Перший рубіновий лазер Теодора Меймана - Фізика - Скачать бесплатно
Перший рубіновий лазер Теодора Меймана
До 75-річчя ученого
"Вся історія науки на кожному кроці показує, що окремі особи більш мали рацію в своїх твердженнях, чим цілі корпорації учених або сотні і тисячі дослідників, що дотримуються пануючих поглядів".
У. І. Вернадській
У 1916 р. А. Эйнштейн теоретично обгрунтував ефект вимушеного випромінювання (у сучасній термінології - лазерний ефект), відкривши тим самим можливість створення принципово нових пристроїв, що генерують електромагнітні коливання в оптичному діапазоні частот. В ті роки скористатися цією можливістю було не можна, оскільки було неясно, як можна створити необхідні умови збудження електронів в речовині.
Теодор Мейман
На підбір відповідної речовини і пошук способів його збудження пішло більше 30 років. На думку укладачів ювілейного журналу "Electronics", відомий радянський фізик В. А. Фабрікант (Всесоюзний електротехнічний інститут, Москва) ближче за інших підійшов до розуміння можливості посилення електромагнітного випромінювання при індукуючій дії іншого випромінювання, і зробив спробу одержати посилення в парах цезію [1]. У 1940 р. він виклав свою теорію, засновану на квантових принципах, і показав, що при падінні на середовище електромагнітного випромінювання певної частоти відбувається його резонансне поглинання, що викликає перехід електронів на верхні енергетичні рівні. Якщо через дане середовище проходять фотони тієї ж частоти, то можливе повернення електронів па нижні рівні з вимушеним випромінюванням фотонів тієї ж частоти. Отже, відбувається посилення потоку фотонів.
 У 1954 р. радянські фізики A.M. Прохоров і Н. Г. Басов одержали лазерно-мазерний ефект, що полягає в наступному: потік молекул аміаку, ретельно відсортованих в магнітному полі по однаковому ступеню збудження, потрапляв в СВЧ-резонатор і починав випромінювати електромагнітні хвилі. Одержала експериментальне підтвердження теорія А. Эйнштейна про можливість вимушеного випромінювання. У цьому ж році Д. Гордон, Г. Зейгер і Ч. Таунс оголосили про створення першого квантового генератора (мазера), що працює на молекулах аміаку. Правда, генерація випромінювання була в сантиметровому радіодіапазоні (довжина хвилі l=1,24 см). Виник новий напрям фізики - квантова електроніка.
У 1957-1958 рр. A.M. Прохоров і Н. Г. Басов в Москві, у Фізичному інституті, сформулювали основні принципи створення генераторів і підсилювачів світлових хвиль. Одночасно в США Ч. Таунс і А. Шавлов (Bell Telephone Laboratories) опублікували фундаментальну роботу у області інфрачервоних і оптичних лазерів, в якій був описаний принцип створення лазера на парах лугу [2]. За це відкриття A.M. Прохоров і Н. Г. Басов спільно з Ч. Таунсом були удостоєні Нобелівській премії 1964 р.
Продовжувалися широкі дослідження у області матеріалів, способів збудження і конструкцій квантових генераторів. США, що ведуть науково-дослідні лабораторії, СРСР, Великобританії і інших високорозвинутих країн проводили інтенсивні дослідження, проте нікому не вдавалося створити робочий зразок. Крупні компанії, військові відомства і дослідницькі лабораторії вкладали величезні засоби в створення лазера, але це не наближало їх до результату. Експериментальні дослідження зайшли в безвихідь і багато учених стали сумніватися в практичній можливості отримання когерентного оптичного генератора.
Саме у цей момент - момент накопичення фундаментальних теоретичних результатів і відсутності практичних рішень - з'явився Теодор X. Мейман. Він увійшов до історії як фізик, якому вперше в світі вдалося одержати лазерний ефект в твердому телі. У створеному їм твердотільному лазері активною речовиною служив рубіновий циліндровий стрижень, а збудження здійснювалося за допомогою оптичного накачування (ламп фотоспалаху). Для забезпечення в кристалі рубіна інверсної населеності енергетичних рівнів лампи працювали в режимі сверх'ярких коротких спалахів, що забезпечувало імпульсний режим роботи лазера.
Теодор Мейман (або просто Тед, як його тоді називали) народився в 1927 р. в Лос-Анджелесі. Його батько працював інженером-електронщиком в Bell Labs і був винахідником. Багато років він витратив на те, щоб довести необхідність застосування електронних пристроїв в автомобілях. У той час його пропозиції не викликали інтересу, проте вже через декілька років всі автомобілі були обладнані запропонованим їм електронним приладом. Талановитий інженер і освічена людина, він передчував широке застосування електроніки в різних областях людської діяльності і, зокрема, впровадження її досягнень в медицину. Саме він винайшов перший електронний стетоскоп [2].
