50 лет создания лазера


В 2010 году исполняется полвека с момента создания первого в мире лазера.

После  успехов  в  создании мазеров  в  середине 50-х  годов прошлого века  идея  создания  квантовых  генераторов,  излучающих  в  оптическом диапазоне,  т.е. лазеров, «витала  в воздухе». Термин «лазер»  тогда  еще не имел  распространения.  Многие  хотели  ответить  на  вызов  природы  и осуществить  инверсию  населенностей  в  среде  и  продемонстрировать усиление света в оптическом диапазоне длин волн. При этом естественное для исследователей желание  быть первым  всячески  ускоряло попытки. И сегодня «вирус первенства» является мощным рычагом познания природы. В  представленном  докладе  собраны  пионерские  работы  по  созданию лазеров,  выполненные  сотрудниками  лабораторий  оптического направления  в ФИАНе.  Хотя  к  этим  работам  применима  характеристика «впервые», в них ценно в первую очередь то влияние, которые они оказали на дальнейшее развитие физики лазеров и лазерной техники. Первые работы по созданию лазеров (pdf 68,3 МБ)




Начало лазерной эры в СССР

Составители:  С.Н. Багаев, К.Л. Водопьянов, Е.М. Дианов, О.Н. Крохин, А.А. Маненков, П.П. Пашинин, И.А. Щербаков
Настоящий сборник является совместным проектом российских журналов «Квантовая электроника» и «Труды ИОФАН». В сборник вошли 25 ранних приоритетных работ советских ученых, выполненных до 1972 г. Отбор статей был осуществлен авторитетной комиссией ученых в области лазерной физики. Все представленные работы воспроизведены по существу в том виде, в котором они были опубликованы почти полвека назад. Практически все внесенные изменения связаны с использованием удобочитаемых шрифтов и приведением использованных авторами размерностей к современному виду. Скачать сборник (18,3 МБ)

 


1952-1955 Мазеры

В начале 50-х годов XX века от радиофизиков пришли понятия о монохроматическом  излучении, инверсной населенности, резонаторах, обратной связи и генерации радиоизлучения. Н.Г. Басов в 1952 г. теоретически обосновал возможность построения конкретного устройства, в котором электромагнитные волны микроволнового диапазона генерируются при использовании стимулированного (вынужденного) излучения, а в статье Н.Г. Басова и А.М. Прохорова «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул» (ЖЭТФ, 1954, т. 27, №4, стр. 431-438) было опубликовано условие самовозбуждения молекулярного генератора. В июле 1954 г. Таунс с соавторами опубликовал сообщение о создании молекулярного генератора с использованием переходов между инверсионными уровнями молекулы аммиака (Phys. Rev. 1954. Vol. 95. P. 282-284). За работы, посвященные квантовым генераторам, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров получили в 1959 г. Ленинскую премию. В 1964 г. Басову, Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за фундаментальные исследования в области квантовой радиофизики, позволившие создать генераторы и усилители нового типа – мазеры и лазеры, присуждена Нобелевская премия.Приоритет в применении рубина для создания мазеров принадлежит Прохорову и Басову. Твердотельные лазеры. Переход в оптический диапазон

                    

 
1958 г. А.М. Прохоров впервые высказал идею открытого резонатора, неотъемлемого элемента лазеров.

1960 Лазер на рубине Меймана    

Первый в мире лазер был создан Т.Х. Мейманом на рубине с использованием открытого резонатора, идея (1958 г.) и реализация (1959 г.) которого принадлежит А.М. Прохорову.




1961 Лазер на рубине в ФИАНе.    

В 1960 году, после того, как Шавлов и Таунс, а также Прохоров опубликовали статьи о перспективности получения генерации в оптической области спектра с использованием индуцированного излучения, Н.Г. Басов привлек к работам по созданию лазера на рубине сотрудников Лаборатории люминесценции М.Д. Галанина, А.М. Леонтовича и З.А. Чижикову. Весной 1961 года была создана лазерная установка, а 18 сентября 1961 года на установке была получена генерация. После исследования когерентных свойств излучения лазера была опубликована статья (ЖЭТФ, т. 43, № 7, 1962). Это была первая публикация в Советском Союзе по эксперименту с оптическим лазером.




1956–1963 Спектры люминесценции кристаллических решеток с внедренными в них трехзарядными ионами.         

