Журнал «Компьютерра» № 19 от 23 мая 2006 года

Наука: Забытые отцы лазера

Автор: Алексей Левин

Каноническая версия истории изобретения лазера проста, изящна и далеко не полна. Выглядит она так. В 1916 г. Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) создал теорию взаимодействия излучения с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

В первой половине 50-х годов появился предшественник лазера — аммиачный мазер, квантовый генератор микроволнового излучения, практически одновременно изобретенный и построенный в Нью-Йорке и Москве. В США эту работу выполнили профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс (Charles Townes) с ассистентами Джеймсом Гордоном (James Gordon) и Гербертом Цайгером (Herbert Zeiger), в СССР — научные сотрудники ФИАН Александр Прохоров и Николай Басов. В 1958 г. Таунс вместе с канадцем Артуром Шавловым (Arthur Schawlow) и независимо от них Прохоров дали теоретическое обоснование конструкции квантового генератора светового излучения, который тогда назывался не лазером, а оптическим мазером. В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes Теодор Мейман (Theodore Maiman) запустил первый в мире лазер на искусственном рубине. 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) (этот прибор действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел). Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald Herriotte) продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни. После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Все эти события действительно имели место, но одновременно с ними происходили и другие. В 50-е годы мазерами и лазерами плодотворно занимались физики, чья роль известна сегодня лишь специалистам. Попробуем хотя бы частично заполнить лакуны в истории создания лазера.

До появления статьи Эйнштейна «Квантовая теория излучения» физики не сомневались, что проникающие в материальную среду фотоны взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул лишь двумя путями — либо поглощаются и переводят частицы среды на более высокий энергетический уровень, либо испускаются с одновременной потерей этими частицами части своей энергии. Эйнштейн первым понял, что существует еще одна возможность. Допустим, частица вещества уже находится в возбужденном состоянии с энергией E2. Тогда при встрече с фотоном, энергия которого равна разности между E2 и энергией E1 другого, «нижележащего» состояния этой частицы, частица излучит фотон, а сама перейдет в состояние E1. Очень важно, что новорожденный квант полностью тождествен первому — у него такая же энергия E2—E1, такое же направление движения, такая же поляризация и такая же фаза. Получается, что исходный фотон принуждает частицу «породить» его собственную копию. Такой тип излучения называется вынужденным (в 1924 г. этот термин первым использовал американский физик Джон ван Флек, John van Vleck).

В обычных условиях возникновение вынужденного излучения маловероятно. На это есть две причины. Во-первых, энергия затравочных фотонов должна надлежащим образом соотноситься с энергетическим спектром возможных состояний частиц среды, что случается далеко не всегда. Во-вторых (и это важнее), в норме среда пребывает в термодинамическом равновесии, и абсолютное большинство ее частиц находятся в состоянии с минимальным значением энергии (его называют основным).

Падающий фотон имеет неизмеримо больше шансов встретиться именно с такой частицей и поглотиться ею, нежели попасть в окрестность частицы, способной в результате контакта излучить фотон-копию. Поэтому неудивительно, что вынужденное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим понятием. Косвенные экспериментальные свидетельства реальности этого явления впервые появились в 1928 г., а прямые — почти двумя десятилетиями позже.

Получить вынужденное излучение заметной интенсивности в принципе несложно. Лучший (но, как сейчас известно, не единственный) рецепт предписывает изготовить среду, которая содержит на верхнем уровне E2 больше частиц, чем на нижнем E1. В этом случае у фотона с энергией E2—E1 больше шансов запустить процесс генерации вынужденного излучения, нежели поглотиться. Среда, которая отвечает этому условию, называется инверсной. Инверсные среды получают искусственно, разными способами, причем все они требуют затраты энергии. Самостоятельно такие среды возникают очень редко — например, это происходит в верхних слоях марсианской атмосферы, где под действием солнечного излучения резко увеличивается доля молекул углекислого газа, находящихся в возбужденном состоянии. Любопытно, что это явление было открыто лишь в 1981 г. — через много лет после появления лазера.

Инверсная среда может быть источником излучения, но, как правило, физически неинтересным. Такая среда всего лишь самопроизвольно (как говорят физики, спонтанно) излучает по всем направлениям фотоны одинаковых энергий (монохроматический свет). Именно это и происходит на Марсе — вынужденное излучение молекул двуокиси углерода равномерно рассеивается по всем направлениям.