Старший Мейман з дитинства щепив Теду любов до електроніки і наукового пошуку. У віці 12 років хлопчик допомагав батькові ремонтувати різні електронні пристрої, а в 14 він вже працював в майстерні однієї з компаній. У 1949 р. Теодор Мейман закінчив університет штату Колорадо і одержав звання бакалавра у області технічної фізики. У той час він мріяв працювати на факультеті фізики Стенфордського університету і після декількох невдалих спроб все-таки досяг поставленої мети.
У Стенфорде Т. Мейман зробив перші кроки до успіху. Робота під керівництвом лауреата Нобелівської премії В. Лемба дала йому саме таку підготовку, яка була потрібна для практичного втілення ідеї лазера. Дисертація Меймана була присвячена оптичним і СВЧ-вимірюванням, він вивчив різні способи отримання оптичного випромінювання і що існують тоді оптичні вимірювальні прилади. Із-за фінансових труднощів він сам розробляв і виготовляв необхідне йому для проведення експериментів спеціальне електронне устаткування. У 1955 р. Т. Мейман одержав ступінь доктора філософії.
Мейман завжди був великим оригіналом. Одержавши вчений ступінь, досягнувши певного суспільного положення і частково задовольнивши свої амбіції, він вирішив перервати дослідження і відправитися в кругосвітню подорож. Мейман підготував собі наступника, який міг би продовжити експерименти на створеному їм устаткуванні. Це був І. Вейдер, його єдиний соратник і помічник, чиє ім'я також згодом увійшло до історії створення лазера. Повернувшись з кругосвітньої подорожі, Мейман почав працювати в лабораторії Hughes Research, однієї з багатьох включених в гонку створення лазера. Цією проблемою займалися найбільші дослідницькі центри: Bell Labs, RCA Labs і ін.
Труднощі, з якими зіткнувся молодою і мало тоді кому відомий учений, були величезні. Не дивлячись на те, що Мейман володів великим дослідницьким досвідом, в нього ніхто не вірив. Його теоретичні і практичні розробки не знаходили підтримки, фінансування було мізерним. Коли як матеріал для лазера він вибрав рубін, маститі учені підняли його на сміх. Знайомство з властивостями рубіна і досвід роботи з ним як з матеріалом, який може служити джерелом когерентного випромінювання, він одержав ще в аспірантурі Стенфордського університету. Був період, коли утомлений від даремних зусиль і насмішок, Мейман навіть відмовився від використання рубіна. На це рішення вплинули експерименти І. Вейдера, який визначив, що квантова ефективність випромінювання рубіна дуже низька (близько 1%). Т. Мейман звернувся до дослідження інших матеріалів, але альтернативи не знаходив.
І тоді з надзвичайною завзятістю, що викликала роздратування і насмішки, він повернувся до експериментів з рубіном. Шляхом повторних дослідів Мейман з'ясував, що результати Вейдера були помилкові. Квантова ефективність випромінювання рубіна виявилася рівною 75%.
У той час більшість учених намагалися створити лазер безперервної дії. Ці роботи грунтувалися головним чином на знаменитій статті Э. Сколоу, що з'явилася в 1958 р., і До. Таунса, що висловлювали ідею оптичного лазера і що пропонували використовувати для генерації когерентного світлового випромінювання пари натрію, а не тверда речовина. Мейман був вірний собі і йшов вперед всупереч загальноприйнятій думці. Ознайомившись з теорією А. Шавлова і Ч. Таунса і зробивши висновок, що вона не працюватиме, він узявся за конструювання свого лазера. Використовуючи найяскравішу лампу з еліпсоїдним рефлектором, він переконався в можливості побудови лазера, що працює в безперервному режимі. Проте надійність такого лазера була дуже низькою. Пошук нетрадиційних рішень наштовхнув його на думку про доцільність використання надяскравих стробоскопічних ламп, вживаних у фотографії (фотоспалахів). Проведені Мейманом розрахунки (у той час вони проводилися тільки на логарифмічній лінійці!) показали, що ці лампи дійсно забезпечують оптичне накачування, і він застосував їх для створення імпульсного рубінового лазера.