После создания первого в мире лазера на рубине начались интенсивные исследования различных кристаллов с примесями ионов переходных металлов и редкоземельных элементов. Известны исследования Я.И. Френкеля, М.А Ельяшевича, П.П. Феофилова, М.Д. Галанина.




1960–1961 Лазер с CaF2U3+  Сорокина и Стивенсона

П.П. Сорокин и М. Стивенсон (IBM Research Laboratory, Yorktown Heights, New York) сообщили, что ими наблюдалось инфракрасное индуцированное излучение ионов трехвалентного урана, замещающих кальций во флуорите CaF2U3+, а в последующих их работах описаны лазеры на этом веществе и на CaF2Sm2+. В выборе рабочего вещества определяющую роль сыграли работы Л.Н. Галкина и П.П. Феофилова.




1963–1965 Первые советские лазеры с ионами Nd

Первый лазер на основе неодимового стекла с длиной волны излучения ~ 306 мкм был построен Е. Снитцером. Лазеры с ионами Nd3+ , внедренными в кристаллы SrF2 , были построены Я.С. Криссом и П.П. Феофиловым, и в кристаллы иттрофлюрита CaF2 - YF3  - группой авторов Х.С. Багдасаров, Ю.К. Воронин, А.А. Каминский, В.В. Осико, А.М. Прохоров.




1961–1965 Лазеры на стекле.   

Наряду с кристаллическими получили широкое распространение лазеры на фосфатных и силикатных стеклах. Особую важность приобрели волоконные световоды из кварцевого стекла. За работы по оптическим квантовым генераторам на неодимовом стекле и за освоение их серийного производства в 1974 году группе советских ученых и инженеров М.П. Ванюкову, А.А. Маку, А.М. Бонч-Бруевичу, Г.О. Карапетяну, Е.И.Галанту, Е.М. Дианову, П.Г. Крюкову, Ю.В. Любавскому, Е.А. Вершинскому, Е.М. Корягину, Б.Н. Репину, Б.В. Скворцову была присуждена Государственная премия.




1959–1965 Газовые лазеры

Первый газовый лазер (на смеси гелия и неона) был построен в 1961 г. Джаваном, Беннетом и Херриотом. Н.Г. Басовым, Е.П. Маркиным и Д.И. Машем в 1962 г. был создан первый советский гелий-неоновый лазер с излучением на длине волны 1,153 мкм. После ряда усовершенствований гелий-неоновый лазер стал одним из наиболее употребительных и получил название классического. Он вызвал к жизни множество исследований, посвященных лазерам на других газообразных активных веществах. Их можно разделить на четыре группы:

