Текст книги "История лазера"
Автор книги: Марио Бертолотти
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 31 страниц)
М. Бертолотти
История лазера
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Пятьдесят лет назад произошло знаменательное событие. Теодор Мейман, сотрудник Исследовательской лаборатории фирмы Говарда Хьюза (США), 16 мая 1960 г. продемонстрировал совершенно новый источник высококогерентного света – лазер. В честь этого события 2010 г. был объявлен Международным годом лазера, и научная общественность многих стран отмечала юбилей этого выдающегося научного и технологического достижения. Создание этого замечательного устройства имеет свою продолжительную и драматическую историю. Ей посвящен ряд книг, в том числе книга самого Меймана «Лазерная одиссея». В ней он откровенно и увлекательно рассказал историю создания своего рубинового лазера в условиях жесткой конкуренции между исследовательскими лабораториями могучих фирм и ведущих университетов США. Они начали гонку в стремлении первыми создать генератор световых волн, после того как в 1954 г. был создан генератор радиоволн, использующий вынужденное излучение молекул аммиака (мазер).
Разумеется, созданию лазера предшествовало развитие многих физических фундаментальных идей и экспериментальных результатов. В книге профессора М. Бертолотти «История лазера» описывается это развитие, начиная с античных времен. Эта книга является одной из лучших по этой теме, она выдержала два издания, и ее перевод предлагается российскому читателю. К достоинствам книги относится стремление автора к объективному описанию, не умаляя роль российских ученых. Так, он отмечает выдающуюся роль А.С. Попова в изобретении радио. Естественно, что Бертолотти подробно описывает достижения своего соотечественника Map кони, и читатель узнает, в каких комфортных условиях работал Маркони в отличие от поистине ужасных условий и обстоятельств, выпавших на долю Попова. Касаясь научных результатов, которые имели прямое отношение к исследованиям, приведшим к созданию лазеров, Бертолотти отмечает замечательное открытие Е.К. Завойским электронного парамагнитного резонанса, которое он сделал в Казани в годы войны. Американские исследователи, получившие аналогичные результаты, были удостоены Нобелевской премии. Также Бертолотти воздает должное советским ученым Н.Г. Басову, Б.М Вулу, О.Н. Крохину и Ю.М. Попову, которые показали возможность создания полупроводникового лазера еще до того, как был создан первый рубиновый лазер.
Как известно, фундаментальной основой принципа работы лазера является концепция вынужденного излучения, разработанная А. Эйнштейном. Еще до войны советский ученый В.А. Фабрикант показал в своей диссертации, что при определенных условиях можно получить усиление света, а не поглощение, при прохождении его через слой вещества. Правда, его расчеты и оценки показывали, что этот эффект чрезвычайно мал и трудно рассчитывать на его использование, тем более что уже существовали фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи – приборы, позволяющие регистрировать и усиливать очень слабые оптические сигналы. И Фабрикант не счел необходимым опубликовать свой результат в научных журналах.
Для использования слабого эффекта усиления за счет вынужденного излучения требовалось использование положительной обратной связи, превращающей усилитель со слабым усилением в генератор. Однако концепция генератора и резонатора, с помощью которых можно осуществить положительную обратную связь, была чуждой для специалистов-оптиков. Демонстрация использования эффекта вынужденного излучения для генерации электромагнитного излучения была осуществлена в радиодиапазоне. Ч. Таунс и Н.Г. Басов с A.M. Прохоровым независимо создали принципиально новый источник радиоволн. Свой прибор американские исследователи назвали мазером (английская аббревиатура фразы: усиление радиоизлучения с помощью вынужденного излучения), подчеркивая роль вынужденного излучения. Советские исследователи назвали свой прибор молекулярным генератором, подчеркивая тот факт, что колебательной системой были молекулы, в которых реализовывался эффект вынужденного излучения. Поскольку фундаментальный эффект вынужденного излучения имеет место для электромагнитных волн независимо от их длины, было очевидно, что в принципе можно построить генератор и оптического диапазона. Вот почему Ч. Таунс, Н.Г. Басов, A.M. Прохоров получили в 1964 г., после создания лазера, Нобелевскую премию по физике за свой фундаментальный вклад в решение проблемы создания принципиально нового источника (генератора) света – лазера.
