История создания лазера

Ламзер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или оптический квантовый генератор -- это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Вынужденное излучение - это генерация нового фотона при переходе квантовой системы из возбуждённого в стабильное состояние.

Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения.

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор (то есть линзу).

История изобретения лазера началась с некоторого предположения о том, что излучение может взаимодействовать с веществом особым образом. Эту идею в 1916 году высказал и теоретизировал Альберт Эйнштейн. Из его теории вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн. Однако, пока это была только теория, граничащая с фантастикой. Одиннадцатью годами позже, в 1927 году, Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина" описал устройство, созданное на основе теории Эйнштейна.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была предпринята только в 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В дальнейшем, в течении более 20 лет, в разных уголках мира в области индуцированного излучения велись многочисленные исследования, которые к 50-м годам ХХ века смогли создать необходимые предпосылки для фактического создания лазера. И вот, в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор - усилитель микроволн, использующий индуцированное излучение, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать работу над разработкой принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый в мире лазер, активной средой которого был использован кристалл искусственного рубина, а резонатор использовал серебряные зеркальные покрытия, нанесенные на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. Однако, начиная примерно с этого момента, началось бурное развитие лазерных технологий, которое не утихает и в наши дни. Каждый год появляются все новые виды лазеров, приспособленные для различных целей. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры.