Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 52 страниц)

Annotation

Книга, которую Вы взяли в руки редкий сплав добротного изложения основ современной физики и ее истории. �стория науки предстает здесь в неразрывной связи драмы идей в познании природы и судеб конкретных людей. Все эти выдающиеся исследователи были захвачены в круговорот жестокой истории XX века, которой в книге уделено немало страниц.

Автору удалось совместить рассказы о жизненном пути замечательных личностей спристальным, шаг за шагом, анализом гипотез, теории и эксперимента.

Для широкого круга читателей, интересующихся современной физикой.

М. Бертолотти

ПРЕД�СЛОВ�Е ПЕРЕВОДЧ�КА

ПРЕД�СЛОВ�Е

ВВЕДЕН�Е

Представления о свете древних греков

Появление современной науки

Декарт

Галилей

Физика Декарта

Закон преломления

ГЛАВА 1

Роберт Гук

Христиан Гюйгенс

�саак Ньютон

Ньютон и свет

Великая революция Ньютона в физике

Ньютон как публичный человек

Ньютонская теория света

Волновая теория со временем становится доминирующей

Теория электромагнетизма Максвелла

ГЛАВА 2

�стоки спектроскопии

Атомы

Атомный вес

Рлектрон появляется

Нобелевская премия

Формула Бальмера

Ридберг и комбинационный принцип

Влияние магнитного поля на спектральные линии

Первая модель атома

ГЛАВА 3

�злучение и температура

Черное тело

Законы черного тела

Макс Планк и закон черного тела

Закон Рэлея

Закон Планка

ГЛАВА 4

Резерфорд и планетарный атом

Нильс Бор

Атом Бора и Резерфорда

Модели, разработанные до Бора

Признание гипотезы Бора

ГЛАВА 5

Молодой Рйнштейн

Цюрихский Политехникум

Патентное бюро

Его академическая карьера

Профессор Рйнштейн

Частная жизнь Рйнштейна

Теория относительности

Рйнштейн Рё статистика фотонов

Рйнштейн РІ Принстоне

ГЛАВА 6

Фотоэлектрический эффект

�ндуцированное излучение

Роль вынужденного излучения в теории дисперсии света

ГЛАВА 7

Ркспериментальное открытие электромагнитных волн

Маркони и радио

РџРѕРїРѕРІ

Микроволны

Магнетрон

Клистрон

Радар

Разработки радаров в Великобритании

Резонаторный магнетрон

Радар в других странах

ГЛАВА 8

Первое доказательство существования дискретных энергетических состояний атомов

Дальнейшее развитие теории Бора

Пространственное квантование

Принцип исключения[3]

Спин электрона

ГЛАВА 9

Резонансный метод с молекулярными пучками

Явления магнитного резонанса в твердых телах

Магнитный резонанс

Рлектронный парамагнитный резонанс

Атомные часы

Ркспериментальное доказательство инверсии населенности

Отрицательная температура

Глава 10

Предложение Вебера

Таунс и первый мазер

Русский подход к мазеру

Трехуровневый мазер

Атомные часы

Генерация от ускоренных электронов

Космические мазеры

ГЛАВА 11

Предложение Фабриканта

Оптическая бомба

Предложение Таунса и Шавлова

ГЛАВА 12

Война патентов

ГЛАВА 13

Мейман начинает создавать рубиновый мазер

Рубиновый лазер

Второй твердотельный лазер

Гелий-неоновый лазер

Цезиевый лазер

Неодимовый лазер

Лазеры на органических красителях

Лазерные диоды

Существует ли лазер в природе?

ГЛАВА 14

Лазер для военных целей

Солнечные лазеры

Оптические волокна и лазерная связь

Компакт-диски

Медицинские применения

Технические применения

�змерительные системы

Оптические считыватели информации в торговле

Применения в строительстве

Атмосфера

Адаптивная оптика

Спектроскопия

Геофизика

Лазер и Луна

Гравитационные волны

Лазеры ультракоротких импульсов

Нелинейная оптика

Квантовая криптография

Захват атомов

Конденсация Бозе-Рйнштейна

�ЛЛЮСТРАЦ��

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Librs.net

Благодарим Вас за использование нашей библиотеки

Librs.net

.