Следует подчеркнуть, что практическая реализация переноса концепции генератора, использующего эффект вынужденного излучения, из радиодиапазона в оптику представлялась крайне трудной. Одной из принципиальных проблем был необходимый резонатор. В радиодиапазоне резонаторы обычно имеют размер, определяемый длиной волны. Длина волны света исключала возможность использования подобных резонаторов в оптике. Здесь важнейший результат был получен A.M. Прохоровым, который предложил и со своими сотрудниками экспериментально продемонстрировал резонатор электромагнитных волн нового типа, образованный двумя параллельно расположенными пластинами с высоким коэффициентом отражения. Можно вспомнить, что так же устроен интерферометр Фабри-Перо, изобретенный в 1899 г. Но это был спектроскопический прибор с высоким разрешением. Никто не рассматривал его как особый тип резонатора. Прохоров показал, что такой резонатор является открытым и в него можно поместить вещество, обладающее, пусть даже малым, коэффициентом усиления.
Создание такого вещества – активной среды – также представлялось чрезвычайно сложной проблемой. Дело в том, что условия получения усиления – инверсной населенности уровней, соответствующих кванту излучения, – предполагают сильно неравновесный термодинамический процесс. Ч. Таунс и А. Шавлов рассмотрели в своей статье в Physical Review (1958 г.) проблемы распространения представлений микроволновой мазерной генерации в область инфракрасного и видимого диапазона. Указав на принципиальную разрешимость проблемы и предполагаемые пути ее решения, они, тем не менее, подчеркивали трудность практической реализации; в частности, А. Шавлов считал рубин непригодным для этой цели.
Поэтому совершенно удивительным стал факт создания лазера на рубине Теодором Мейманом, мало известным физиком, работающим в промышленной фирме, который не находился в числе людей, уже старающихся реализовать предложения Таунса и Шавлова. Величайшая заслуга Меймана в том, что он показал, как легко построить действующий лазер вопреки всем опасениям. В связи с этим следует сказать, что в Советском Союзе очень быстро была воспроизведена конструкция Меймана. В Государственном оптическом институте (г. Ленинград) рубиновый лазер был запущен 2 июня 1961 г., а в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР – 18 сентября 1961 г. Причем для запуска лазера не потребовалось сложных технологий и особых экспериментальных методик. Оказалось возможным использовать рубиновый образец, вырезанный из искусственных камней, используемых в часовой промышленности, а для накачки использовались стандартные импульсные лампы, применяемые в авиации.
Как часто случается, как только был открыт способ создания нового устройства, множество людей вскочили на подножку набирающего скорость поезда. Возникла целая лавина работ по лазерам самых различных типов. Появились и претензии на приоритет. В книге целая глава посвящена «войне патентов». К сожалению, Мейман так и не получил Нобелевской премии за свое гениальное достижение. Но его приняли в Зал славы Национальных изобретателей США, чести которой удостоена такая личность, как Эдисон. Книга М. Бертолотти будет весьма полезной всем, кто интересуется историей науки и техники.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе «Война миров» (1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэш Гордона (1950) широко использовались пистолеты, испускающие световые лучи, – оружие, которое сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры.
Слово «лазер» теперь хорошо известно и неспециалисту, который буквально окружен применениями лазерного света, в области в области медицины (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникации (волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации на компакт-дисках, голограммы), а также в технологии (сверление, резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, печатание газет).
Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света с особыми свойствами, радикально отличающимися от обычных источников, таких как свеча или лампочка. В самом деле, свет лазера одного цвета (а не смесь цветов белого света) и испускается в одном направлении (а не во всех направлениях, как свет лампочки). Это позволяет нам собирать его линзой и фокусировать в область очень малых размеров. Спектральная чистота и направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность в малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.
В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение – доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение – процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.
Для того, чтобы объяснить различные явления согласно исторической последовательности, мы проследим историю света и первые шаги квантовой механики. При этом мы учитываем, что развитие науки испытывает зигзаги так, что многие идеи оказываются слишком передовыми для своего времени и не находят признания и пользы, в то время как другие могут возникать одновременно и независимо в умах многих людей как неизбежное следствие предыдущих идей, являющихся необходимыми предпосылками.
