Как рубиновая палочка и фотографическая вспышка изменили мир: история первого лазера Маймана

Шестнадцатого мая 1960 года в лаборатории компании Hughes Aircraft произошло событие, последствия которого мы ощущаем буквально каждый день. В тот день физик Теодор Майман запустил первый в истории лазер.

Сегодня лазеры встречаются повсюду: в строительных уровнях, дальномерах, медицинском оборудовании, промышленных станках и оптоволоконных магистралях, связывающих континенты. Однако в конце 1950-х идея получения когерентного луча видимого света выглядела крайне рискованным экспериментом.

Многие специалисты были уверены, что выбранный Майманом путь ведет в тупик.

Скепсис коллег и гонка за невидимым светом

К началу 1960-х годов физики уже научились создавать мазеры — устройства, работающие на принципе вынужденного излучения в микроволновом диапазоне. Работы Чарльза Таунса, Артура Шавлова, Николая Басова и Александра Прохорова показали, что квантовая электроника работает не только в теории.

Следующим шагом выглядел переход к оптическому диапазону. На бумаге все выглядело вполне логично, а на практике возникал главный вопрос: какое вещество использовать в качестве рабочей среды?

Большинство исследователей делало ставку на газы и пары щелочных металлов. На этом фоне решение Маймана использовать твердотельный искусственный кристалл рубина выглядело как сознательный уход в заведомо проигрышный тупик.

Оксид алюминия против устоявшихся догм

Если отбросить романтику драгоценных камней, рубин представляет собой оксид алюминия с небольшой примесью хрома. Ионы хрома замещают малую часть атомов алюминия, придают кристаллу характерный красный цвет и обеспечивают необходимые квантовые свойства. Они активно поглощают световую энергию в широких синем и зеленом диапазонах спектра, чтобы затем перенаправить ее в узкий рабочий пик излучения.

Главная проблема заключалась в репутации материала. Рубин считался худшим кандидатом для оптического генератора. Согласно опубликованным измерениям других лабораторий, квантовая эффективность кристалла была слишком низкой, чтобы в нем можно было получить инверсию населенности. Физики утверждали, что заставить этот материал выдать когерентный луч на его базовой длине волны в 694,3 нанометра практически невозможно.

Вместо поиска другого материала Майман решил лично перепроверить исходные данные предшественников. Выяснилось, что старые расчеты спектральных характеристик содержали грубую ошибку. После повторного анализа рубин неожиданно превратился из аутсайдера в одного из наиболее подходящих кандидатов.

Устройство первого лазера

Конструкция установки выглядела удивительно простой даже по современным меркам, из-за чего ее легко можно было принять за проект радиолюбителя-энтузиаста. В основе прибора находился рубиновый стержень длиной около четырех сантиметров и диаметром чуть меньше сантиметра. Майман подверг торцы этого стержня тщательной ювелирной обработке: их отполировали с оптической точностью и сделали строго параллельными друг другу.

Затем на поверхности нанесли серебряное покрытие разной плотности. Один торец превратился в глухое зеркало, отражающее практически весь свет, а второй остался частично прозрачным. Такая геометрия образует классический оптический резонатор Фабри — Перо, который до сих пор применяется в лазерной технике.

Самой сложной инженерной частью проекта оказалась накачка рубина энергией. Чтобы заставить кристалл излучать, требовалось перевести огромное количество его атомов в возбужденное, «заряженное» состояние.

Для этого на рубин нужно было обрушить колоссальный объем световой энергии, причем сделать это практически мгновенно, иначе тепловое движение атомов сорвало бы эксперимент. Обычные лампы непрерывного свечения с такой задачей не справлялись и просто сожгли бы установку.

Решение нашлось в обычном магазине фототоваров. Майман взял мощную спиральную ксеноновую лампу-вспышку, предназначавшуюся для профессиональной фотосъемки, и обвил ее вокруг рубинового стержня, заставив работать в качестве импульсного источника накачки.

Как запустить лавину одинаковых фотонов

Во время мощной ксеноновой вспышки электроны ионов хрома мгновенно переходили на высокий энергетический уровень. Затем следовал быстрый безызлучательный переход на промежуточный метастабильный уровень, где частицы могли задерживаться сравнительно долго по атомным меркам — около нескольких миллисекунд.

Когда верхний уровень оказывался заполнен сильнее нижнего, возникало состояние инверсии населенности. Спонтанный возврат одного из электронов в основное состояние порождал фотон с длиной волны 694,3 нанометра.

Пролетая вдоль оси кристалла, этот случайный фотон вынуждал другие возбужденные атомы испускать точно такие же фотоны, совпадающие по фазе и направлению. Лавина света многократно отражалась между зеркалами резонатора, лавинообразно усиливалась и в итоге пробивала полупрозрачный торец коротким, монохроматическим красным импульсом.

Отказ рецензентов и рождение новой эпохи

Редакция престижного журнала Physical Review Letters отказалась публиковать статью Маймана с описанием работающего прибора, посчитав результаты незначительными и назвав их простым развитием уже известных микроволновых мазеров. Работу в итоге напечатал Nature, зафиксировав исторический приоритет инженера.

Технология, которую поначалу иронично называли решением в поисках задачи, постепенно проникла практически во все сферы современной жизни. Сегодня лазеры используются в хирургии, тяжелой промышленности, научных приборах, измерительных инструментах и производстве микросхем.

Передача колоссальных объемов данных по оптоволокну между континентами напрямую зависит от лазерных диодов. При этом отправной точкой для всей гигантской индустрии по-прежнему остается скромная схема 1960 года: рубиновый стержень, пара серебряных зеркал и мощная фотографическая вспышка.