  • ЛАЗЕРЫ С НЕЙТРАЛЬНЫМИ АТОМАМИ.
    В 1962 г. в США в лаборатории Белл-Телефон К. Пател получил генерацию на смеси гелий-неон на длине волны 11530.
    В 1963 г. Г.Г. Петраш и И.Н. Князев в ФИАНе наблюдали импульсную генерацию на неоне и на смеси неона и гелия. В.П. Чеботаев в Новосибирске в Институте полупроводников построил лазер на чистом неоне.
    В 1960 г. С.Г. Раутиан и И.И. Собельман в ФИАНе предложили осуществить отрицательное поглощение в парах металлов, обладающих большим количеством стабильных и метастабильных уровней энергии. Эта идея была реализована в 1961 г. Джекобсом, Гулдом и Рабиновичем в Нью-Йорке. Они получили когерентное усиление света в оптически возбужденном  газообразном цезии на длине волны  3,2 мкм.
  • ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ.
    В отличие от лазеров с нейтральными атомами ионные лазеры генерируют более коротковолновое излучение.
    В СССР одноваттный ОКГ с Ar+ непрерывного действия был создан в 1965 г. В
    1966 г. был разработан лазер с ионами Ar , предназначенный для промышленного производства.
    В ФИАНе В.Ф. Китаевой, Ю.И. Осиповой и Н.Н. Соболевым в 1967 году выполнены спектральные исследования лазера с ионами  Ar+.
    Для ионных лазеров требуется высокая плотность разрядного тока  и высокие
    энергии накачки.
  • МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛАЗЕРЫ.
    В 1960-х гг. были начаты работы по получению генерации в широком диапазоне длин волн с молекулярными активными веществами и по разработке новых методов накачки.
    В ФИАНе в 1961 г. С.Г. Раутианом и И.И. Собельманом была выполнена пионерская работа «Фотодиссоциация молекул как способ получения среды с отрицательным коэффициентом поглощения» (ЖЭТФ.1961.Т. 41. №6. С.
    2018-2019).
    Первый молекулярный лазер был создан в 1964 г. в США C. Пателом  на молекулах углекислого газа.
    В 1964 г. в ФИАНе П.А. Бажулин, И.Н. Князев и Г.Г. Петраш впервые построили лазер на молекулярном водороде.
    В 1966 г. В.К. Конюхов и А.М. Прохоров (ФИАН) впервые сообщили об инверсной населенности при адиабатическом расширении газовой смеси.
    В 1963 г. Н.Г. Басов и А.Н Ораевский (ФИАН) показали, что накачку молекулярного лазера можно осуществить путем нагревания или  охлаждения активной среды. Благодаря этой работе появилась возможность создания газодинамических лазеров, в которых активная газовая сред движется через оптический резонатор со сверхзвуковой скоростью. Тепловая энергия газа в форме  колебательного движения молекул непосредственно преобразуется в энергию когерентного излучения.
    В.К. Конюхов и А.М. Прохоров (ФИАН) в 1966. построил газодинамический лазер непрерывного действия на смеси углекислого газа, азота и воды и получил на него авторское свидетельство.
    В ФИАНе был построен CO2 лазер с усилительными каскадами длиной 120 м, работавший в непрерывном режиме.
  • ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ
    1960–1970 Понятие «эксимер» впервые введено в рассмотрение Б. Стивенсом и Е. Хаттоном.
    В 1970 г. Н.Г. Басов с сотрудниками в ФИАНе получили генерацию в жидком ксеноне на длине волны 0,176 мкм при накачке импульсным пучком электронов высокой энергии (800 кэВ). Главным достоинством эксимерного лазера является продвижение в ультрафиолетовую область.
    В 70-е годы создание эксимерных лазеров было серьезным достижением квантовой электроники.




1960–1963 Полупроводниковые лазеры

Н.Г. Басов, Б.М Вул и Ю.М. Попов  в статье «Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний» (ЖЭТФ. 1959. Т. 37. № 2. С. 587-588.) впервые рассмотрели принципиальную возможность использования электронных переходов между зоной проводимости и донорными, или акцепторными, примесными уровнями полупроводника для получения электромагнитного излучения с помощью механизма индуцированного излучения. В статье сформулированы условия сохранения состояний с отрицательной температурой и условия генерации. Эта работа зарегистрирована Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР с приоритетом 7 июля 1958 г. Премия имени А.Ф. Иоффе 2000г. была присуждена Ю.М. Попову (ФИАН) за цикл работ по катодолюминесценции и полупроводниковым лазерам с катоднолучевой накачкой, выполненных в 1959-1963 гг. В 1959-1962 гг. в ФИАНе Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым была выполнена большая серия теоретических и экспериментальных исследований по оптическим свойствам полупроводников инверсной населенности и отрицательной температуры. В ноябре 1962 г. появилось первое сообщение сотрудников «Дженерал моторс» (Холл и др.) о когерентном излучении на p-n переходе в арсениде галлия GaAs. В декабре 1962 г. советские авторы В.С. Багаев, Н.Г. Басов, Б.М. Вул и др. создали первый в СССР лазер на p-n переходе. За фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, в 1964 году группе советских физиков (Б.М. Вул, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, А.П. Шотов, С.Н. Рывкин, Д.Н. Наследов, А.А. Рогачев, Б.В. Царенков) была присуждена Ленинская премия.В 1963-м и последующие годы в Ленинградском физикотехническом институте (ЛФТИ) Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, Д.З. Гарбузов, Е.Л. Портной и др. разработали арсенидные гетероструктуры типа AlGaAs – GaAs и др., на которых с помощью инжекции электронов в гетеропереход удалось резко повысить эффективность лазеров. Работы были отмечены Нобелевской премией 2000 г.




