Меню

Басов прохоров квантовый генератор

4. 3. 027 Мазер лазер Басова, Прохорова и Таунса

4.3.027 Мазер — лазер Басова, Прохорова и Таунса

В 1964 г. два русских профессора — А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и американский Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике — «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера — лазера».

Директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР (РАН), создатель школы физиков — Александр Михайлович Прохоров (1916—2002) занимался исследованиями в области радиофизики, физики ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электроники и ее приложений, линейной оптики.

Директор Физического института АН СССР, член Президиума АН СССР (РАН) — Николай Геннадьевич Басов (1922—2001) известен фундаментальными работами в области генераторов и усилителей, а также использования лазерной техники в термоядерном синтезе.

Прохоров и Басов — почетные члены многих зарубежных академий, лауреаты Ленинской и Государственной премий, пятикратные кавалеры орденов Ленина и других отечественных и зарубежных наград, дважды Герои Социалистического Труда.

Многие выпускники школ, успешно сдавшие ЕГЭ, при поступлении в вузы на вопрос «Кто изобрел лазеры?» отвечают: «Лазер». Про мазеры после этого у них не спрашивают, т.к. английский сегодняшние школяры знают лучше физики и уж тут-то точно скажут: «Мать». А ведь квантовый генератор — из разряда изобретений, что и космическая ракета или радио.

Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером — лазером» — прослеживается прямая связь.

Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шабаловке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя — «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей «гиперболоида инженера Гарина» (академик Л.А. Арцимович).

Мазер — это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом.

Лазер, соответственно, — «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».

В основе работы лазера лежит принцип индуцированного излучения, изучением которого в начале XX в. занимался А. Эйнштейн. Высказав гипотезу о том, что энергия света состоит из квантов, которые испускаются атомами и атомными системами при их переходах из одного энергетического состояния в другое, ученый показал, что можно согласовать вспышки излучения отдельных атомов, воздействуя на них внешним электромагнитным излучением, которое может сопровождаться при этом ослепительно яркой вспышкой монохроматического (т.е. одной длины волны) света.

В 1920 г. немецкий физик О. Штерн ввел в экспериментальную физику метод молекулярных пучков. Тогда же были разработаны теоретические представления о процессах излучения и поглощения света.

В 1939 г. советский ученый В.А. Фабрикант развил понятие вынужденного излучения, чем заложил фундамент для создания лазера.

Во время Второй мировой войны в связи с проблемами радиолокации развилась техника сверхвысоких радиочастот.

Объединение научных идей с широким использованием волн сверхвысокочастотного диапазона привело к построению теории излучения и поглощения света, созданию первого лазера и к основанию квантовой электроники как новой физической науки.

В середине 1950-х гг. профессор А.М. Прохоров и его ученик Н.Г. Басов приступили к исследованию молекулярного генератора на пучках аммиака. Ученым впервые удалось создать квантовый генератор, работающий на энергетических переходах в радиодиапазоне в молекулярных пучках. Им стал аммиачный мазер. К мазеру «в довесок» была создана и теория усилителя радиоизлучения. Так родилась квантовая электроника.

Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. После завершения работ по мазерам возник вопрос о создании лазеров оптического диапазона.

Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 г. Басовым и Прохоровым метод трех уровней, позволивший использовать для этой цели оптическую накачку.

На этой основе в 1957—1958 гг. Г.Э. Сковилом и др. были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (на рубине), работавшие в радиодиапазоне — первый т.н. твердотельный лазер.

Затем были созданы газовые лазеры на смеси изотопов гелия и неона, на углекислом газе, аргоновые, кадмиевые, эксимерные, полупроводниковые, инжекционные, на молекулах органических красителей и т.д.

Под «накачкой» понимают пропускание через лазер энергии извне. Смысл лазерного луча в том, что этот свет обладает некоей согласованностью (когерентностью), позволяющей энергию «сжать в точку» (т.н. талию луча) несравненно сильнее, нежели в луче от обычного источника света.

Кроме того лазер может излучать свет гораздо более короткими импульсами, чем обычные источники света. В лазерном луче при этом достигается колоссальная плотность энергии, соизмеримая с взрывом авиационной бомбы. Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лазерным лучом можно разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла.

В 1964 г Прохорову, Басову и Ч. Таунсу, занимавшемуся этой же проблемой независимо от советских ученых, была присуждена Нобелевская премия по физике.

Вскоре после этого астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры, т.е. в лабораторных условиях Земли были воссозданы условия для генерации, которые возникают в огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, где источником накачки служит космическое излучение.

О применении квантовой электроники, и в частности, лазеров, можно говорить долго.

Радиоастрономия; космическая связь (исследование поверхности Луны, навигационное оборудование на ИСЗ, космических кораблях и пр.); медицина (хирургия, офтальмология и др.); технология (сварка, резка и т.д.); метрология (квантовые стандарты частоты и времени, лазерные дальномеры, системы дистанционного химического анализа, лазерной локации); измерительная техника (оптическая локации, сверхточные измерения расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений и т.д.).

Создание и управление высокотемпературной плазмой; лазерная спектроскопия, фотохимия, фитобиология, лазерная очистка, лазерное разделение изотопов; создание систем оптической связи и обработки информации.

Осуществление идеи голографии и голографических приборов; лазерные методы контроля состояния атмосферы, качества изделий; системы лазерной связи (наземные, подводные, космические).

Очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции…

Лазеры с каждым днем все более востребованы в науке и народном хозяйстве России, так же как все более актуальными становятся слова академика А.М. Прохорова, сказанные им в одном из последних своих интервью.

«— Как вы думаете, недавняя Нобелевская премия Ж.И. Алферову поможет изменить ситуацию с наукой в стране?