Ситуация радикально изменится, если из инверсной среды извлекать энергию, сконцентрированную в узком пучке. Проще всего это сделать, поместив среду в трубку с зеркалами на концах, перпендикулярными к оси трубки. Поскольку спонтанное излучение распространяется во все стороны, какая-то часть его направится строго вдоль оси трубки. Эти фотоны, и только они, многократно отразятся от зеркал и извлекут из среды свои многочисленные копии. В результате пространство между зеркалами заполнится одинаковыми фотонами, мечущимися в обоих направлениях. Пока воздействие на среду обеспечивает сохранение инверсии, это положение сохраняется. Однако если хоть одно зеркало сделать полупрозрачным, то часть фотонов уйдет наружу (непрерывно или импульсами, в зависимости от того, как именно осуществляется инверсия). В итоге возникнет либо стабильный, либо пульсирующий поток (в случае пары полупрозрачных зеркал — два потока) идентичных фотонов. Подобное излучение называется когерентным. В идеале все когерентные фотоны обязаны двигаться параллельно, но на практике луч все же будет расходиться, хоть и незначительно. Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного когерентного светового излучения.

Выходит, что для работы лазера необходимы три основных компонента: оптическая среда, способная пропускать и излучать фотоны; физический механизм, приводящий ее в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой); наконец, устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (так называемый оптический резонатор), в данном случае — торцевые зеркала.

Нельзя не упомянуть еще одно важное обстоятельство. До сих пор молчаливо предполагалось, что энергия E1 отвечает основному состоянию частиц среды. Однако количество частиц в этом состоянии так велико, что создать инверсию практически нереально. Много лучше иметь как минимум три энергетических уровня — основной (E0) и два возбужденных (E1 и E2), между которыми возможны переходы. В обычных условиях эта пара уровней почти пустует, и если энергетическая подпитка переводит определенную долю частиц на уровень E2, то инверсия по отношению к уровню E1 возникает автоматически, ведь он-то почти не заполнен. Поэтому, как правило, лазеры работают по трех— и даже четырехуровневой схеме.

Путь к квантовым генераторам когерентного излучения занял несколько десятилетий. В 1924 г. американец Ричард Толман (Richard Tolman) первым догадался, что эйнштейновская теория указывает на возможность усилить интенсивность электромагнитного излучения, без которого, как мы сейчас знаем, лазер не может заработать. Через несколько лет немецкие физики Рудольф Ладенбург (Rudolph Laden-burg) и Ганс Копферманн (Hans Kopfer-mann) получили первые, пока еще косвенные доказательства физической реальности инверсных сред. В 1934 г. американцы Клод Клитон (Claude Cleaton) и Нейл Уильямс (Neil Williams) фактически наблюдали инверсию молекул аммиака, которая, как известно, была положена в основу конструкции первых мазеров. В конце 30-х годов профессор Всесоюзного электротехнического института Валентин Фабрикант выполнил серьезный теоретический анализ методов достижения инверсии в газовом разряде. В 1947 г. американцы Виллис Лэмб (Willis Lamb) и Роберт Резерфорд (Robert Retherford) с помощью вынужденного излучения добились усиления электромагнитных волн, испускаемых молекулами водорода. Эти результаты вкупе с рядом других частично раскрыли возможности, предсказанные теорией Эйнштейна, но в первой половине двадцатого столетия дело дальше не двинулось.

Чарльз Таунс вспоминал, что концепция мазера пришла ему в голову 26 апреля 1951 г. Он был в Вашингтоне на конференции, посвященной обсуждению новых методов генерации волн миллиметрового диапазона для радиолокаторов.

Клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, успешно используемые в роли источников сантиметрового излучения, не слишком хорошо отвечали намеченной цели. Размышление над поиском нестандартного пути решения этой задачи и натолкнуло Таунса на идею прибора, который позже то ли он сам, то ли его ассистенты (мнения расходятся) назвали мазером.

Примерно в то же время или чуть раньше аналогичное озарение посетило и профессора электротехники Мэрилендского университета Джозефа Вебера (Joseph Weber). Как раз тогда он защитил докторскую диссертацию по физике, работая над которой применял электромагнитные волны СВЧ-диапазона для инверсии газообразного аммиака. По ходу дела Вебер глубоко изучил эйнштейновскую теорию и пришел к выводу, что с помощью инверсии можно усилить интенсивность излучения.

