100 великих изобретений - Рыжов Константин Владиславович - Страница 142

Созданию этого замечательного устройства предшествовала долгая история. Любопытно, что изобретением лазера техника обязана специалистам на первый взгляд далеким как от оптики, так и от квантовой электродинамики, а именно — радиофизикам. Однако в этом есть своя глубокая закономерность. Прежде уже говорилось, что с начала 40-х годов радиофизики всего мира трудились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона волн, поскольку это позволяло значительно упростить и уменьшить аппаратуру, особенно антенные системы. Но вскоре обнаружилось, что прежние ламповые генераторы едва ли можно приспособить для работы в новых условиях. С их помощью с трудом удавалось генерировать волны в 1 мм (при этом частота электромагнитных колебаний в этих генераторах достигала нескольких миллиардов за одну секунду), но создание генераторов для еще более коротких волн оказалось невозможным. Необходим был принципиально новый метод генерации электромагнитных волн.

Как раз в это время советские радиофизики Александр Прохоров и Николай Басов занялись изучением очень интересной проблемы — поглощением радиоволн газами. Еще во время войны было обнаружено, что волны некоторой длины, испущенные радаром, не отражаются, как другие, от окружающих предметов и не дают «эха». Например, пучок волны длиной 1, 3 см словно растворялся в пространстве — оказалось, что волны этой длины активно поглощаются молекулами водяного пара. Позже выяснилось, что каждый газ поглощает волны определенной длины таким образом, словно его молекулы как-то «настроены» на него. От этих опытов был только шаг до следующей идеи: если атомы и молекулы способны поглощать волны определенной длины, значит, они могут и излучать их, то есть выступать в роли генератора. Так родилась мысль создать газовый генератор излучения, в котором бы вместо электронных ламп в качестве источников излучения использовались миллиарды молекул особым образом возбужденного газа. Перспективы такой работы казались очень заманчивыми, поскольку возникала возможность освоить для нужд радиотехники не только диапазон микроволновых волн, но и гораздо более коротких, например, диапазон видимых волн (длина волн видимого света 0, 4-0, 76 микрон, что соответствует частоте порядка тысяч миллиардов колебаний в секунду).

Важнейшая проблема на этом пути заключалась в том, как создать активную среду. В качестве таковой Басов и Прохоров выбрали аммиак. Чтобы обеспечить работу генератора, необходимо было отделить активные молекулы газа, атомы которых находились в возбужденном состоянии, от невозбужденных, атомы которых были ориентированы на поглощение квантов. Схема установки, разработанная для этой цели, представляла собой сосуд, в котором был создан вакуум. В этот сосуд впускался тонкий пучок молекул аммиака. На их пути был установлен конденсатор высокого напряжения. Молекулы больших энергий свободно пролетали через его поле, а молекулы малых энергий увлекались в сторону полем конденсатора. Так происходит сортировка молекул по энергиям. Активные молекулы попадали в резонатор, устроенный так же, как тот, что был описан выше.

Первый квантовый генератор был создан в 1954 году. Он имел мощность всего в одну миллиардную ватта, так что его работу могли зарегистрировать только точные приборы. Но в данном случае гораздо важнее было то, что подтвердилась принципиальная правильность самой идеи. Это была замечательная победа, открывшая новую страницу в истории техники. В те же дни в Колумбийском университете группа американского радиофизика Чарльза Таунса создала аналогичный прибор, получивший название «мазер». (В 1963 г. Басов, Прохоров и Таунс за свое фундаментальное открытие получили Нобелевскую премию.)

Квантовый генератор Басова — Прохорова и мазер Таунса еще не были лазерами — они генерировали радиоволны длиной 1, 27 см, а лазеры испускают электромагнитные волны видимого диапазона, которые в десятки тысяч раз короче. Однако принцип работы обоих приборов одинаков, поэтому создателем лазера предстояло разрешить только частные задачи. Во-первых, необходимо было найти подходящее активное вещество, которое могло бы переходить в возбужденное состояние, потому что не всякое вещество обладает таким свойством. Во-вторых, создать источник возбуждения, то есть такое устройство, которое обладает способностью переводить активное вещество в возбужденное состояние посредством сообщения ему дополнительной энергии. В-третьих, требовался открытый резонатор для того, чтобы заставить участвовать в возбуждении все возбужденные частицы активного вещества, а также для того, чтобы усилить только те колебания, которые распространяются вдоль продольной оси активного вещества. В-четвертых, был необходим источник питания для того, чтобы подпитывать энергией источник возбуждения, иначе лазер не стал бы работать. Разрешить все эти проблемы можно разными способами. Работы велись многими учеными сразу в нескольких направлениях. Однако раньше других посчастливилось достигнуть заветной цели американскому физику Теодору Мейману, который в 1960 году создал первый лазер на рубиновой основе.