Источник

Басов прохоров квантовый генератор

В 1934 году в северной столице Александр окончил с золотой медалью среднюю школу. После чего он поступил на физический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ). И университет Александр также оканчивает в 1939 году с отличием. Диплом с отличием давал право немедленного поступления в аспирантуру, и Прохоров сразу же этим воспользовался, став аспирантом Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве. Здесь молодой ученый занялся исследованием процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Им был предложен оригинальный способ изучения ионосферы с помощью радиоинтерференционного метода.

В 1941 году Прохоров женился на Галине Алексеевне Шелепиной, географе по специальности, и у них родился сын.

С самого начала Отечественной войны Прохоров в рядах действующей армии. Воевал в пехоте, в разведке, отмечен боевыми наградами, был дважды ранен. Демобилизовавшись в 1944 году, после второго тяжелого ранения, он возвратился к прерванной войной научной работе в ФИАНе. Прохоров занялся актуальными в то время исследованиями по теории нелинейных колебаний. Эти работы и легли в основу его кандидатской диссертации. За создание теории стабилизации частоты лампового генератора в 1948 году ему была присуждена премия имени академика Л.И. Мандельштама.

В 1947 году в ФИАНе был пущен синхротрон – устройство, в котором заряженные частицы двигаются по расширяющимся циклическим орбитам. С помощью синхротрона в 1948 году Александр Михайлович начинает исследование природы и характера электромагнитного излучения, испускаемого в циклических ускорителях заряженных частиц. В очень короткий срок ему удается провести большую серию успешных экспериментов по изучению когерентных свойств магнито-тормозного излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле в синхротроне – синхротронного излучения.

В результате проведенных исследований Прохоров доказал, что синхротронное излучение может быть использовано в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн, определил основные характеристики и уровень мощности источника, предложил метод определения размеров электронных сгустков.

Эта классическая работа открыла целое направление исследований. Ее результаты были оформлены в виде докторской диссертации, успешно защищенной Александром Михайловичем в 1951 году. В 1950 году Прохоров начал работы в совершенно новом направлении физики – радиоспектроскопии.

В спектроскопии тогда осваивался новый диапазон длин волн – сантиметровых и миллиметровых. В этот диапазон попадали вращательные и некоторые колебательные спектры молекул. Это открывало совершенно новые возможности в исследовании фундаментальных вопросов строения молекул. Богатый экспериментальный и теоретический опыт Прохорова в области теорий колебаний, радиотехники и радиофизики как нельзя лучше подходил для освоения этой новой области.

При поддержке академика Д.В. Скобельцына в минимально возможные сроки вместе с группой молодых сотрудников лаборатории колебаний Прохоров создал отечественную школу радиоспектроскопии, быстро завоевавшую передовые позиции в мировой науке. Одним из этих молодых сотрудников был выпускник Московского инженерно-физического института Николай Геннадьевич Басов.

Басов родился 14 декабря 1922 года в городе Усмань Воронежской губернии, в семье Геннадия Федоровича Басова, впоследствии профессора Воронежского университета.

Окончание школы Басовым совпало с началом Великой Отечественной войны. В 1941 году Николая призвали в армию. Он был направлен в Куйбышевскую военно-медицинскую академию. Через год его перевели в Киевское военно-медицинское училище.

Начиная с 1943 года Николай в действующей армии. Впоследствии он вспоминал: «Случай у меня такой был. Значит, копают землянки солдаты. Работа тяжелая, и у одного солдатика случился аппендицит. Его надо резать, я всего один раз видел, как профессор удалял аппендикс, я ему чуть-чуть ассистировал, подавал разные инструменты. Я поставил четырех солдат, которые держали простыню сверху – с наката землянки сыпались грязь и песок. Дал полстакана спирта вместо наркоза и сделал операцию. Кстати, этот паренек жив до сих пор».

В 1946 году Николай поступил в Московский инженерно-физический институт, известный своей великолепной школой теоретической физики. По окончании института в 1950 году он поступил в его аспирантуру на кафедру теоретической физики. В том же году Басов женился на Ксении Тихоновне Назаровой, физике из МИФИ. У них родились два сына.

С 1949 года Николай Геннадиевич работает в Физическом институте АН СССР. Его первая должность – инженер лаборатории колебаний, возглавляемой академиком М.А. Леонтовичем. Затем он стал младшим научным сотрудником той же лаборатории. В те годы группа молодых физиков под руководством Прохорова начала исследования на новом научном направлении – молекулярной спектроскопии. Тогда же началось плодотворное содружество Басова и Прохорова, приведшее к основополагающим работам в области квантовой электроники.

Прохоров вспоминал: «Для нас все начиналось с радиоспектроскопии молекул, которой я сам активно занимался в ФИАНе с 1951 года. Николай Басов стал в то время одним из первых и ближайших моих сотрудников. С ним меня связывают около десяти лет напряженной и плодотворной совместной работы, закончившейся созданием в Лаборатории колебаний ФИАНа молекулярного генератора на пучке молекул аммиака».

Читайте также:  Как прозванивать генератор мопеда

В 1952 году Прохоров и Басов выступили с первыми результатами теоретического анализа эффектов усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, в дальнейшем ими была исследована физика этих процессов.

Разработав целый ряд радиоспектроскопов нового типа, лаборатория Прохорова начала получать очень богатую спектроскопическую информацию по разделению структур, дипольных моментов и силовых постоянных молекул, моментов ядер и т д.

Анализируя предельную точность микроволновых молекулярных стандартов частоты, которая определяется в первую очередь шириной молекулярной линии поглощения, Прохоров и Басов предложили использовать эффект резкого сужения линии в молекулярных пучках.

