Первый рубиновый лазер Теодора Меймана

К 75-летию ученого

Е. В. Савкина,
Московский государственный университет путей сообщения

"Вся история науки на каждом шагу показывает, что отдельные личности были более правы в своих утверждениях, чем целые корпорации ученых или сотни и тысячи исследователей, придерживающихся господствующих взглядов".

В. И. Вернадский

В 1916 г. А. Эйнштейн теоретически обосновал эффект вынужденного излучения (в современной терминологии – лазерный эффект), открыв тем самым возможность создания принципиально новых устройств, генерирующих электромагнитные колебания в оптическом диапазоне частот. В те годы воспользоваться этой возможностью было нельзя, так как было неясно, как можно создать требуемые условия возбуждения электронов в веществе.

Теодор Мейман

На подбор соответствующего вещества и поиск способов его возбуждения ушло более 30 лет. По мнению составителей юбилейного журнала "Electronics", известный советский физик В. А. Фабрикант (Всесоюзный электротехнический институт, Москва) ближе других подошел к пониманию возможности усиления электромагнитного излучения при индуцирующем действии другого излучения, и сделал попытку получить усиление в парах цезия [1]. В 1940 г. он изложил свою теорию, основанную на квантовых принципах, и показал, что при падении на среду электромагнитного излучения определенной частоты происходит его резонансное поглощение, вызывающее переход электронов на верхние энергетические уровни. Если через данную среду проходят фотоны той же частоты, то возможен возврат электронов па нижние уровни с вынужденным излучением фотонов той же частоты. Следовательно, происходит усиление потока фотонов.

В 1954 г. советские физики A.M. Прохоров и Н. Г. Басов получили лазерно-мазерный эффект, состоящий в следующем: поток молекул аммиака, тщательно отсортированных в магнитном поле по одинаковой степени возбуждения, попадал в СВЧ-резонатор и начинал излучать электромагнитные волны. Получила экспериментальное подтверждение теория А. Эйнштейна о возможности вынужденного излучения. В этом же году Д. Гордон, Г. Зейгер и Ч. Таунс объявили о создании первого квантового генератора (мазера), работающего на молекулах аммиака. Правда, генерация излучения была в сантиметровом радиодиапазоне (длина волны l=1,24 см). Возникло новое направление физики – квантовая электроника.

В 1957-1958 гг. A.M. Прохоров и Н. Г. Басов в Москве, в Физическом институте, сформулировали основные принципы создания генераторов и усилителей световых волн. Одновременно в США Ч. Таунс и А. Шавлов (Bell Telephone Laboratories) опубликовали фундаментальную работу в области инфракрасных и оптических лазеров, в которой был описан принцип создания лазера на парах щелочи [2]. За это открытие A.M. Прохоров и Н. Г. Басов совместно с Ч. Таунсом были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Продолжались широкие исследования в области материалов, способов возбуждения и конструкций квантовых генераторов. Ведущие научно-исследовательские лаборатории США, СССР, Великобритании и других высокоразвитых стран проводили интенсивные исследования, однако никому не удавалось создать рабочий образец. Крупные компании, военные ведомства и исследовательские лаборатории вкладывали огромные средства в создание лазера, но это не приближало их к результату. Экспериментальные исследования зашли в тупик и многие ученые стали сомневаться в практической возможности получения когерентного оптического генератора.

Именно в этот момент – момент накопления фундаментальных теоретических результатов и отсутствия практических решений – появился Теодор X. Мейман. Он вошел в историю как физик, которому впервые в мире удалось получить лазерный эффект в твердом теле. В созданном им твердотельном лазере активным веществом служил рубиновый цилиндрический стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки (ламп фотовспышки). Для обеспечения в кристалле рубина инверсной населенности энергетических уровней лампы работали в режиме сверхъярких коротких вспышек, что обеспечивало импульсный режим работы лазера.

Теодор Мейман (или просто Тед, как его тогда называли) родился в 1927 г. в Лос-Анджелесе. Его отец работал инженером-электронщиком в Bell Labs и был изобретателем. Много лет он потратил на то, чтобы доказать необходимость применения электронных устройств в автомобилях. В то время его предложения не вызвали интереса, однако уже через несколько лет все автомобили были оборудованы предложенным им электронным прибором. Талантливый инженер и образованный человек, он предчувствовал широкое применение электроники в различных областях человеческой деятельности и, в частности, внедрение ее достижений в медицину. Именно он изобрел первый электронный стетоскоп [2].

