Без ножа режет

Благодаря лазерам человечество обрело множество спасенных на столе хирурга жизней, а слабовидящие получили пропуск в мир людей с идеальным зрением. Без них, в общем-то говоря, совсем другой была бы наша жизнь. CD-проигрыватели, принтеры, указки, лазерные шоу по праздникам - это лишь малая часть того, чего у нас могло и не быть. Над тем, как сконцентрировать световые волны в мощный поток, думали многие величайшие ученые прошлого века, начиная с Альберта Эйнштейна. Однако честь изобрести незаменимое сегодня устройство принадлежит российским ученым - Николаю Басову и Александру Прохорову. Причем история этого изобретения полна самых драматичных страниц, ведь официальная советская наука считала исследования в этом направлении бесперспективными.

Евгения ДОРОГОВА

Чудеса света

Наверное, о том, что без света и тепла человечеству не жить, было известно за многие века до того, как появились слова «свет» и «тепло». Когда солнце скрывалось за горизонтом, пламя огня давало людям власть над тьмой, помогало согреваться, с помощью костров они готовили пищу. А тысячелетия спустя люди научились использовать электромагнитное излучение (радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение) в самых разных сферах деятельности. В том числе в середине ХХ в. ученые смогли приручить яркие лучи в своих лабораториях, тем самым создав первый лазер. Этим изобретением человечество обязано в первую очередь российским умам.

Создание лазера - устройства, в котором энергия (например, электрическая, тепловая или химическая) преобразуется в энергию узконаправленного потока излучения, - имеет богатую историю. Слово laser составлено из начальных букв слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения). К идее создать нечто подобное наука пришла не сразу.

Внимание ученых долго притягивало явление люминесценции - самопроизвольного испускания света атомами. Оно происходило благодаря тому, что возбужденный электрон перескакивает с верхних электронных оболочек атома на нижние. При изменении энергетических уровней высвобождается квант энергии - фотон, а множество фотонов и дает световой луч. Однако люминесцентное излучение само по себе слабое. Каждый светящийся атом испускает свои фотоны когда вздумается, соседние атомы светятся в разные моменты, и эта несогласованность делает общее излучение хаотическим. Вот бы найти «дирижера», который заставит атомы светиться одновременно!

Объединить люминесцирующие атомы в единую мощную силу помогла мысль, родившаяся в светлой голове Альберта Эйнштейна.

В 1917 г. физик опубликовал статью, в которой теоретически обосновал, что согласовать разрозненные вспышки излучения атомов позволит электромагнитное излучение извне. Оно способно вынудить возбужденные электроны разных атомов одновременно занять одинаковые энергетические уровни. Так, по мнению ученого, миллионы крошечных светил соединились бы в некую «могучую кучку» и дали бы ярчайшую вспышку света одной длины волны (монохроматического света). После Эйнштейна бразды правления на поле изысканий о вынужденном усилении светового потока занял советский физик Валентин Фабрикант. В 1939 г. ученый предложил усиливать электромагнитное излучение, пропуская его через специальную среду. Вторая мировая война прервала опыты Фабриканта, но в 1951 г. он с соавторами подал заявку на изобретение квантового принципа усиления электромагнитного излучения при прохождении им сред с отрицательным коэффициентом поглощения. Это был ключевой шаг к изобретению лазера. О котором, как оказалось, не знали признанные отцы лазерных технологий - Николай Басов и Александр Прохоров, параллельно работавшие над созданием невиданного устройства.

  

Рождение легенды

В 1955 г. в лаборатории Физического института им. П.Н. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН), где трудился Александр Прохоров, был создан первый в мире квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения. В качестве излучающей среды был избран аммиак (NH₃). Устройство исследователи назвали мазером (аббревиатура от англ. фразы: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление микроволн сверхвысокой частоты (СВЧ) в результате вынужденного излучения).

Уникальный для тогдашней науки механизм несколько отличался от того, что вскоре стал называться лазером (хотя принцип работы был достаточно похож). Вынужденное излучение возбужденных молекул в мазере, в отличие от лазера с привычным нам по фантастическим фильмам ослепительно ярким лучом, было невидимым, поскольку протекало не в оптическом диапазоне, а в диапазоне СВЧ.

Широкого применения мазер не нашел, однако постоянство волны, достигаемое в нем, позволило создавать сверхточные часы, улучшило чувствительность и стабильность радиоустройств, что было использовано в радиоастрономии и космической связи.