«Однако переход к молекулярным пучкам, – пишут И.Г. Бебих и В.С. Семенова, – решая проблему ширины линии, создавал новую трудность – резко снижалась интенсивность линии поглощения из-за низкой общей плотности молекул в пучке. Сигнал поглощения есть результат индуцированных переходов между двумя энергетическими состояниями молекул с поглощением кванта при переходе с нижнего уровня на верхний (индуцированное, вынужденное поглощение) и с испусканием кванта при переходе с верхнего уровня вниз (индуцированное, вынужденное излучение). Следовательно, он пропорционален разности заселенностей нижнего и верхнего энергетических уровней изучаемого квантового перехода молекул. Для двух уровней, отстоящих на энергетическом расстоянии, равном кванту СВЧ-излучения, эта разность населенностей составляет лишь малую часть от общей плотности частиц в силу термического заселения уровней в равновесном состоянии при обычных температурах согласно распределению Больцмана. Тогда-то и была предложена идея о том, что, изменяя искусственно населенности уровней в молекулярном пучке, т е. создавая неравновесные условия (или как бы свою «температуру», определяющую населенность этих уровней), можно существенно изменить интенсивность линии поглощения. Если резко снизить число молекул на верхнем рабочем уровне, отсортировывая из пучка такие частицы, например, с помощью неоднородного электрического поля, то интенсивность линии поглощения возрастает. В пучке как бы создана сверхнизкая температура. Если же таким способом убрать молекулы с нижнего рабочего уровня, то в системе будет наблюдаться усиление за счет индуцированного излучения. Если усиление превышает потери, то система самовозбуждается на частоте, которая определяется по-прежнему частотой данного квантового перехода молекулы. В молекулярном же пучке будет осуществлена инверсия населенностей, т е. создана как бы отрицательная температура. Так возникла идея молекулярного генератора, изложенная в хорошо известном цикле классических совместных работ А.М. Прохорова и Н.Г. Басова 1952–1955 годов.

Отсюда начала свое развитие квантовая электроника – одна из самых плодотворных и наиболее быстро развившихся областей современной науки и техники.

По существу, главный, принципиальный шаг в создании квантовых генераторов состоял в том, чтобы приготовить неравновесную излучающую квантовую систему с инверсией населенностей (с отрицательной температурой) и поместить ее в колебательную систему с положительной обратной связью – объемный резонатор. Его могли и должны были сделать ученые, объединившие в себе опыт изучения квантовомеханических систем и радиофизическую культуру. Дальнейшее распространение этих принципов на оптический и другие диапазоны было неизбежно».

Принципиальным было предложение Прохорова и Басова о новом методе получения инверсии населенностей в трехуровневых (и более сложных) системах с помощью насыщения одного из переходов под действием мощного вспомогательного излучения. Это так называемый метод трех уровней, получивший позднее также название метода оптической накачки.

Именно он позволил в 1958 году Фабри-Перо сформировать реальную научную основу для освоения других диапазонов. Этим успешно воспользовался в 1960 году Т. Мэйман при создании первого лазера на рубине.

Еще в период работы над молекулярными генераторами Басов пришел к идее о возможности распространения принципов и методов квантовой радиофизики на оптический диапазон частот. Начиная с 1957 года он занимался поиском путей создания оптических квантовых генераторов – лазеров.

В 1959 году Басовым совместно с Б.М. Вулом и Ю.М. Поповым была подготовлена работа «Квантово-механические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний». В ней предлагалось использовать для создания лазера инверсную заселенность в полупроводниках, получаемую в импульсном электрическом поле.

Независимо от Басова и по той же тематике работал и американский физик Чарлз Хард Таунс в Колумбийском университете. Он назвал свое творение мазером. Таунс предложил заполнить резонансную полость возбужденными молекулами аммиака. Это дало невероятное усиление микроволн с частотой в 24000 мегагерц.

В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс стали лауреатами Нобелевской премии, которой они были удостоены за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

Таунс писал в своей статье «Космические мазеры и лазеры»: «Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в СССР и автор этих строк в США были первыми, кто предпринял серьезные попытки разработать устройство для получения усиления при вынужденном излучении, т е. создать приборы, в наше время получившие наименование мазеров и лазеров. Их идеи и разработки в области квантовой электроники сыграли решающую роль в развитии этой области как в науке, так и в технике. Однако как выяснилось в дальнейшем, обнаружить эти явления можно было и вне Земли, поскольку они имели место на космических объектах в течение миллионов и миллионов лет».

На этом плодотворная совместная работа Басова и Прохорова не закончилась. Они разработали лазеры различных типов, включая мощные короткоимпульсные и многоканальные. Басов не только занимался фундаментальными исследованиями в области генераторов и усилителей, но и теоретически обосновывал использование лазерной техники в термоядерном синтезе.

Среди научных трудов Басова есть посвященные оптическим свойствам полупроводников и сверхпроводимости, молекулярной плазме и синхротронному излучению, космическим лучам, пульсирующим нейтронам и даже проблемам общей теории относительности.

С 1978 по 1990 год Басов был председателем правления Всесоюзного общества «Знание». В 1977 году он был удостоен Золотой медали им. А. Вольта. В 1989 году Басов получил Государственную премию СССР, а еще через год – Золотую медаль им. М.В. Ломоносова.

Прохоров в 1957 году стал профессором МГУ.

Александр Михайлович – один из основоположников целого ряда направлений современной науки и техники, таких как лазерная физика, радиоспектроскопия, квантовая электроника, волоконная оптика, лазерная техника и технология, прикладное использование лазеров в медицине, биологии, промышленности, связи.