Летом 1952 г. он изложил свои соображения на научной конференции в Оттаве, а еще через год обнародовал их в статье, которая стала первой открытой публикацией на эту тему. В ней Вебер показал, как можно построить усилитель микроволнового излучения, использующий термодинамически неравновесный аммиак в качестве инверсной среды. Однако он не подумал о том, что замкнутая металлическая полость (объемный резонатор) превращает этот усилитель в генератор. Как известно, именно это сделали Прохоров с Басовым и группа Таунса. Более того, в отсутствие резонатора расчетный коэффициент усиления прибора получался весьма скромным, посему Вебер и решил, что практического значения такая конструкция иметь не будет. Вскоре он увлекся общей теорией относительности и конструированием первых в мире детекторов гравитационного излучения, что принесло ему в начале 70-х годов мировую известность. Тем не менее Вебера без сомнения можно назвать одним из первоизобретателей квантовых усилителей излучения.

Замкнутая полость не годится для генерации вынужденного околосветового и светового излучения с длинами волн порядка микрона и долей микрона, тут нужен открытый зеркальный резонатор. Первым об этом догадался профессор Принстонского университета Роберт Дике (Robert Dicke), чрезвычайно разносторонний исследователь, получивший множество важных результатов в области физики и астрофизики. В 1956 г. он подал патентную заявку на аппарат для генерации когерентного инфракрасного света, содержащий газообразную активную среду, обрамленную полупрозрачными зеркалами. Правда, Дике почему-то не уточнил, что газ нужно перевести в термодинамически неравновесное инвертированное состояние, но скорее всего лишь потому, что счел эту деталь несущественной для Бюро патентов. Во всяком случае, сам он всегда утверждал, что заслуживает признания как первый изобретатель лазера.

Фактически Дике сделал даже больше, разработав с помощью своего студента Брюса Хокинса (Bruce Hawkins) один из способов получения инверсной среды — облучение ее светом нужного спектра и поляризации. Именно этот способ — метод оптической накачки — позже применил создатель первого в мире лазера Мейман (и его же одновременно с Дике в 1952—53 гг. независимо разработали Альфред Кастлер [Alfred Kastler] с коллегами во Франции). У Дике, превосходного экспериментатора и сильного теоретика, вроде бы были все шансы первым построить действующий лазер. Однако в середине 50-х Дике занялся гравитацией и моделями Вселенной — всерьез и надолго. Он получил исключительно важные для космологии результаты (в частности, переоткрыл давно забытую теорию реликтового микроволнового излучения), но ушел из квантовой микроэлектроники.

Еще один из предтеч идеи лазера — переселившийся в США голландский физик Николаас Бломберген (Nicolaas Bloembergen). В 1956 г., работая в Гарварде, он опубликовал статью «Проект твердотельного мазера нового типа», в которой развил теорию трехуровневого возбуждения инверсной среды. Впервые эта идея появилась в короткой заметке Басова и Прохорова, напечатанной зимой 1955 г. в ЖЭТФ. Однако их схема никогда не была реализована, а предложенный Бломбергеном мазер испытали уже через несколько месяцев после публикации его статьи. Позднее он выполнил ряд фундаментальных исследований по лазерной спектроскопии, за что в 1981 г. был удостоен Нобелевской премии (вместе с Шавловым).

Таким образом, в 50-е годы к разработке мазеров и лазеров приложили руку трое талантливейших физиков, которые со временем прославились совсем в других областях науки. Однако никто из них не продумал идею лазера в целом, как это чуть позднее сделали Прохоров и Таунс с Шавловым. Тем более интересно, что независимо от этих классиков практически от начала до конца лазер изобрел никому не известный аспирант Колумбийского университета, который потом тридцать лет добивался (и добился-таки!) признания своего приоритета. Он и станет последним и главным героем этой статьи.

Гордон Гулд (Gordon Gould) родился в 1920 г. Со стороны отца он происходил от одного из пассажиров легендарного «Мэйфлауэра», доставившего в Новую Англию первых колонистов, а по материнской линии — от французского пирата. В 1942-м он защитил магистерскую диссертацию по физике в Йельском университете, преподавал там пару лет, а потом получил место в секретной нью-йоркской лаборатории, разрабатывавшей методы разделения изотопов урана для Манхэттенского проекта. В это время он увлекся коммунистическими идеями и стал посещать собрания партячейки, в результате чего в начале 1945 г. остался и без допуска, и без работы. Прослужив четыре года в частной фирме, он поступил в аспирантуру физического факультета Колумбийского университета. Научный руководитель, будущий Нобелевский лауреат Поликарп Куш (Polykarp Kusch), предложил Гулду заняться спектроскопией метастабильных атомов таллия.