Рубіновий кристал, з яким працював Мейман, мав форму стрижня, на торцевих поверхнях якого необхідно було сформувати ті, що відображають дзеркала. У 1960 р. технологію створення багатошарових плівкових покриттів для лазерних дзеркал мали тільки найбільші лабораторії. Т. Мейман самостійно розробив технологію нанесення срібла на рубіновий стрижень і здійснив її.
16 травня 1960 р. Т. Мейман створив перший в світі рубіновий лазер. На це пішло 9 місяців колосальних зусиль, роботи в атмосфері насмішок, невіри, безгрішшя. Він обійшов в цьому змаганні провідні компанії, такі як Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG і багато інших.
7 липня 1960 р. на спеціально скликаній прес-конференції Т. Мейман оголосив про створення лазера і розповів про можливі області його застосування: зв'язок, медицина, військова техніка, транс-порт і високі технології. Винахід дістав широкий суспільний резонанс. Газети писали, що учений з Лос-Анджелеса винайшов "промінь смерті".
Декілька місяців опісля, в 1961 р., Bell Labs повідомила про створення першого зразка газового лазера, що працює на суміші гелію і Неону в безперервному режимі. Потім був одержаний лазерний ефект на парах цезію, і почалася демонстрація можливостей побудови лазерів буквально на сотнях різних матеріалів.
На думку Т. Меймана, його успіх пояснюється декількома чинниками. По-перше, прекрасна базова освіта і великий науковий і практичний досвід. По-друге, те, що досягши мети він завжди уникав традиційних уявлень, заснованих на "непорушних" постулатах наукової еліти. Саме "ефект гуру" (як називав його Т. Мейман) не дозволив іншим ученим досягти успіху.
Оскільки Ч. Таунс став одним з лауреатів Нобелівської премії 1964 р. "за фундаментальні дослідження у області квантової електроніки, які привели до створення генераторів і підсилювачів нового типа - мазеров і лазерів", виник деякий скепсис щодо першості Т. Меймана у винаході лазера. Це наочний приклад умовності при встановленні пріоритету деяких відкриттів в науці, а також того, що обще-ство не завжди поспішає з визнанням заслуг першовідкривачів. Відомо, що А. Эйнштейн був удостоєний Нобелівській премії "за важливі фізико-математичні дослідження, особливо за відкриття законів фотоелектричного ефекту" лише в 1921 р. - через 16 років після створеної їм теорії. В. Рентген одержав цю премію в 1901 р. - через шість років після відкриття, що обезсмертило його. Відкриття В. Фабріканта взагалі було знехтувано як що не реалізовується.
Але "ніхто не оспорює той факт, що я зробив перший лазер", - говорить Т. Мейман [1]. І ще: "Якщо вони зробили це, то де ж тоді, біс візьми, їх лазер?" - і виймає з кишені той самий перший лазер, який він створив в 1960 р.
Т. Мейман заснував компанію Korad по виробництву лазерів. Потім створив фірму Maiman Associates, яка в 1976 р. об'єдналася з компанією TRW. Він став її віце-президентом за новітніми технологіями.
Окрім основного патенту на створення першого в світі лазера, Т. Мейман запатентував деякі типи мазеров, лазерів, лазерних дисплеїв, приладів оптичного сканування. Т. Мейман удостоєний багатьох престижних премій, включаючи премію Міжнародного оптичного суспільства - SPIE, нагороди президента США, аналога Нобелівської премії в країнах Азії - Japan Prize і ін.
З 1983 р. Т. Мейман захопився застосуванням лазерів в медицині. Він продовжує трудитися, готує фахівців в цій області і вважає, що робота складає щастя його життя.
Сьогодні лазери широко використовуються в різних областях людської діяльності. Вони міцно увійшли до побуту у вигляді лазерних дисків, указок, принтерів і т.д. У техніці зв'язку без лазерів неможливо представити сучасні волоконно-оптичні і атмосферні лінії зв'язку, оптичні підсилювачі, оптичний зв'язок між космічними апаратами. У технології могутні лазери використовуються для прецизійної обробки матеріалів і зміцнення поверхонь. У екології вони забезпечують високоточний моніторинг навколишнього середовища. У медицині лазери замінюють скальпель при якнайтонших хірургічних операціях, а також широко використовуються в діагностиці і лікуванні. У багатьох оборонних системах лазери також займають центральне місце. І недаремно в 2000 р. була присуджена ще одна Нобелівська премія за дослідження, безпосередньо пов'язані з лазерами: Ж. Алферов і Г. Кремер одержали її за розвиток напівпровідникових структур для високошвидкісного зв'язку і оптоелектроніки.
|