Старший Мейман с детства прививал Теду любовь к электронике и научному поиску. В возрасте 12 лет мальчик помогал отцу ремонтировать различные электронные устройства, а в 14 он уже работал в мастерской одной из компаний. В 1949 г. Теодор Мейман закончил университет штата Колорадо и получил звание бакалавра в области технической физики. В то время он мечтал работать на факультете физики Стэнфордского университета и после нескольких неудачных попыток все-таки достиг поставленной цели.

В Стэнфорде Т. Мейман сделал первые шаги к успеху. Работа под руководством лауреата Нобелевской премии В. Лэмба дала ему именно такую подготовку, которая была нужна для практического воплощения идеи лазера. Диссертация Меймана была посвящена оптическим и СВЧ-измерениям, он изучил различные способы получения оптического излучения и существующие тогда оптические измерительные приборы. Из-за финансовых трудностей он сам разрабатывал и изготавливал необходимое ему для проведения экспериментов специальное электронное оборудование. В 1955 г. Т. Мейман получил степень доктора философии.

Мейман всегда был большим оригиналом. Получив ученую степень, достигнув определенного общественного положения и отчасти удовлетворив свои амбиции, он решил прервать исследования и отправиться в кругосветное путешествие. Мейман подготовил себе преемника, который мог бы продолжить эксперименты на созданном им оборудовании. Это был И. Вейдер, его единственный соратник и помощник, чье имя также впоследствии вошло в историю создания лазера. Вернувшись из кругосветного путешествия, Мейман начал работать в лаборатории Hughes Research, одной из многих включенных в гонку создания лазера. Этой проблемой занимались крупнейшие исследовательские центры: Bell Labs, RCA Labs и др.

Трудности, с которыми столкнулся молодой и мало тогда кому известный ученый, были огромны. Несмотря на то, что Мейман обладал большим исследовательским опытом, в него никто не верил. Его теоретические и практические разработки не находили поддержки, финансирование было скудным. Когда в качестве материала для лазера он выбрал рубин, маститые ученые подняли его на смех. Знакомство со свойствами рубина и опыт работы с ним как с материалом, который может служить источником когерентного излучения, он получил еще в аспирантуре Стэнфордского университета. Был период, когда уставший от бесполезных усилий и насмешек, Мейман даже отказался от использования рубина. На это решение повлияли эксперименты И. Вейдера, который определил, что квантовая эффективность излучения рубина очень низка (около 1%). Т. Мейман обратился к исследованию других материалов, но альтернативы не находил.

И тогда с необычайным упорством, вызывавшим раздражение и насмешки, он вернулся к экспериментам с рубином. Путем повторных опытов Мейман выяснил, что результаты Вейдера были ошибочны. Квантовая эффективность излучения рубина оказалась равной 75%.

В то время большинство ученых пытались создать лазер непрерывного действия. Эти работы основывались главным образом на появившейся в 1958 г. знаменитой статье Э. Сколоу и К. Таунса, излагавших идею оптического лазера и предлагавших использовать для генерации когерентного светового излучения пары натрия, а не твердое вещество. Мейман был верен себе и шел вперед вопреки общепринятому мнению. Ознакомившись с теорией А. Шавлова и Ч. Таунса и сделав вывод, что она не будет работать, он взялся за конструирование своего лазера. Используя самую яркую лампу с элипсоидным рефлектором, он убедился в возможности построения лазера, работающего в непрерывном режиме. Однако надежность такого лазера была очень низкой. Поиск нетрадиционных решений натолкнул его на мысль о целесообразности использования сверхярких стробоскопических ламп, применяемых в фотографии (фотовспышек). Проведенные Мейманом расчеты (в то время они производились только на логарифмической линейке!) показали, что эти лампы действительно обеспечивают оптическую накачку, и он применил их для создания импульсного рубинового лазера.

Рубиновый кристалл, с которым работал Мейман, имел форму стержня, на торцевых поверхностях которого необходимо было сформировать отражающие зеркала. В 1960 г. технологию создания многослойных пленочных покрытий для лазерных зеркал имели только крупнейшие лаборатории. Т. Мейман самостоятельно разработал технологию нанесения серебра на рубиновый стержень и осуществил ее.