Для изготовления таких атомов Гулд применил совершенно новый для тех времен метод оптической накачки. Постепенно до него дошло, что этим путем можно создавать и инверсные среды. Идея вызревала довольно долго, но в начале ноября 1957 г. Гулд понял, что для получения видимого когерентного света нужно подвергнуть оптической накачке атомарный или молекулярный газ, заключенный в трубку с зеркалами на концах. Он осознал также, что для вывода излучения одно из зеркал должно часть света отражать, а часть пропускать наружу. Годом раньше об этом же догадался и Дике, но Гулду это не было ведомо, ведь Дике ничего не опубликовал. Объединив идею накачки с идеей оптического резонатора, Гулд сконструировал (пока лишь в собственной голове) настоящий лазер.

А потом он повел себя необычно. Интересы научной карьеры требовали немедленно написать статью и послать ее в первоклассный журнал. Однако Гулду было уже 37 лет, он все еще числился аспирантом и мог опасаться, что столпы физического сообщества не поторопятся признать его революционное открытие. Будучи с юности склонен к изобретательству, он чувствовал, что именно эта стезя сулит ему максимум жизненных шансов. Поэтому Гулд решил ничего не публиковать, а добиваться патента. Он заполнил девять блокнотных страниц расчетами, объяснениями и рисунками и 13 ноября засвидетельствовал их у нотариуса. Свое изобретение он назвал лазером — так и появился этот термин. На тех же страницах Гулд дал целый список возможностей использования лазеров и в каждой строчке попадал прямо в яблочко.

Это было лишь начало. На следующий год Гулд придумал, записал и заверил еще несколько лазерных изобретений — в частности, метод накачки газообразной среды электрическими разрядами. Однако в Бюро патентов он обратился лишь в апреле 1959 г. Первоначально Гулд почему-то считал, что для получения патента надо представить не только описание изобретения, но и работающий прототип, которого у него, естественно, не было. Такое правило и в самом деле существовало, но было отменено еще в 1880 г., будучи оставлено в силе лишь для изобретателей вечного двигателя. Как ни странно, эта информация дошла до Гулда с изрядным опозданием, так что у него появились серьезные конкуренты. Артур Шавлов пришел к идее зеркального резонатора в конце зимы 1958 г.; в июле он и Таунс подали заявку на новый прибор, а в марте 1960-го получили патент. Гулд же тем временем покинул аспирантуру ради работы в фирме TRG, которая решила заняться использованием лазеров для наведения ракет. Министерство обороны выделило под этот проект почти миллион долларов, однако Гулд не смог принять в нем участие, поскольку ему отказали в восстановлении допуска. Через четыре года он получил место преподавателя физики в Бруклинском политехническом институте, потом стал вице-президентом небольшой компании, разрабатывавшей оптоволоконные приборы, а в 1985 г. ушел на пенсию.

Покончив с лазерным изобретательством, Гулд полностью отдался борьбе за утверждение своих патентов, которая продолжалась почти три десятилетия — своеобразный рекорд. Сначала он неизменно проигрывал, но в конце концов добился своего. В 1977 г. Бюро патентов впервые признало его приоритет в разработке метода оптической накачки. Правда, до патента тогда дело не дошло, поскольку конкуренты немедленно подали апелляцию. Заявка Гулда несколько раз подвергалась повторным экспертизам и была окончательно утверждена лишь в сентябре 1986 г.

После первой победы дела пошли в гору. В 1979 г. Гулду были выданы патенты на лазерную резку, на применение лазеров в фотокопировальных машинах и на лазерный поджог термоядерных реакций. Любопытно, что Гулд догадался о такой возможности еще в 1957 г., когда перспективы управляемого термояда связывались исключительно с магнитным удержанием плазмы. Принято считать, что применение лазерного излучения для нагрева плазмы до термоядерных температур в 1962 г. впервые предложили Басов и еще один будущий академик, Олег Крохин. Как видим, Гулд их значительно опередил. В 1987 г. он получил патент на создание инверсных сред с помощью газовых разрядов, а еще через год — патент на метод снижения поглощения света с помощью закона Брюстера. Он не смог лишь добиться признания своего приоритета на изобретение зеркального резонатора, и с этим пришлось примириться.

Одержанные победы сделали Гулда очень богатым человеком. Гонорары от промышленного использования его изобретений в конце 80-х годов составляли не меньше двух миллионов долларов в год, а со временем достигли пяти миллионов. А вот если бы он получил свои патенты без задержки, они принесли бы ему много меньше денег. Объем лазерного рынка сначала был невелик, и к концу 70-х срок действия патентов успел бы истечь. Именно так случилось с патентом Таунса и Шавлова, который отнюдь не обогатил своих держателей. А в 1991 г. судьба сделала Гулду еще один подарок — его имя внесли в реестр Национального Холла Славы изобретателей. Остается добавить, что Гулд скончался в сентябре прошлого года, через четыре месяца после истечения срока своего последнего патента.