История. Ла́зер (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения)

Ла́зер (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

В основу работы лазеров положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного(стимулированного) излучения а томов и молекул, которое было предсказано Альбертом Эйнштейном ещё в 1916 году. Он показал, что между средой, состоящей из молекул, атомов, электронов, и светом происходит постоянный обмен энергией в результате порождения одних и уничтожении других квантов света. Среда может как поглощать и рассеивать, так и, при определённых условиях, усиливать падающее на неё излучение. Причём излучение может быть как спонтанным (самопроизвольным), так и стимулированным.

Значительный вклад в дело развития лазеров внёс советский физик Валентин Александрович Фабрикант. В 1939 году, анализируя в своей докторской диссертации спектр газового разряда, он указал на возможность усиления света посредством стимулированного излучения и сформулировал необходимые для этого условия. Продолжая работать над идеей возможности создания усилителя света, он в 1951 году вместе Ф. А. Бутаевой и М. М. Вудынским впервые получил экспериментальное подтверждение своих расчётов и опубликовал свои результаты. Была сформулирована заявка на на изобретение: «Предлагается способ усиления электромагнитного излучения».

В 1952 году учёные трёх стран одновременно (В Советском Союзе – Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, в США – Ч. Таунс, Дж. Гордон и Х. Цайгер, в Канаде – Дж. Вебер) независимо друг от друга предложили принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, основанный на использовании индуцированного излучения.

Это позволило создать усилители и генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов. Они получили название мазеров[3]. За создание молекулярных генераторов Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, сотрудники физического института АН СССР, были удостоены.ленинской премии. Разработка теории и устройства молекулярного генератора была содержанием докторской диссертации молодого в то время учёного Басова.

В 1955 – 1957 годах появились работы Н. Г. Басова, Б. М. Вула, Ю. М. Попова и А. М. Прохорова в СССР, а также американских учёных Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества. Этот лазер работал в импульсном режиме и излучал энергию в красной области спектра.

В 1960 году под руководством американского учёного А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона. Лазер работал в непрерывном режиме и излучал энергию также в красной области спектра.

В 1962 году почти одновременно в СССР и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент (на возможность использования полупроводников было указано работами Н. Г.Басова, Б, М. Вула, Ю. М. Попопва ещё в 1958 году).

Заслуги советских учёных в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских учёных были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании. Было получено стимулированное излучение от многих материалов – твердотельных, газовых, жидких, полупроводниковых. Диапазон излучения стал захватывать широкий участок спектра: от крайнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области, а в последние годы было получено стимулированное излучение, лежащее в рентгеновском диапазоне.

Исходя из исключительных свойств лазерного излучения, его стали использовать для построения целого ряда приборов, предназначенных сначала для проведения экспериментальных исследований, а затем для лазерной технологи. Эти приборы способствовали развитию новых научных направлений, таких как лазерная интерферометрия, интроскопия, безлинзовая оптика, голография, термоядерный синтез.