1963–1970 Химические лазеры

Канадский химик Дж. Полани впервые обратил внимание на то, что молекулы в возбужденных колебательных состояниях могут использоваться для создания лазеров в области колебательных частот молекул. Н.Г. Басов и А.Н. Ораевский (ФИАН) в 1963 году показали, что быстро протекающие процессы могут привести к инверсии за счет различных скоростей релаксации уровней энергии в молекулах. Один из основоположников химических лазеров А.Н. Ораевский (ФИАН) непосредственно показал, что при химических реакциях могут возникать отрицательные температуры. В.Л. Тальрозе в Институте химической физики АН СССР дал глубокий математический анализ кинетических проблем, возникающих в теории химических лазеров. Первая экспериментальная реализация идеи превращения энергии химической реакции в энергию когерентного электромагнитного излучения принадлежит Дж. В. Касперу и Дж. К. Пиментелу (1965 г.).Галогеноводороды стали наиболее часто употребляемыми активными веществами в химических лазерах. А.Н. Ораевским (ФИАН) была рассмотрена проблема установления общих корреляций между химическими реакциями различных типов и параметрами соответствующих лазеров. В Институте химической физики АН СССР О.М. Батовский и други построили на смеси водорода и фтора первый лазер на основе разветвленной химической реакции. Усиление излучения на обертонах было впервые получено в цепной реакции фтора с водородом в лаборатории Н.Г. Басова (ФИАН).




1961–1967 Лазеры на красителях

Идея использовать органические соединения в качестве активных сред для лазеров была выдвинута (1961 г.) С.Г. Раутианом и И.И. Собельманом (ФИАН), показавшими, что при определенных условиях коэффициент поглощения среды с органическими молекулами может стать отрицательным.Этой идее предшествовали работы А.Н. Теренина (ГОИ), В.Л. Броуде (Украинский физический институт, Киев). Трудами советских ученых были созданы все предпосылки для построения лазеров на красителях. (Л.Д. Деркачева (ФИАН), Рубинов А.Н. (Институт физики, Минск)) Первый лазер с органической активной средой (фталоцианин хлористого алюминия) с длиной волны излучения 0,7555 мкм  был создан в США П.П. Сорокиным и Дж. Лэнкардом (1966 г.). В СССР оптическая генерация  на органических красителях была впервые получена  (1967 г.) в Институте физики АН БССР в Минске академиком Б.И. Степановым и его сотрудниками А.Н. Рубиновым и В.А. Мостовниковым.




1962–1966 Параметрические генераторы

К 1961 году относится появление работ в области нелинейной оптики (С.А. Ахманов, Р.В. Хохлов), которые явились основополагающими для создания умножителей частоты лазерного излучения, генераторов суммарных и разностных частот, параметрических генераторов света, комбинационных лазеров и других нелинейных устройств. В 1962 г. независимо от С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова Н. Кролл и Р.Кингстон разработали принцип параметрического усиления  и генерации световых волн (параметрические генераторы света). Параметрическое возбуждение колебаний в квантовых системах было исследовано Ф.В. Бункиным (1960 г.).В 1965 году Р.В. Хохлов, С.А. Ахманоа и др. создали в МГУ параметрические генераторы света, в которых активными веществами служили кристаллы дигидрофосфатов калия, аммония и мышьяка (?). Накачка осуществлялась второй гармоникой излучения лазера на неодимовом стекле в режиме гигантских импульсов. Длина генерируемых волн в параметрическом генераторе имела порядок 10 600  с перестройкой длины волны. В 1965 году Дж. А. Джордмейн и Р.С. Миллер в США создали параметрический генератор, в котором активным веществом служил кристалл ниобата лития.




1961–1985 Рентгеновские и гамма-лазеры

Для повышения мощности излучения и расширения диапазонов длин волн, на которых достигается генерация, началась разработка идеи генерации когерентного рентгеновского и гамма-излучения.Первая работа по гамма-лазерам была выполнена в 1961 г. Л.А. Ривлиным.Один из методов получения инверсии населенностей в глубоких электронных оболочках атомов предложил в 1972 году М. Коркли. В то же 1972 году А.В. Виноградов и И.И. Собельман (ФИАН) показали, что в качестве активной среды для лазера в области длин волн 50–150 Ао можно использовать плазму с многозарядными ионами.В 1973 г. В.С. Летохов дал общую теорию γ – лазеров на ядерных переходах.В 1975 году И.И. Собельман обосновал возможность получения инверсии населенностей и лазерной генерации в высокотемпературной плазме гелиоподобных ионов. Накачка могла осуществляться концентрированными лучами мощных лазеров.Трудами советских и зарубежных ученых были созданы теоретические предпосылки для построения разера.Л.Д. Розен и др. в Лаборатории имени Э. Лоуренса (США) в 1985 г. создали первый лабораторный разер.