С момента образования Института общей физики РАН он был бессменным директором и родоначальником одной из крупнейших в России научных школ. Прохорова избрали президентом Академии естественных наук.

В 1982 году Александр Михайлович создал и возглавил Международный журнал «Лазерная физика». В течение более чем тридцати лет он был главным редактором Большой Советской (ныне Российской) энциклопедии. С 1997 года Александр Михайлович руководил многонациональным проектом «Балтийская Кремниевая Долина».

Н.Г. Басов умер 1 июля 2001 года, А.М. Прохоров – 8 января 2002 года. Всю жизнь они были рядом, и их могилы тоже рядом – в Москве на Новодевичьем кладбище.

Источник Лазер родился здесь, в Физическом институте.
Страна чествует важную юбилейную дату в российской науке: 50 лет лазеру. Редакция портала РАН попросила рассказать об истории лазера и его приложениях известного специалиста в области физики плазмы и лазеров, разработки термоядерного синтеза академика О.Н.Крохина.

Олег Николаевич, мы все можем гордиться, что у истоков лазерной физики, наряду с американскими коллегами стояли и наши замечательные физики. Расскажите немного об этом.

Олег КРОХИН: Лазер — удивительное, чрезвычайно нужное человечеству открытие, в которое внес большой вклад Физический институт им. П.Н.Лебедева (ФИАН). Общеизвестно, что в 1960 году американский физик Теодор Мейман впервые показал, как из торца цилиндрического кристалла искусственного рубина вырывается тонкий луч света, т.е. он по праву считается создателем лазера. Но этой демонстрации Меймана предшествовали интенсивные научные исследования физиков — как советских, так и американских, на которые он опирался. И именно здесь, в Физическом институте им. П.Н.Лебедева родилась квантовая электроника, а потом из радиодиапазона, из миллиметровых волн ученые перешли в область лазерных частот.

Лично я в проблеме лазера работаю с 1959 года, т.е. уже больше 50 лет и непосредственно являюсь учеником академика, лауреата Нобелевской премии по физике (1964 г.) Н.Г.Басова. Николай Геннадьевич в 1948 году начал работать в ФИАНе лаборантом, в 1963 году он организовал в институте Лабораторию квантовой радиофизики, а с 1973 по 1989 годы был директором ФИАНа. Я проработал с Николаем Геннадьевичем практически всю свою жизнь — с 1959 года вплоть до его смерти в 2001 году.

Говоря о лазерах, не могу, конечно, не назвать имя и другого выдающегося физика, одного из основоположников квантовой электроники, одного из изобретателей лазерных технологий, лауреата Нобелевской премии по физике (1964 год — совместно с Н.Г. Басовым и Чарлзом Таунсом) академика А.М.Прохорова. И Николай Геннадьевич Басов, и Александр Михайлович Прохоров — оба работали в Физическом институте, т.е. находились, образно говоря, в «шаговой доступности» друг от друга, вели общие семинары, их коллективы были, как бы, одной, интенсивно работающей научной семьей.

Больше мне довелось работать с Николаем Геннадьевичем Басовым. Это была совершенно удивительная личность и исключительно креативная натура. Он был богат идеями, которые постоянно рождались в его голове. Обычно, знаете, если есть идея, то еще вопрос — есть ли вероятность ее реализации. У Николая Геннадьевича эта вероятность была примерно десять процентов — то, что реально шло в дело. Я считаю, что для научной идеи, которая рождает крупные научно-технические приложения, революционизирует жизнь — это огромный коэффициент: из десяти идей одна была реализована!

Скажу об одном его предвидении. В 1961 году, т.е. фактически сразу после создания лазера, Николая Геннадьевича попросили сделать доклад на заседании Президиума Академии наук о лазерах и о перспективах этого направления. И, выступая, он сказал, что информационная емкость канала связи на оптическом диапазоне — т.е. на лазерном излучении — в скором времени будет настолько гигантской, что можно будет весь мир охватить такой информационной сетью и все 6 миллиардов населения планеты смогут связаться друг с другом по телефону или другим способом. И это было сказано 50 лет назад! Честно говоря, мы тогда еще не представляли себе, как можно создать такое чудо — передавать сигналы, т.е. информацию по лазерному лучу. Ну, пытались мы предположить — еще в космосе, допустим, можно видеть друг друга и передавать сигналы, а как это осуществлять в условиях Земли? Это была фантастика!

Однако предвидение сбылось. Действительно, позже возникла возможность создавать тонкие стеклянные волокна, размером примерно сто микрон в диаметре, включая оболочку, которые практически не поглощают лазерного излучения. Т.е. сигнал можно передавать на большие расстояния — сейчас мы называем это «оптоволоконными линиями связи». Это — телевидение, это Интернет: пожалуйста, любую библиотеку, печатную или видео- продукцию, любые художественные произведения — передавайте в другую точку планеты. Конечно — чудо! Думаю, даже одного этого достижения — создания всемирной паутины Интернет — уже достаточно, чтобы оценить значение лазера для человечества.

Общественность, похоже, даже в неведении относительно того, как широко применяется лазер.

ОК: Технологий, где применяется лазерное излучение — масса. Скажем, сегодня сильно развилась электроника — в ней все миниатюрное, это область почти нанотехнологий (модное слово), приходится иметь дело с размерами деталей, например, одна десятитысячная сантиметра — и все эти детали, однако, надо полировать, шлифовать, отрезать, спаивать, сваривать. И для подобных технологических процессов, связанных с обработкой элементов микросхем, полупроводников успешно применяются лазерные установки. Кстати, у нас подобные заказы есть — мы специально делаем лазерные установки для оснащения технологических линий.