М. Бертолотти

�стория лазера

ПРЕД�СЛОВ�Е ПЕРЕВОДЧ�КА

Пятьдесят лет назад произошло знаменательное событие. Теодор Мейман, сотрудник �сследовательской 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 РјРЅРѕРіРёС… физических фундаментальных идей Рё экспериментальных результатов. Р’ РєРЅРёРіРµ профессора Рњ. Бертолотти Р�стория лазера описывается это развитие, начиная СЃ античных времен. Рта РєРЅРёРіР° является РѕРґРЅРѕР№ РёР· лучших РїРѕ этой теме, РѕРЅР° выдержала РґРІР° издания, Рё ее перевод предлагается СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕРјСѓ читателю. Рљ достоинствам РєРЅРёРіРё относится стремление автора Рє объективному описанию, РЅРµ умаляя роль СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёС… ученых. Так, РѕРЅ отмечает выдающуюся роль Рђ.РЎ. РџРѕРїРѕРІР° РІ изобретении радио. Естественно, что Бертолотти РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕ описывает достижения своего соотечественника Map РєРѕРЅРё, Рё читатель узнает, РІ каких комфортных условиях работал Маркони РІ отличие РѕС‚ поистине ужасных условий Рё обстоятельств, выпавших РЅР° долю РџРѕРїРѕРІР°. Касаясь научных результатов, которые имели РїСЂСЏРјРѕРµ отношение Рє исследованиям, приведшим Рє созданию лазеров, Бертолотти отмечает замечательное открытие Р•.Рљ. Завойским электронного парамагнитного резонанса, которое РѕРЅ сделал РІ Казани РІ РіРѕРґС‹ РІРѕР№РЅС‹. Американские исследователи, получившие аналогичные результаты, были удостоены Нобелевской премии. Также Бертолотти воздает должное советским ученым Рќ.Р“. Басову, Р‘.Рњ Вулу, Рћ.Рќ. РљСЂРѕС…РёРЅСѓ Рё Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІСѓ, которые показали возможность создания полупроводникового лазера еще РґРѕ того, как был создан первый рубиновый лазер.

Как известно, фундаментальной РѕСЃРЅРѕРІРѕР№ принципа работы лазера является концепция вынужденного излучения, разработанная Рђ. Рйнштейном. Еще РґРѕ РІРѕР№РЅС‹ советский ученый Р’.Рђ. Фабрикант показал РІ своей диссертации, что РїСЂРё определенных условиях можно получить усиление света, Р° РЅРµ поглощение, РїСЂРё прохождении его через слой вещества. Правда, его расчеты Рё оценки показывали, что этот эффект чрезвычайно мал Рё трудно рассчитывать РЅР° его использование, тем более что уже существовали фотоэлектронные умножители Рё электронно-оптические преобразователи РїСЂРёР±РѕСЂС‹, позволяющие регистрировать Рё усиливать очень слабые оптические сигналы. Р� Фабрикант РЅРµ счел необходимым опубликовать СЃРІРѕР№ результат РІ 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 СЃРїРѕСЃРѕР± создания РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства, множество людей вскочили РЅР° подножку набирающего скорость поезда. Возникла целая лавина работ РїРѕ лазерам самых различных типов. Появились Рё претензии РЅР° приоритет. Р’ РєРЅРёРіРµ целая глава посвящена РІРѕР№РЅРµ патентов. Рљ сожалению, Мейман так Рё РЅРµ получил Нобелевской премии Р·Р° СЃРІРѕРµ гениальное достижение. РќРѕ его приняли РІ Зал славы Национальных изобретателей РЎРЁРђ, чести которой удостоена такая личность, как РРґРёСЃРѕРЅ. РљРЅРёРіР° Рњ. Бертолотти будет весьма полезной всем, кто интересуется историей науки Рё техники.