ВВЕДЕНИЕ
Рождение мира, как оно описывается в Книге Бытия, фактически не противоречит большинству новейших космологических теорий Большого Взрыва, согласно которым Вселенная возникла в результате огромного взрыва с яркой вспышкой света.
Но как образуется свет? У ребенка этот вопрос не вызывает удивления, и он отвечает, что свет приходит от Солнца, или от электрической лампочки или от огня. Вообще говоря, это правильно. Однако почему Солнце испускает свет и, в продолжение вопроса, почему оно горит? На протяжении тысяч лет человечество не задавалось этим вопросом, а связывало свет с философскими и религиозными концепциями, делая упор на проблемы, связанные со зрением. В греческой мифологии мы встречаем титана Эпиметея который согласно мифу давал каждому живому существу при Создании специфические особенности, нужные для своей защиты и выживания. Так, он снабдил черепаху прочным панцирем, осу жалом и т.д. до тех пор, пока он не дошел до людей, и, исчерпав все возможности природы, не мог ничего найти для человека. Платон пишет, что человек стоял «наг, бос, без дома и защиты». Эпиметей попросил своего брата Прометея помочь ему. Тот похитил огонь у Зевса и подарил его человеку, способствуя тем самым прогрессу человечества, культуры и технологий. Зевс, полный злости и ревности, наказал Прометея, приковав его цепями к горам Кавказа, где каждый день орел терзал его печень. Желая не дать возможности людям насладиться этим даром, он приказал Эфесу создать первую зловещую женщину, прекрасную Пандору, которая стала женой Эпиметея. Она, сгорая от любопытства, открыла ящик, который должна была охранять и не открывать. Этот ящик был полон всеми демонами мира, и они разлетелись, принося несчастья всем людям.
Подобным же фантастическим образом природа света мыслилась древними египтянами, для которых свет получался как взгляд Ра, их бога Солнца.
В 1300 до н.э. некий жрец писал: «Когда бог Ра открывает свои глаза – возникает свет, когда он закрывает свои глаза – наступает ночь».
Можно было бы привести много других примеров, показывающих, что в античные времена происхождение и природа света рассматривались в религиозном и фантастическом духе.
Представления о свете древних греков
В VI в. до н.э., когда в Греции философия и наука развивались совместно, Пифагор сформулировал теорию света, согласно которой прямолинейные видимые лучи испускаются глазом и ощупывают объект, давая зрительное ощущение.
Согласно Эмпедоклу (около 483—423 до н.э.), Афродита (богиня любви) снабдила наши глаза четырьмя элементами, которые, по его мнению, являются сущностью всех вещей (земля, вода, воздух и огонь) и свет огня подобен человеку, использующему фонарь для освещения своего пути в темноте. Зрение получается в результате действия глаза на объект: глаза испускают свой собственный свет.
Платон (около 428-427 до 348-347 до н.э.) предполагал, что огонь в глазу испускает свет и этот внутренний свет смешивается с дневным светом, образуя связь между объектами внешнего мира и душой, являясь, таким образом, мостом, благодаря которому мельчайшие движения внешних предметов создают зрительное ощущение. Согласно этому философу две формы света – одна внутренняя и другая внешняя – смешиваются и действуют как посредник между человеком и с темнотой внешнего мира.
Начальные попытки механистического подхода к сущности зрения начались с Эвклида, великого александрийского математика, который жил около 300 до н.э. В своих сочинениях по оптике он дал четкую геометрическую теорию зрения. Он продолжал верить, что свет исходит из глаза, но в отличие от смутных светящихся и эфемерных испусканий, предполагаемых Эмпедоклом и Платоном, он рассматривал прямолинейные лучи света, к которым применима математическая дедукция. В своих развернутых математических работах он дал геометрическую форму зрительных лучей и вывел некоторые из законов геометрической оптики, которые известны по сегодняшний день. Он, а также как Архимед (около 287-212 до н.э.) и Герон (III или II в. н.э.) разделяли учение Пифагора. Напротив, Демокрит (470-360 до н.э.) и атомисты предполагали, что светящиеся предметы испускают атомы, которые создают образы этих предметов и которые, когда попадают в глаз, создают видение.