Читайте также:  Работа генератора с перегрузкой

Без лазеров нельзя и в современном военном деле. Американцы, к примеру, работают над высокоточным оружием, впрочем, у нас в этой области работают люди тоже неглупые. Высокоточное оружие — сейчас один из наиболее востребованных видов вооружений. Речь идет не только о снарядах и бомбах, но и гораздо более крупных по объему и весу изделиях. И уж, конечно, мы в этой области никак не должны отставать.

Расскажите о какой-нибудь новинке в лазерной технике.

ОК: Вот пример новинки. Если вы смотрите на звезду в телескоп с поверхности Земли, т.е. через атмосферу, то у вас все дрожит и размазывается по большому пятну, потому что атмосфера все время дышит. Если плотность атмосферы увеличивается, значит, уменьшается скорость распространения света, и наоборот. Все эти увеличения-уменьшения — очень маленькие величины. Но, тем не менее: если у вас пучок 50 сантиметров шириной, и с одного его конца часть пространства, где расположен воздух, имеет большую плотность, а с другого — чуть меньшую, значит, одна часть пучка будет отставать, а другая пойдет вперед. Волна начинает перекашиваться, как бы ломается — это называется рассеянием. Это рассеяние и не дает возможность разглядеть звезду: единое поле излучения как бы разорвано на отдельные куски, каждый из которых ведет себя по-своему.

Так вот: сейчас освоена особая технология управления зеркалами. На зеркало приходит разорванный пучок, но вы теперь можете компенсировать те искажения, которые привнесла атмосфера. Сделано так, что поверхность зеркала гнется, чтобы при отражении свет имел хорошую плоскую волну. Получается: атмосфера есть, но с оптической точки зрения — ее нет. У лазера здесь — тестовая задача для зеркала, а второе его применение — вы можете отправлять свет с очень малой расходимостью на большие расстояния. До чистоты разрешения, которую дает телескоп на спутнике — Хаббл, пока не дошли, но это произойдет. Уже улучшили коэффициент уменьшения угла рассеивания по сравнению с атмосферой примерно в десять раз, что очень много, хотя надо бы поджать еще раз в десять.

То, что лазер применяется в медицине, об этом знают даже далекие от науки люди. Расскажите, как все начиналось?

ОК: В 1972 году мы вместе с хирургами заинтересовались возможностями эндоскопических лазерных операций — сегодня они известны, а то было самое-самое начало. Лазеры в хирургических операциях уже применялись, правда, очень ограничено, на глазе: поскольку глаз прозрачный, то можно внутрь его запустить излучение и приварить сетчатку, если она отслоилась, или пробить отверстие в тканях при повышенном давлении (глаукоме). Профессор, а ныне член-корреспондент РАМН Юрий Михайлович Панцирев (он работает во Втором московском медицинском институте), поставил перед нами вопрос об использовании эндоскопа, который в то время только-только появился. Эндоскоп через пищевод пропускается в желудок и позволяет лечить различного рода заболевания, в первую очередь язву.

Идея хорошая, но для ее воплощения потребовалось около четырех лет, изучали: как действует излучение на слизистую желудка, какую подобрать длину волны излучения, как подвести туда свет, т.е. надо было специально создавать канал — то же самое оптическое волокно, которое используется для связи, но других размеров, другой эластичности и т.д. Вот так, в 1976 году мы вместе с медиками разработали метод коагуляции кровотечений — это было осуществлено впервые в мире. Кстати, пока шли исследования, сотрудники лаборатории Николая Геннадьевича Басова по ночам ждали срочных звонков, потому что обычно массивные желудочные кровотечения требуют экстренного вмешательства. За ними приезжали машины скорой помощи и срочно вывозили в операционную больницы. Кстати, у нашего соседа, Института общей физики им. А.М.Прохорова и сегодня очень хорошо развита тематика — применение лазерной техники в медицине.

Расскажите, пожалуйста, о чем-то таком, что является предметом особой гордости физиков ФИАНа в области лазерной физики.

ОК: Мы можем похвалиться и гордимся тем, что являемся авторами так называемых полупроводниковых лазеров. Николай Геннадьевич еще с 1958-го года серьезно размышлял — как можно из полупроводника сделать лазер. И в 1961-м мы опубликовали первую статью, предложив схему, похожую на транзистор (надеюсь, читатели знают, что это такое), но только наша схема работает не на принципе электрического тока, а использует преобразование электрического тока напрямую в свет.

Тут мне придется чуть-чуть углубиться в физику явлений. Как известно, чтобы получить лазерную энергию, сначала нужно туда энергию поставить. В чем заключается наиболее широко распространенный метод? — Очень мощным (как мы говорим — некогерентным) тепловым излучением, т.е. ламповыми вспышками — заставляем возбуждаться (т.е. запасать энергию) атомы или ионы тех или иных элементов, находящихся в прозрачной матрице, как в рубин. Рубин — это просто так называемый корунд, Al2O3 — окись алюминия, но только закристаллизованный, т.е. один упорядоченный кристалл, прозрачный и очень прочный. Если в него добавить примерно три сотых процента (по количеству атомов) хрома, т.е. один на 300, то этот хром как раз и является элементом, который запасает световую энергию в себя. Дальше как раз и начинается та самая генерация — за счет того, что между двумя зеркалами, куда помещен кристалл, начинает бегать свет.

А в полупроводнике — единственный уникальный случай — вы электрическим полем электрон просто взяли и подняли на верхний уровень — возбудили. Это делается в специальных структурах типа транзисторов. Вот это-то мы и сообразили: можно сделать так, что вы не тратите энергию ни на что, просто берете электрон из одного места, а сажаете в другое.

