Наука - Квантовый светоч

История одного из самых важных изобретений XX века – лазера
В 1902 году французский химик Жорж Клод изобрел, а в 1910 году показал публике неоновую лампу. Через пару лет какой–нибудь любознательный умелец уже вполне мог бы приделать к ней боковые зеркала и при большом везении методом проб и ошибок изготовить примитивный лазер. Тогда история техники могла бы сложиться иначе.

А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно когерентно вынуждающему излучению (то есть имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию). А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.

Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей (см. врезку «Квантовое усиление света»), причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор. Но для этой идеи время еще не настало.

Мало кто занимался усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения и в 1930–е годы. Наиболее серьезной работой по этой теме была докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными – опять-таки из-за отсутствия резонатора. В 1957 году Фабрикант и Бутаева даже наблюдали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, однако это так и осталось их личным достижением.

Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.

Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта мысль осенила его весной 1951 года во время прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому небольшому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл впервые испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением. Прибор, который Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сегодня белловский фотофон считают предтечей опто-волоконных систем связи.)

Таунс понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. Изготовить высококачественный объемный резонатор такой величины было не слишком просто, но все же возможно. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ–излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и уже «остепенившийся» Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.

Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков – слишком многих, чтобы рассказать обо всех. Фактически не была решена лишь задача усиления вынужденного излучения с помощью положительной обратной связи. Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс со своим старым другом и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.

Сам термин «лазер» возник даже раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона. Поздней осенью 1957 года это слово появилось на страницах блокнота, где он записывал свои размышления и вычисления. В то время Гулд ничего не публиковал и поэтому не получил признания, которое, бесспорно, заслужил. Правда, в 1970–1980-х он добился утверждения своих патентных заявок и наконец–то стал купаться если не в славе, то в долларах.

Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Этот минерал представляет собой оксид алюминия с небольшой примесью хрома, который и придает ему красный цвет (чистый оксид алюминия бесцветен). Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом. По любопытному совпадению произошло это ровно через 50 лет после того, как Клод поразил воображение посетителей Парижской автомобильной выставки своими светящимися трубками. Лазер Джавана и его коллег работал в инфракрасном диапазоне, но через два года Уайт и Ригден заставили гелий-неоновый лазер излучать красный цвет.

Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад получили Нобелевскую премию). К настоящему времени трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Это, безусловно, одно из важнейших изобретений XX века навсегда изменило нашу жизнь.

Всегда ли вынужденное излучение непременно требует инверсной среды? Нет, и это было известно изобретателям лазера. Чарльз Таунс в нобелевской лекции особо отметил, что инверсия необходима лишь в том случае, если фазы квантовых волновых функций излучающих частиц совершенно случайны. Если же это не так, есть способы усилить электромагнитные волны и в отсутствие инверсии. О такой возможности долго не вспоминали, однако в 1980-х ей всерьез занялись теоретики. Если вынуждающее излучение одновременно возбуждает несколько когерентных колебаний с близкими частотами, они могут интерферировать друг с другом. Взяв под контроль эту интерференцию, можно выключить взаимодействие излучения с поглощающими атомами, но при этом сохранить вынужденное излучение возбужденных атомов. В таком случае излучение будет усиливаться и без инверсии населенностей (см. след. врезку).

Реальность этого эффекта впервые была доказана в 2000 году в экспериментах с атомарными парами. А совсем недавно физики из Англии и Швейцарии получили аналогичные результаты и на полупроводниковых нанокристаллах с тремя энергетическими уровнями. В этих опытах населенность нижнего уровня в четыре раза превышала общую населенность двух верхних.

В лампе накаливания электрический ток нагревает вольфрамовую спиральку и возбуждает атомы вольфрама, перебрасывая их внешние электроны в состояния с повышенными значениями энергии. Эти состояния неустойчивы, поэтому электроны возвращаются на основной уровень, излучая фотоны. Никаких особых усилий для этого не требуется, такое возвращение происходит самопроизвольно, спонтанно. Поскольку спонтанные электронные переходы никак не скоррелированы между собой, световые волны с равной вероятностью испускаются во всех направлениях, с разными фазами, поляризациями и энергиями.

Атомы могут излучать фотоны также под действием фотона, энергия которого близка к разнице уровней. Такой фотон как бы «стряхивает» атом с верхнего уровня на нижний – происходит вынужденный переход. При этом излучаемый фотон оказывается полностью когерентен вынуждающему – он имеет то же самое направление, ту же самую энергию, фазу и поляризацию.