Ущерб, нанесенный Аристотелем
Позднее Аристотель (384-322 до н.э.) определял свет как «действие прозрачного тела и что свет сам по себе прозрачен», наблюдая, что прозрачное тело имеет «силу» пропускать свет, но только пока свет проходит через него, т.е. свет включает способность быть прозрачным.
Если мы смотрим на глаза кошки в темноте, то мы замечаем, что они ярко светятся и кошка легко передвигается в темноте; этот факт убеждал древних людей в реальном существовании огня в глазах, как это утверждали Эмпедокл и Платон. Однако возникал колкий вопрос: если в глазу имеется источник света, то почему человек не может видеть в темноте? Ответов было много, но Аристотель положил конец дискуссиям, настаивая, что темный воздух не прозрачен: только когда лампа зажигается, он становится прозрачным из-за того, что свет активирует его скрытную прозрачность, после чего человек способен видеть. Мы снова можем спросить: почему эти же соображения не применимы к кошке, которая видит и без зажженной лампы? Во всяком случае, все эти соображения не дают ответа на вопросы, касающиеся природы света и его возникновение. В течение Средних веков, когда проблемы природы обсуждались на основе аристотелевой философии, согласно которой «природа» вещей заключается, в конце концов, в них самих, не было никакого прогресса найти решение.
Святой Фома Аквинский (1227—1274) провозглашал, что «происхождение нашего знания заключается в восприятиях, и даже в отношении тех вещей, которые лежат за пределами чувств», и что «метафизика, получает свое название («за физикой»), из-за того, что для нас, которые естественно приходят к знанию о невещественном путем чувственных восприятий, разумно считать, что этот объект изучения лежит за пределами физики».
Аристотелизм был полностью признан в Европе в XIII в., доминируя, по крайней мере четыре столетия, настолько, что даже в 1624 г. парламент в Париже декларировал, что под страхом смерти никто не смеет учить доктринам, противоречащим Аристотелю.
Ученые средневековья рассматривали аристотелев энциклопедический свод знаний как не подлежащий совершенствованию. Они принижали взгляд святого Фомы, касающегося соотношения между физикой и метафизикой, утверждая «не дело физики теоретизировать относительно фактов и законов или заниматься реконструкцией космологии или метафизики... если физическая теория не совместима с полученными метафизическими учениями, ее не следует принимать, поскольку метафизика, а не физика является высшей наукой о природе». В согласии с этим они истолковывали окружающий мир только путем применения формальной логики, т.е. дедуктивных выводов из темных, бесплодных принципов, которые фактически являлись окаменелостью порочной аристотелевой физики. Этот подход не мог принести ничего кроме пространной софистики и тормозил научный прогресс.
Хотя Аристотеля следует рассматривать как величайшего философа – одного из основателей логики, – его учение появилось в момент упадка творческого периода греческих мыслителей, и вместо стимулирования дальнейшей интеллектуальной активности оно было принято как догма и положило конец любой другой философской активности. Двумя столетиями позже, во времена роста новых философских концепций, практически любой прогресс в науке, в логике и в философии начинался с оппозиции к аристотелевым теориям.
Появление современной науки
Необходимым условием появления современной науки было освобождение от философии Фомы Аквинского. Прогрессу способствовал ряд обстоятельств. В течение XV в. различные причины привели к упадку папства, что привело к быстрым политическим и культурным изменениям в обществе. Изобретение пороха усилило центральную власть в феодальном обществе, а новая – по существу классическая – культура превозносила Грецию и Рим и порицала средневековье.
Решающими обстоятельствами для возрождения науки были: новое соотношение между Землей и Солнцем, предложенное Николаем Коперником (1473-1543) в 1543 г., согласно которому, Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, как это предполагалось со времен Птолемея (египетский астроном, математик и географ, около 100—178 н.э.) (рис.1), а также успехи теорий Кеплера (1571 – 1630), появившихся в начале XVII в, Кеплер, сформулировав три закона, которые управляют движением планет вокруг Солнца, продемонстрировал ошибочность аристотелевых принципов, согласно которым небесные тела принципиально отличаются от земных.