Такой способ дает очень высокий кпд преобразования электричества в свет, т.е. теоретически он равен единице, но реально где-то 70%. Это означает, что при очень маленьком, ничтожном расстоянии между зеркалами свет уже достаточно усилится, чтобы компенсировать все потери, т.е. начинает работать как генератор.

Полупроводниковые лазеры очень маленькие: в длину от полмиллиметра и до трех миллиметров (максимум, что мы сейчас способны выращивать хорошего качества). Кристалл — это брусочек: скажем, три миллиметра в длину и примерно миллиметр в ширину и в высоту. А активно работает в нем лишь узенькая пленочка, не больше микрона толщиной, где переносятся электроны. И, представьте, эта «булавочная головка» излучает до 20 ватт. Что такое 20 ватт в свете? Сопоставим: кпд обычной лампочки составляет 5% процентов, следовательно, эквивалентную мощность лампочки мы получим, умножив на 20. Получаем 400 ватт — горячий и слепящий прожектор, не подойдешь. Уличные фонари — имеют примерно 250 ватт. А у нас всего-то «булавочная головка» — фантастика, конечно!

Разумеется, это сразу нашло колоссальное применение. Т.е. по количеству выпускаемой продукции полупроводниковые лазеры сегодня занимают более 90 % всей лазерной продукции, а в денежном выражении (поскольку они маленькие и дешевые) — около 70% рынка продукции квантовой электроники.

Родилась новая идея применения полупроводниковых лазеров. В отличие от лампы, которая не дает высокого кпд и светит во все стороны, не дает нужный спектральный состав, можно применить для возбуждения лазерных кристаллов полупроводник — лазер, который вы поставили в торец кристалла и он со своим 70%-м кпд загоняет туда свет, который используется для возбуждения, вы используете его весь, поскольку он хорошо направлен, у него очень узкий диапазон частот, спектр, как мы говорим, цвет очень чистый (скажем, для рубина — зеленый). Поэтому теперь эти технологические лазеры на основе кристаллических или стеклянных сред делаются двухступенчатыми: сначала ток тратится на генерацию полупроводникового лазера, потом генерация полупроводникового лазера дает окончательный каскад. И тогда вы можете просто просуммировать — у вас есть 20 ватт, а вам хочется иметь киловатт, т.е. в 50 раз больше — ставьте 50 этих лазерных диодов, места достаточно, поскольку они маленькие, и, к тому же, их можно ставить на большом расстоянии, потому что они хорошей направленности.

Полупроводниковые лазеры и обеспечивают нам Интернет. Оптические волокна обеспечивают передачу излучения на большие расстояния практически без поглощения. Разумеется, однако, как бы мало энергии не поглощалось, все равно, если, например, у нас трансатлантическая линия в десять тысяч километров, то каждые двести километров нужно вести усиление. Следовательно, казалось бы, нужны колоссальные источники питания и их, соответственно, надо параллельно тянуть с передающей линией те же десять тысяч километров. Вот тут-то и выручают полупроводниковые лазеры. В оптоволокно можно их местами врезать, т.е. усиление может быть сделано с помощью таких же волокон, но только начиненных активными ионами, которые будут поглощать свет, а свет будет поступать через диодные лазеры.

Другой пример. Волоконные лазеры имеют колоссальный кпд и удивительные характеристики — скажем, 10 киловатт. Чайник электрический — это 1,5 киловатта. 10 киловатт — в свете! — а если перевести на кпд в сопоставлении с обычной лампой, то вообще страшно сказать — в 20 раз выше. И при этом размер — всего 100 микрон в диаметре. Иголка! Ну, фантастика, конечно.

Институт радиотехники и электроники РАН (ИРЭ) и НТО «ИРЭ-Полюс» создали IPG Photonics — международную группу компаний, которую возглавляет российский физик Валентин Павлович Гапонцев, очень инициативный человек. Уже есть филиалы в Германии и в США. Так вот, компания IPG Photonics сейчас является лидером в мире по созданию таких волоконных лазеров. По американским рейтингам эта компания три-четыре года назад стоила более трех миллиардов долларов. Компания не покупает полупроводниковые лазеры на рынке, а сама создала их производство. И продукция идет нарасхват! В частности, в автомобильную промышленность — для автоматов сварки.

Что, можно лазером делать сварку?

ОК: Я сам видел в Германии отработку сварки крутящимися роботами автомобильных дверей из алюминия. Лазерная сварка — потрясающее изобретение!

Полупроводниковые лазеры сделали революцию в технологии обработки материалов. По сравнению с другими способами лазерная обработка имеет колоссальное преимущество в том, что дает очень защищенные от окисления, аккуратные, прочные, бездефектные швы.

Пять лет назад я был в лазерном центре в Ганновере, мне показали очень интересные вещи, например, технологию сварки фюзеляжей самолетов. Если перейти от болтов или заклепок к такой технологии, то сразу выкидывается несколько тонн веса. Конечно, весь самолет нельзя сварить, потому что конструкция летательного аппарата обязательно должна быть эластичной, она должна «играть». Поэтому полностью от сборки с заклепками и болтами по технологическим причинам отказываться нельзя. Но, тем не менее, у сварки фюзеляжей большие перспективы.

Полупроводниковый лазер рождает и различные технологии резки. Вот один из удивительных примеров. При уничтожении артиллерийских снарядов (часто исполняемая операция) процесс утилизации осуществляется, как правило, с помощью взрывов. Но, оказывается, лазер может просто разрезать снаряд, как ножом, и при этом снаряд не взрывается, потому что там тепловое действие и резка не переходит в «быстрый взрыв», который мы называем детонацией.

Расскажите о направлении вашего личного научного интереса в лазерной тематике.

ОК: Это использование лазера в термоядерном синтезе. Эта идея появилась у Николая Геннадьевича Басова через три года после открытия первого лазера и через год после того, как в 1962 году удалось реализовать импульсный режим работы лазера.