16 мая 1960 г. Т. Мейман создал первый в мире рубиновый лазер. На это ушло 9 месяцев колоссальных усилий, работы в атмосфере насмешек, неверия, безденежья. Он обошел в этом соревновании ведущие компании, такие как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG и многие другие.

7 июля 1960 г. на специально созванной пресс-конференции Т. Мейман объявил о создании лазера и рассказал о возможных областях его применения: связь, медицина, военная техника, транс-порт и высокие технологии. Изобретение получило широкий общественный резонанс. Газеты писали, что ученый из Лос-Анджелеса изобрел "луч смерти".

Несколько месяцев спустя, в 1961 г., Bell Labs сообщила о создании первого образца газового лазера, работающего на смеси гелия и неона в непрерывном режиме. Затем был получен лазерный эффект на парах цезия, и началась демонстрация возможностей построения лазеров буквально на сотнях различных материалов.

По мнению Т. Меймана, его успех объясняется несколькими факторами. Во-первых, прекрасное базовое образование и большой научный и практический опыт. Во-вторых, то, что при достижении цели он всегда избегал традиционных представлений, основанных на "незыблемых" постулатах научной элиты. Именно "эффект гуру" (как называл его Т. Мейман) не позволил другим ученым достичь успеха.

Поскольку Ч. Таунс стал одним из лауреатов Нобелевской премии 1964 г. "за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа – мазеров и лазеров", возник некоторый скепсис относительно первенства Т. Меймана в изобретении лазера. Это наглядный пример условности при установлении приоритета некоторых открытий в науке, а также того, что обще-ство не всегда торопится с признанием заслуг первооткрывателей. Известно, что А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии "за важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта" лишь в 1921 г. – через 16 лет после созданной им теории. В. Рентген получил эту премию в 1901 г. – через шесть лет после обессмертившего его открытия. Открытие В. Фабриканта вообще было отвергнуто как нереализуемое.

Но "никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер", – говорит Т. Мейман [1]. И еще: "Если они сделали это, то где же тогда, черт возьми, их лазер?" – и вынимает из кармана тот самый первый лазер, который он создал в 1960 г.

Т. Мейман основал компанию Korad по производству лазеров. Затем создал фирму Maiman Associates, которая в 1976 г. объединилась с компанией TRW. Он стал ее вице-президентом по новейшим технологиям.

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера, Т. Мейман запатентовал некоторые типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Т. Мейман удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества – SPIE, награды президента США, аналога Нобелевской премии в странах Азии – Japan Prize и др.

С 1983 г. Т. Мейман увлекся применением лазеров в медицине. Он продолжает трудиться, готовит специалистов в этой области и считает, что работа составляет счастье его жизни.

Сегодня лазеры широко используются в различных областях человеческой деятельности. Они прочно вошли в быт в виде лазерных дисков, указок, принтеров и т.д. В технике связи без лазеров невозможно представить современные волоконно-оптические и атмосферные линии связи, оптические усилители, оптическую связь между космическими аппаратами. В технологии мощные лазеры используются для прецизионной обработки материалов и упрочения поверхностей. В экологии они обеспечивают высокоточный мониторинг окружающей среды. В медицине лазеры заменяют скальпель при тончайших хирургических операциях, а также широко используются в диагностике и лечении. Во многих оборонных системах лазеры также занимают центральное место. И недаром в 2000 г. была присуждена еще одна Нобелевская премия за исследования, непосредственно связанные с лазерами: Ж. Алферов и Г. Кремер получили ее за развитие полупроводниковых структур для высокоскоростной связи и оптоэлектроники.

Литература

1. Электроника: прошлое, настоящее, будущее. – Перевод с английского под ред. члена-корреспондента АН СССР В. И. Сифорова. – М.: Мир. – 1980 (Electronics. Special Commemorative Isse. – 1980. – Vol. 53. №9 (587), McGraw-Hill Inc/ New York, USA).
2. Friedman G. Inventing the light fantastic: Ted Maiman and the world's first laser // Optical Engineering Reports, 2000.
3. Носов Ю. Р. Дебют оптоэлектроники. – М.: Наука. – 1992.
4. Author Biography. Theodore H. Maiman, Ph.D.
5. http://www.laserinventor.com/AuthorBiography.htm

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №6, 2003 г., стр. 53.
Перепечатывается с разрешения редакции.