Историческое введение

Казалось бы, нет необходимости писать историческое введение к книге по разделу науки, возникшему всего лишь два года тому назад. В действительности же исторические корни рассматриваемого предмета уходят гораздо глубже, чем это может показаться с первого взгляда, и заслуживают краткого рассмотрения.

Использование вынужденного излучения для усиления в микроволновом диапазоне электромагнитных волн было независимо предложено в течение 1953 и 1954 гг. Вебером в Мэрилендском университете, Таунсом и его студентами в Колумбийском университете, Басовым и Прохоровым в Советском Союзе. Сомнения относительно возможности распространения этого принципа усиления и генерации на оптический диапазон существовали даже после того, как были созданы микроволновые усилители (мазеры)^*. Успешному созданию первого светового усилителя (лазера) Мейманом в 1960 г. предшествовала большая теоретическая работа. Наиболее значительными были статьи Шавлова [72] и Шавлова и Таунса [75], где исследовались общие физические условия, необходимые для работы лазера, в котором используются в качестве рабочего вещества газы или твердые тела. В этих же работах анализировалась возможность использования некоторых конкретных систем, например паров калия, возбуждаемых методом оптической подкачки, и даже обсуждалась возможность оптического возбуждения некоторых линий флуоресценции рубина, что привело в дальнейшем к созданию лазера. Шавлов отметил, что трудно получить вынужденное излучение в рубине при использовании линии R₁, так как эта линия излучения связана с переходом в основное состояние. Вскоре после этого Мейман преодолел указанную трудность, использовав прямой метод чрезвычайно мощного возбуждения, которое ранее предполагалось невозможным.

^* (Название "мазер" происходит от первых букв английского названия - микроволновый усилитель, в котором используется вынужденное излучение (microwave amplification by stimulated emission of radiation, "maser").)

В США и СССР высказывались многочисленные соображения относительно осуществления состояния с отрицательным коэффициентом поглощения в газах. В 1959 г. Джаван [34] и Сандерс [71] в лабораториях фирмы Белл Телефон проводили исследования эффективности электронного возбуждения и обменного возбуждения с целью получить состояния с отрицательным коэффициентом поглощения. Осенью 1960 г. эта работа привела к созданию Джаваном лазера, где использовалась смесь газов гелия и неона. Это произошло вскоре после создания Мейманом рубинового лазера в исследовательских лабораториях фирмы Хьюз. Между тем Бутаева и Фабрикант [15] в Московском энергетическом институте наблюдали усиление света в разряде паров ртути, где для осуществления отрицательного коэффициента поглощения использовалась передача возбуждения при столкновении различных атомов. Эта работа выполнена в 1957 г., но была опубликована в мемориальном сборнике двумя годами позднее и не привлекла внимания ученых Запада. Впоследствии Басов и его сотрудники [5, 69] в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР проделали математический анализ, условий, при которых передача возбуждения при столкновениях в смеси различных газов приводит к отрицательному коэффициенту поглощения. Эта работа была опубликована в 1960 г. вскоре после открытия Джавана.

1961 г. знаменуется новыми успехами как в области развития уже созданных лазеров, так и в области поисков новых материалов, подходящих для лазеров. Однако этот период уже не относится к истории описываемого вопроса, и упомянутые выше достижения обсуждаются в последующих разделах настоящей книги.

Попытки получить усиление и генерацию света с помощью вынужденного излучения были восприняты как дальнейшее распространение принципа работы мазеров. Поэтому ученые лабораторий фирмы Белл Телефон, которые проводили исследования в этой области, ввели термин "оптический мазер" и в большинстве случаев продолжают его использовать. Однако этот термин не совсем удобен, поскольку мы имеем дело с видимой областью спектра или близким к ней диапазоном, а не с микроволновым диапазоном, от которого происходит буква "м" в слове "мазер"^*. Буквальный перевод слова "лазер" (laser) означает усиление света с помощью вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Этот термин в настоящее время принят в английской и русской технической литературе.

^* (Некоторыми американскими физиками слово maser расшифровывается как "Money Acquisition Scheme for Expensive Research", т. е. "схема приобретения денег для дорогостоящего исследования". Начальные буквы слов этой фразы образуют слово maser, что и послужило поводом к этой шутливой интерпретации.- Прим. ред.)

Всюду в дальнейшем мы будем использовать термин "лазер", вкладывая в него тот же смысл, который содержится в термине "оптический мазер".