронта, была достигнута дифракционная расходимость ЭИ CO2-лазера (лаб. В.Е. Шерстобитова).
Одновременно разрабатывались оптические системы формирования, локации, наведения мощного лазерного излучения на объекты (НПО «Астрофизика», ГОИ им. С.И. Вавилова (лаб. П.П. Захарова)). Лазерные программы в СССР координировал Научно-технический совет, возглавляемый академиками Н.Г. Басовым и Е.П. Велиховым, они находились под пристальным вниманием Правительства СССР, непосредственно Министра обороны СССР Д.Ф. Устинова и Министра оборонной промышленности С.А. Зверева.
Итак, обратив внимание к истории создания лазеров, мы видим, как человечество двигалось и двигается от миллиджоулей и милливатт первых лазеров к мегаджоулям и мегаваттам современных лазеров и гигаваттам будущих лазерных систем. Расширяются сферы применения лазеров. Область лазерной физики и техники неисчерпаема, хотя и, безусловно, усложняется.
Per aspera ad astra! Автор благодарит заведующего кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики, профессора В.Ю. Храмова за предоставленные материалы об истории кафедры.
По материалам:
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРОВ
Автор: И.М. Белоусова
К 95-летию ГОИ им. С.И. Вавилова
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики
Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 2 (90)