Рис. 1. (а) Модель Птолемея, принятая вплоть до начала 17-го столетия: Земля в центре, а Солнце и планеты вращаются вокруг нее. Планеты описывают малые окружности (эпициклы), центры которых движутся по большим окружностям (дифферентам) с Землей в центре, (б) Версия Солнечной системы по Копернику: Солнце в центре, а планеты вращаются вокруг него по концентрическим круговым орбитам
Кеплер родился в маленьком городке Вёйль в Вюрттемберге. Он учился с намерением стать протестантским пастором, но, будучи сторонником идей Коперника, он вряд ли мог на это рассчитывать. Его профессор математики и астрономии рекомендовал его для преподавания в Граце, где он опубликовал в 1596 г. свою первую работу, Mysterium Cosmographicum, в которой ясно выразил свою веру в математическую гармонию Вселенной. Будучи протестантом, он был изгнан, когда курфюрст Фердинанд начал жестокую контрреформацию, и перебрался в Прагу по приглашению астронома Тихо Браге (1546—1601), с которым он сотрудничал вплоть до его смерти. Он использовал точные астрономические наблюдения Тихо, чтобы разработать свои законы планетарного движения. После смерти императора Рудольфа II он отправился в Линц, чтобы защитить свою мать, которую обвиняли в колдовстве (надо отметить, это ему успешно удалось). Когда курфюрст Фердинанд в 1619 г. стал императором под именем Фердинанд II, преследования протестантов усилились, и в 1626 г. Кеплер был вынужден покинуть Линц. После многих странствий он умер в 1630 г. по дороге в Ратисбон, куда он направлялся, добиваться правосудия от парламента. Разразившаяся вскоре Тридцатилетняя война уничтожила следы его захоронения, которое было за городскими воротами. Кеплер, один из вождей астрономической революции, всю свою жизнь занимался составлением гороскопов, хотя и не верил в них, с целью поправить свои скудные финансы.
Кеплер восхищался старой идеей Пифагора, в которой превозносилась сферическая форма, и старался найти в движениях планет такие же пропорции, которые проявляются в музыкальных гармониях и в правильных многоугольниках. В его представлении планеты, так же как и Земля, были как бы живыми существами с индивидуальными душами. Отказ от такого фантастического взгляда на физический мир начатый Галилеем и законченный Ньютоном, у Кеплера это не было столь явным, и его научный метод рассмотрения проблем сочетался с отклонениями в сторону магических символических положений, типичных, например, для алхимии.
Небесные тела с Солнцем в центре, по Кеплеру, являются воплощением, хотя и несовершенным, сферического образа Святой Троицы. Уже в Mysteerium Cosmographicum он писал: «Образ триединого Бога – сферическая поверхность, т.е. Бог-Отец в центре, Солнце является внешней поверхностью, а Святой Дух подобен лучам, испускаемым из центра к сферической поверхности».
Из своих наблюдений за движением планет он заключил, что они обращаются вокруг Солнца, описывая эллипсы с Солнцем в одном из фокусов (первый закон) и, что линия, которая соединяет планету с Солнцем, покрывает равные площади за равные времена (второй закон). Кроме того, он продемонстрировал, что эти орбиты не произвольны, а именно, максимальное расстояние планеты от Солнца является некоторым соотношением с временем, которое требуется для совершения полного обращения вокруг Солнце (третий закон, рис. 2).
Рис. 2. Законы Кеплера, (а) Первый закон утверждает, что планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов. Соответственно перигелий и афелий – точки минимального и максимального расстояния от Солнца, (б) Второй закон утверждает, что линия, которая соединяет Солнце с планетой, покрывает равные площади за равные промежутки времени. Поэтому, две заштрихованные области равны, если их покрытие происходит за одно и то же время, и планета должна двигаться с большей скоростью, когда проходит сегмент, который ближе к Солнцу, чем когда она проходит сегмент с большим удалением от Солнца. Третий закон устанавливает, что квадрат времени, которое планета затрачивает на полный оборот вокруг Солнца, пропорционален кубу главной полуоси эллипса орбиты