Несмотря на то что генератор, изобретенный Прохоровым и Басовым, не обладал достаточной мощностью, для науки середины ХХ в. изобретение мазера стало настоящим прорывом. Прибор, способный извлекать энергию из бессильных, казалось бы, газов, поразил интеллектуальную элиту мира и сделал «дуэт» российских физиков одним из символов столетия. Перед глазами ученого сообщества происходило зарождение лазерной эры. Однако если годом рождения эпохи считать 1955-й, то идея квантового генератора СВЧ Басова и Прохорова была недоношенным ребенком. До лазера изобретению предстояло еще дорасти, не просто сменив букву M на Л, и процесс шел, мягко говоря, нелегко.

Ученые прекрасно понимали, что микроволны не могут раскрыть весь потенциал квантовых генераторов электромагнитного излучения. Ожидалось, что излучение в оптическом диапазоне будет более мощным. Одним из тех, кто свято верил в перспективу создания прибора, способного многократно усиливать энергию светового луча, был Александр Прохоров, будущий нобелевский лауреат, специалист талантливый и незаурядный. Однако он вместе с работниками его лаборатории в то время был глубоко втянут в работу с СВЧ. И его сотрудникам, в отличие от него, лазерные перспективы казались туманными. Тогда ученый предложил им право выбора: изменить направление работы или... изменить все. Решение требовалось принять быстро, в течение месяца.

По истечении этого срока почти все они принесли заявления с отказом: кому-то мешала недописанная кандидатская, кому-то - докторская диссертация. В предложении руководителя отсутствовала конкретика: не было ни резонатора для оптического диапазона волн, ни четко разработанной методики исследования. Ученый понимал, что он обрекает сотрудников на риск и вынуждает сделать шаг в неизвестное, но отступить от своей идеи не мог. И тогда, согласно легенде (которая вполне соответствует темпераменту ученого), Александр Прохоров совершил непостижимый для научного сообщества поступок: он взял молоток и разбил приборы в лаборатории. Разумеется, разгорелся скандал. Исследователю был объявлен выговор, многие немедленно уволились из лаборатории. Но самые верные остались. Не было старых приборов - не стало и старой темы. И они начали заниматься созданием лазера - чего-то нового и непознанного.

Результатом кропотливого труда стало то, что в 1964 г. за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе, Прохорову, Басову и американскому ученому Таунсу, работавшему над прибором параллельно с российскими учеными, была присуждена Нобелевская премия по физике. Отчаянные сотрудники прохоровской лаборатории оказались причастными к рождению легенды.

  

Устройство лазера

Так что же такое лазер, с которым человечество имеет дело каждый день? Как все гениальное, строение прибора достаточно просто. Рассмотрим его на элементарной модели, которая была сконструирована исследователями в 1960 г. Для этого нужен стержень из материала, способного к излучению. Он должен быть прозрачным, чтобы его можно было просветить насквозь. С этой целью отлично подойдут искусственно выращенные кристаллы рубина или граната.

По материалу стержня дается название лазеру - рубиновый, гранатовый...

Рядом со стержнем, идеальная длина которого - 10-60 см, а диаметр - 6-20 мм, нужно поместить осветитель, называемый учеными лампой накачки. Свет лампы должен быть непостоянным, то есть ей следует вспыхивать наподобие вспышки фотоаппарата. Все это окружается отражателем, а с торцов стержня, перпендикулярно ему, устанавливаются два зеркала: сзади - глухое, отражающее падающий свет, а спереди - полупрозрачное, позволяющее лучу выходить. При включении лампы накачки поток cвета обрушивается на стержень, что возбуждает атомы материала, из которого он состоит. Однако это возбуждение продолжается лишь стомиллионную долю секунды, после чего они переходят в нормальное состояние. И... снова возбуждаются, поскольку лампа продолжает вспыхивать. Каждый раз происходит выделение квантов света, которые начинают сталкиваться с атомами, порождая новые кванты. Поток излучения растет, как лавина, причем его дополнительно усиливают зеркала. Окрепший световой луч, отражаясь от зеркальной поверхности, пронзает стержень насквозь, добиваясь небывалой мощи, и наконец вырывается наружу через полупрозрачное зеркало.

Изобретение вызвало у научного сообщества восхищение. В дальнейшем лазерные технологии совершенствовались, лазеры становились мощнее, конструкции - сложнее и продуманнее, а физики трудились над созданием новых и новых видов этой уникальной аппаратуры. От импульсной лампы, помимо рубинового, заработали лазеры на неодимовом стекле, александрите и на алюмо-иттриевом гранате, очень полезные при научных изысканиях. При замене принципа накачки (вместо лампы - электрический заряд) появились азотный, ксеноновый, эксимерный лазеры для лазерной хирургии и даже лазер на парах золота, который нашел применение в археологии. Позднее лазерные технологии охватило новое веяние: в качестве источника накачки стали использовать полупроводниковый диод. За разработку полупроводникового лазера получил Нобелевскую премию еще один знаменитый советский физик - Жорес Алфёров.