Сущность работы лазера на рубине состоит в следующем. Энергия от источника питания преобразуется источником возбуждения в электромагнитное поле, которым облучается активное вещество. В результате этого облучения активное вещество переходит из состояния равновесия в возбужденное состояние. Внутренняя энергия активного вещества значительно возрастает. Этот процесс носит название «накачки» или «подкачки» активного вещества, а источник возбуждения называется источником «накачки» или «подкачки». Когда атомы активного вещества перейдут в возбужденное состояние, достаточно одному электрону сорваться по каким-либо причинам с верхнего уровня, чтобы он начал испускать фотон света, который, в свою очередь, сбросит несколько электронов с верхнего уровня, чем вызовет лавинообразное выделение энергии остальными возбужденными электронами. Открытый резонатор направит и усилит излучение активного вещества только в одном направлении. В качестве активного вещества Мейман использовал искусственный рубин (рубин представляет собой кристаллическое вещество, состоящее из окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, что особенно важно, так как в поглощении света участвует не весь материал, а только ионы хрома).

Генератор возбуждения состоял из трех блоков: излучающей головки, блока питания и блока запуска. Излучающая головка создавала условия для работы активного вещества. Блок питания обеспечивал энергией заряд двух конденсаторов — основного и вспомогательного. Главным назначением блока запуска было генерирование импульса высокого напряжения и подача его на запускающий электрод лампы-вспышки. Излучающая головка состояла из рубинового стержня и двух П-образных ламп-вспышек. Лампы были стандартные, наполненные ксеноном. Со всех сторон лампы и рубиновый стержень охватывала алюминиевая фольга, которая играла роль рефлектора. Конденсатор накапливал и подавал импульсное напряжение порядка 40 тысяч вольт, что вызывало мощную вспышку ламп. Вспышка мгновенно переводила атомы рубина в возбужденное состояние. Для следующего импульса необходима была новая зарядка конденсатора. Это в общем-то очень простое устройство вызвало к себе огромный интерес. Если суть открытия Басова и Таунса была понятна лишь специалистам, то лазер Меймана производил огромное впечатление даже на непосвященных. В присутствии журналистов Мейман неоднократно включал свой прибор и демонстрировал его работу. При этом из отверстия в торце испускался луч, толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, он упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. Впрочем, Мейман лишь незначительно опередил других изобретателей. Прошло совсем немного времени, и сообщения о создании новых типов лазеров стали поступать со всех сторон.

В качестве активного вещества в лазерах кроме рубина могут использоваться и многие другие соединения, например, фтористый стронций с примесями, фтористый барий с примесями, стекло и т.д. Им может быть и газ. В том же 1960 году газовый лазер на гелий-неоновой основе создал Али Джаван. Возбужденное состояние газовой смеси достигалось за счет сильного электрического поля и газовых разрядов. Однако как твердотельные, так и газовые лазеры имеют очень низкий КПД. Их выходная энергия не превышает 1% от потребленной. Следовательно, остальные 99% тратятся бесполезно. Поэтому очень важным стало изобретение в 1962 году Басовым, Крохиным и Поповым полупроводникового лазера. Советские физики открыли, что если на полупроводники воздействовать электрическим или световым импульсом, то часть электронов покинет свои атомы, и здесь образуются «дырки», которые играют роль положительных зарядов. Одновременное возвращение электронов на орбиты атомов можно рассматривать как переход с более высокого энергетического уровня на более низкий, за счет чего происходит излучение фотонов. КПД полупроводникового лазера при возбуждении электронным пучком может достигать 40%. В качестве активного вещества использовался арсенид галлия, содержащий примеси n-типа. Из этого материала делались заготовки либо в форме куба, либо в форме параллелепипеда — так называемый полупроводниковый диод. Пластинку диода припаивали к молибденовому лепестку, покрытому золотом, чтобы обеспечить электрический контакт с n-областью. На поверхность p-области был нанесен сплав золота с серебром. Торцы диода играли роль резонатора, поэтому они тщательно полировались. Одновременно в процессе полировки их с высокой точностью выставляли параллельно друг другу. Излучение выходило именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны служили контактами, к которым прикладывалось напряжение. На вход прибора подавались импульсы.