Однако в состоянии термодинамического равновесия количество невозбужденных атомов гораздо больше, чем возбужденных. Чтобы возбудить атомы (перевести на верхние уровни), требуется энергия – химическая, световая или любая другая (это называется накачка). Причем нужно удержать атомы наверху достаточно долгое (по квантовым меркам, конечно) время, чтобы накопить определенный «запас» (в научных терминах – инверсия населенностей). В двухуровневой схеме это затруднительно (хотя и возможно): атомы с верхнего уровня слишком быстро скатываются на основной.

А вот если у нас есть вещество с тремя уровнями, картина меняется. Такую схему в 1955 году предложили Прохоров и Басов. Нужно загнать атомы с помощью накачки на самый верхний из трех энергетических уровней (при поглощении излучения с энергией, соответствующей разности между самым верхним и самым нижним). С верхнего «этажа» большинство атомов быстро спускается на промежуточный уровень и остается там (выбираются активные среды, для которых самопроизвольный переход с промежуточного уровня на нижний запрещен законами квантовой механики). Если запустить в такую среду фотоны с энергией, соответствующей разнице между промежуточным и нижним уровнями, то они инициируют массовый «спуск» атомов на основной уровень и вынужденное излучение, причем все вновь рожденные фотоны будут полностью им когерентны. Более того, двигаясь сквозь среду, все эти фотоны будут вызывать появление все новых и новых одинаковых собратьев. В результате амплитуда исходного светового сигнала многократно возрастет: это и есть усиление света вынужденным излучением, лазерный эффект.

Однако нам нужно изготовить не усилитель, а генератор света! Для этого необходимо задержать большинство вторичных фотонов в среде с инверсией населенностей и заставить их снова и снова индуцировать излучение своих клонов в самоподдерживающемся режиме. Этого можно добиться с помощью особого устройства – оптического резонатора. Лазер в привычном смысле слова – это совокупность активной среды, источника ее накачки и резонатора.

Попробуем превратить обычную «неонку» в лазер. В простейшем виде неоновая лампа представляет собой прямую стеклянную трубку с парой электродов, заполненную смесью неона и гелия. Если на электроды подать напряжение, то в газе возникнет тлеющий разряд. Высвободившиеся при ионизации газовой смеси электроны разгоняются и сталкиваются в основном с атомами гелия, поскольку их гораздо больше. Возбужденные атомы гелия не избавляются от избыточной энергии, испуская световые кванты, а с легкостью отдают ее атомам неона, в результате образуется среда с инверсией населенностей (три уровня плюс подуровни). Тлеющий разряд в неоновой лампе дает около двух десятков спектральных линий, почти все в ближней инфракрасной области. Но на одном из переходов возникает всем известное оранжево-красное свечение с длиной волны 632,8 нм и с энергией квантов 1,96 эВ. Простоты ради обо всех прочих фотонах говорить не будем.

Понятно, что свет неонки в основном некогерентен. Это ведь не единая инверсная среда, каждый атом неона излучает независимо от всех прочих. Но из этого хаоса можно извлечь согласованное излучение, причем с помощью весьма простого приема. Закроем торцы трубки строго параллельными зеркалами, перпендикулярными ее продольной оси. Абсолютное большинство спонтанно излученных фотонов уйдет сквозь стеклянные стенки наружу (поэтому КПД такого лазера невелик – единицы процентов). Но их очень и очень много (1019–1020 в секунду!). Значит, среди них непременно найдутся фотоны, путь которых лежит строго по осевой линии.

Если такой квант беспрепятственно добрался до правого зеркала, он отразится, отправится обратно вдоль этой же оси и по пути встретится с возбужденным атомом неона. В результате рандеву он индуцирует излучение фотона-копии, и в дальнейший путь отправится уже фотонная пара. По дороге к левому зеркалу они могут наплодить еще множество клонов, которые дружно отразятся и двинутся в обратном направлении. Цепная реакция пойдет по нарастающей, и пространство между зеркалами заполнится мириадами курсирующих взад и вперед одинаковых фотонов. Зеркала на концах трубки превращают некогерентное спонтанное излучение в когерентное вынужденное: торцовые рефлекторы и есть тот самый оптический резонатор, который необходим для изготовления лазера.

Однако как вывести это когерентное излучение за пределы среды? Сделаем одно зеркало полностью отражающим, а второе – полупрозрачным. Через него красный луч когерентного света (напомним, что все фотоны имеют одинаковую энергию, фазу, поляризацию и направление) покидает пределы среды. Лазер запущен и будет работать до тех пор, пока не выключат питание.

Конечно, на практике все несколько сложнее. Чтобы инверсия была стабильной, нужно правильно выбрать плотность газовой смеси и электрическое напряжение, а также обеспечить и еще кое-какие технические условия. Но, хотя в целом принцип работы гелиево-неонового лазера не слишком сложен, путь к нему от обычной неоновой лампы занял ровно полвека. Это вновь показывает, что наука развивается отнюдь не по прямой восходящей линии.