Читайте также:  Ремонт генераторов чери тигго

Раньше продолжительность работы лазера Теодора Меймана на рубине было обусловлено исключительно тем, сколько могла работать лампа, дающая энергию в этот кристалл рубина (точнее, я уже говорил — в ионы хрома, которые расположены в кристалле рубина). Когда лампа гасла, импульс, естественно, затухал. Но в 1962 году двум американцем из компании Hughes Corporation, той самой, где работал Теодор Мейман, пришла отличная идея: сначала накопить в кристалле эту энергию, а потом сделать так, чтобы она выходила. Мы называем это — модуляция добротности, т.е. включение отражения зеркал. Зеркала обязательно должны быть в лазере, потому что обеспечивают многократное прохождение излучения через кристалл туда-обратно. Сначала коэффициент отражения равен нулю — вы в это время энергию накапливаете, у вас нет лазерной генерации. Потом вы мгновенно включаете отражение, он становится близким к единице. Конечно, этот быстрый электрооптический процесс делается не руками — время включения составляет одну миллиардную долю секунды. Лазер оказывается очень сильно перевозбужден, имеет колоссальный коэффициент усиления, свет начинает между зеркалами бегать и импульс получается очень короткий. Мы, физики, говорим, что это — накопитель энергии. Если в известном всем простейшем накопителе энергии — конденсаторе — накапливается электрический заряд, то здесь накапливается возбужденное состояние атомов, которое потом выходит в свет.

Мы с Николаем Геннадьевичем сразу прикинули — какова же мощность? Она оказалась гигантская: составляла порядка 1011 ватт. Если вы такой мощностью светите на любое вещество, оно испаряется мгновенно, без плавлений — называется сублимация процесса: атомы послойно вылетают под действием этого света. А если вы лазерное излучение сфокусируете — именно этим блестящим свойством оно обладает — то, скажем, на 1 кв. миллиметр у вас придется уже 1013 ватт. Для иллюстрации скажу, что 1013 — это мощность всех электростанций мира. Плотность энергии, ее концентрация оказывается огромной.

Тогда мы сообразили, что это можно использовать для получения плазмы изотопов водорода, в которой можно увидеть термоядерную реакцию. Этот термояд сразу стал популярным, появилось много исследователей в разных странах мира.

Тут надо пояснить: есть альтернативный способ добывания термоядерной энергии — когда вы эту горячую плазму держите непрерывно. Что такое плазма? Если от водорода оторван электрон, остается положительный заряд — протон. Такая смесь свободных электронов с положительным зарядом называем плазмой, а температура определяется скоростью движения в соответствии с простыми законами физики. Так вот, непрерывный термояд базируется на том, что эту горячую плазму надо как-то удержать и держат ее в магнитном поле. Плазма обладает таким свойством, что электрон не может пройти через плазму, он закручивается. Ну, там не так все просто оказалось, появились некие неустойчивости, с которыми надо бороться, это направление развивается в мире, я сейчас не хочу эту тему развивать — это «отдельная песня».

А второе направление — импульсное, т.е. фактически микровзрывы. Это как раз то, чем мы занялись. И сейчас пока не получено, как мы говорим, зажигания таким способом. До 1980-го года мы с трудом, но продолжали исследования, тогда был наш приоритет в мире, мы первые получили нейтроны, первые с помощью лазерного излучения сжали вещество, состоящее из водорода, мы строили большие установки. А дальше пошла стагнация в советской экономике, что сказалось на дальнейшем развитии наших работ, потому что они очень-очень дорогие. К счастью, в середине 70-х годов эту проблему подхватил и начал развивать (тоже не без трудностей) знаменитый ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики в Сарове, с которым мы очень тесно работали еще с 60-х годов.

А американцы начали в 1972 году, вложили огромнейшие деньги, создали крупнейшую установку, которая называется Национальная установка по зажиганию термоядерной реакции. И обещали в этом году сделать «положительный выход», т.е. вложить туда одну единицу энергии, а оттуда должно выйти с десяток единиц — как усиление по энергии. Правда, у них тоже появились трудности и сейчас они смещают срок на вторую половину следующего года. Пожелаем им удачи. Мы же сейчас находимся в положении страны, которая пытается их догнать.

Разрешите, процитирую высказывание Е.А.Федорова, председателя комитета по экономической политике и предпринимательству Госдумы РФ. Он сказал, что инвестировать в науку в нашей стране — все равно, что наливать воду в дырявое ведро; большая часть того, что мы наливаем, автоматически уходит на подпитку других стран.

ОК: Я бы ему ответил: сначала заштопайте ведро, а дальше — дайте денег, российской науке не хватает денежных ресурсов. Почему?

Ответ не так однозначен. Десять лет назад экономическая ситуация была хуже, но тогда мы имели гораздо больше качественных научных работников. А нынешние, десятые годы для всей российской науки являются провальными: старое поколение интенсивно уходит, потом провал за счет эмигрировавших и дальше идет молодежь, которая пока что не научилась, их надо учить и учить.

Я сам скоро полвека как преподаю в МИФИ, знаю — есть очень много хороших ребят, которые хотят работать в науке. Но работать практически не на чем! Первое — нам нужно оборудование! Вот какую дыру надо штопать. Современные технологии — тончайшие по своему уровню. Пример: если вы хотите делать полупроводниковый лазер, то в помещении, где ваше рабочее место, должно быть не более 10 пылинок в кубическом метре. В нашем институте есть одна установка, которая обеспечивает такую чистоту.

Допустим, высшие властные инстанции решили поддержать лазерную физику — сколько нужно выделить денег? Не надо считать, цифра известна — мы знаем, сколько на Западе стоит университетская наука.