Мал да удал

Основным свойством лазерного луча является то, что он распространяется, почти не рассеиваясь, благодаря чему имеет одну длину волны, один цвет и обладает гигантской мощностью. Последняя у некоторых типов лазеров превышает мощность суммарного солнечного излучения. И если свет способен проникать в любые щели, но не может пройти сквозь предметы, то для такого уникального луча, как лазерный, эта проблема неактуальна. Лазер дает настолько плотный пучок света, что тот способен резать любые твердые материалы. Мощность современных лазеров и их разнообразие позволяют им быть полезными в самых разных областях науки, промышленности и в быту.

Медицина

Сегодня историю медицины можно смело разделить на долазерную и лазерную эпохи. Лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика - основные векторы работы медиков, специализирующихся на использовании монохроматического луча во врачебной практике. Детище Прохорова и Басова применяется в урологии, гинекологии, нейрохирургии, гастроэнтерологии и оториноларингологии. Лазерный луч-скальпель легко и бескровно удаляет опухоли, сшивает раны, запаивает язвы, шлифует кожу, удаляет родимые пятна и татуировки. Эксимерный лазер (разновидность ультрафиолетового газового лазера) появился благодаря Басову и Даниличеву еще в 1971 г., и сегодня он успешно помогает слабовидящим обрести хорошее зрение. Лазерная операция на роговице глаза стала синонимом понятия «коррекция зрения», и медицинское сообщество не видит ей конкуренции.

Промышленность

В последние годы оптический квантовый генератор стал правой рукой специалистов самых разных областей промышленности. Лазерная сварка стальных поверхностей позволяет получать идеально ровные швы на деталях для различной техники, включая автомобильную. Раньше резать такие материалы, как стекло, можно было лишь с помощью алмазных инструментов. Теперь же сами бриллианты получают огранку с помощью лазерного луча, а технологии лазерной резки дают безупречные разрезы на самых капризных материалах, избегая их повреждения и нагревания. Прибавим к этому лазерную закалку (термоупрочнение), лазерное оплавление и напыление, лазерную гравировку и маркировку - и сомнения на тему незаменимости лазерного луча для промышленника моментально развеются.

Компьютерные технологии и быт

Для рядового человека эта область применения оптического квантового генератора является важнейшей. CD- и DVD-ROM, сканирующие устройства и лазерные принтеры - вся эта неотъемлемая часть современной жизни имеет в своем составе крошечные, но мощные (вплоть до опасных) лазеры определенных видов. Лазеры - главная составляющая дисковых проигрывателей, музыкальных центров и домашних кинотеатров. Если быть точнее, без квантовых генераторов такое изобретение, как компакт-диск, и не существовало бы. Лазерная головка, наподобие иглы граммофона, считывает информацию с дисков, на которых записана наша любимая музыка. Аналогично - с DVD-записями фильмов или семейного видео.

Удобно разместился красный лазер внутри корпуса лазерных указок. А разноцветное лазерное шоу в небе или на фоне фонтана - небывалое по красоте зрелище, как и лазерная арфа на шоу Жан-Мишеля Жарра. Сегодня, как считают специалисты-электронщики, человечество настолько погрузилось в лазерную эру, что развитие технологий будет идти семимильными шагами. Лазеры не только ярче и долговечнее обычных ламп, но они могут гарантировать более широкий охват цветового пространства, воспринимаемого нашим зрением. Это можно успешно применить во многих областях, включая ТВ-технику. И лазерные телевизоры (разумеется, пока что очень дорогие) уже существуют.

Научные исследования

Лазер, будучи величайшим научным достижением современности, не остается в долгу перед учеными и позволяет им делать новые открытия. Луч, испускаемый квантовым генератором, доходит до Луны, практически не рассеиваясь, благодаря чему появилась возможность точно измерить расстояние до спутника. Сверхбыстрые лазерные импульсы сделали возможным детальное изучение процессов фотосинтеза в растениях. Кроме того, лазеры применяются для изучения оптического спектра веществ. Также лазеры могут быть полезны для запуска и анализа различных химических реакций.

Итак, многократно усиленный свет стал постоянным участником повседневной жизни людей. Сколько еще открытий, связанных с лазерным лучом, пусть и опасным, но давно уже ставшим полезным и незаменимым, нам суждено увидеть? Ведь верно говорил Иоганн Гёте, «где много света, там тень гуще». Что же прячется в этой тени?..