ОК: Извините, это тот же кусок хлеба, он везде должен одинаково стоить. Кстати, он одинаково и стоит. Осенью прошлого года я был с визитом в Национальном Университете Сингапура — он в год получает 1,8 миллиарда долларов государственных субсидий. В пересчете на наши деньги — около 60 миллиардов рублей, а вся российская академическая наука получает 40 млрд. рублей в год. Давайте посмотрим конкретно. Нам, в ФИАНе, для полупроводниковых лазерных технологий нужны «ростовые» высокоточные установки, которые растят специальные кристаллы — такие установки, к сожалению, только за границей можно приобрести. Нужны три установки, ну, пусть будет хотя бы две. При стоимости установки порядка $3 млн. нам, следовательно, нужно около 200 млн. рублей. А у нас весь бюджет института с зарплатами, с бензином, с уборкой территории, вывозкой мусора, словом, со всем хозяйством — около миллиарда рублей. А если посчитаем минимум потребностей в оборудовании по всем подразделениям института, то получим сумму, наверное, под два миллиарда рублей на институт!

Т.е. опять же — в тридцать раз меньше, чем дают Сингапурскому Университету.

ОК: В Сингапуре нас пригласили в центр технологий при Университете. Я был страшно удивлен — очень мало народу! Пусто! Вхожу в помещение электронной микроскопии — десяткок разных электронных микроскопов. Ясно, для одних видов работ нужны одни, для других — другие: все зависит от того, что вы исследуете. Но здесь стоят все — десяток типов! И ни одного человека.

Спрашиваю: как же так — стоят, не работают, вроде бы неэффективно. Мне отвечают: почему же — люди у нас тоже дорого стоят. Совсем другой подход, понимаете? У нас есть народ — не на чем работать. У них есть, на чем работать, а народу мало. Как-то у нас все вывернуто наизнанку.

Вы процитировали председателя комитета по экономической политике. Вы знаете, если будет такое настроение — вообще ничего не будет. Как-то с этими настроениями надо бороться! И, конечно, это должна делать общественность, одни ученые здесь ничего не сделают. Потому что, когда мы кричим, требуем — люди это воспринимают как какой-то корпоративный эгоизм, мол, это мы, ученые, хотим.

Общество должно понять, что наука — некий начальный продукт, который дает выход в экономику. И это хорошо видно на примере лазера. Общество должно понять, что нельзя без науки, нельзя небрежно, пренебрежительно к ней относиться. Наука — часть культуры. Ну, представьте, исчезла бы такая часть культуры, как умение писать или читать — что случилось бы с нами? Полный коллапс — правильно? Говорят, что в стране нет денег — ну, наверное, они есть, но не туда идут.

Да, во многих, даже развитых западных странах есть школьники, которые при сложении дробей складывают отдельно числители и отдельно знаменатели. Но там есть элита и их общество не давит элиту, а у нас, почему-то давят элиту, элита страдает раньше всех других. Это не сталинские репрессии, конечно, но… После того, как идеологи макроэкономического монетаризма объявили, что мы сейчас свободны и затеяли в 91-м году переход на новую экономическую систему, пошло резкое сокращение населения, и цифры чудовищные. Это не сталинские расстрелы, и вроде некого обвинить, пойти в суд, но результат-то крутой. И, к тому же — тогда элиту расстреливали, и сейчас, так получается, элиту уничтожают.

ОК: Мы видим: лазер — это Интернет, технологии, термояд, медицина. Николай Геннадьевич Басов на каком-то заседании в Академии наук сказал, что XIX век был веком электричества, а XX век — век квантовой электроники, лазеров. И Жорес Иванович Алферов, тоже Нобелевский лауреат, с которым Николай Геннадьевич дружил, в одном из своих выступлений сказал, что за сто десять лет присуждения Нобелевских премий, если построить рейтинги, квантовая электроника и лазерная физика является открытием, которое входит в первую десятку. Лазеры стали одним из важнейших элементов современной цивилизации.

Что интересно: именно в области лазерной физики — это, кстати, ее особенность — у нас очень квалифицированный и относительно молодой народ. Лазеры появились поздно, в 60-х годах, активно начали развиваться — еще десять лет добавьте, потом началась их широкое внедрение — еще надо десять лет добавить. Получается, люди, которые стартовали в лазерной физике с 80-х годов — еще не старые, находятся в активном возрасте. Именно за счет этого, по-моему, мы и держимся, еще не окончательно коллапсировали. Ну, а что будет дальше — не знаю, нужны деньги.

Есть области технологии, промышленности, фармакологии и т.д., где наша страна довольно сильно отстала от Запада — по ряду направлений на десяток лет. Но в лазерной физике практически по всем направлениям мы, хоть, в общем-то, и отстаем в силу экономических трудностей, но не так уж далеко. И, если получим больше возможностей работать, то сможем эффективно развивать это направление.

Беседовал Сергей Шаракшанэ

Источник

| Печать |

Великая Страна СССР — Союз Советских Социалистических Республик!

Копирование и распространение материалов приветствуется. Размещение обратных ссылок остается на ваше усмотрение.
Все музыкальные файлы, представленные на сайте, предназначены исключительно для ознакомительного использования. Все права на них принадлежат их владельцам, равно как и права на книги, статьи и иные материалы. Если вы считаете, что какие-то ваши права были нарушены материалами этого сайта — пишите — адрес приведен ниже. В письме необходимо указать следующие данные:

Адрес страницы сайта, нарушающей, по Вашему мнению, авторские права;
Ваши ФИО и e-mail;
Документ, подтверждающий авторские права.

Источник

Adblock
detector