Теодор Мейман — создатель твердотельного лазера

В 2010 году исполнилось 50 лет с того события, к которому российская наука имела самое непосредственное отношение. Трое отечественных ученых удостоены Нобелевских премий за эпохальные научные открытия, благодаря которым был изобретен и впоследствии усовершенствован лазер. Мейман построил и запустил свой первый твердотельный лазер 16 мая 1960 года.

 

В 1961 г. началось его промышленное применение.
Принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн была доказана еще в 1916 г. Альбертом Эйнштейном, создавшим теорию взаимодействия излучения с веществом. Примерно об этом же писал Алексей Толстой в своем знаменитом романе «Гиперболоид инженера Гарина». Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была осуществлена только в 1928 г.
Весомый вклад в изучение принципов квантового усиления и генерации внесли советские физики А. Прохоров и Н. Басов. В 1955 г. наши ученые разработали квантовый генератор — мазер, что в сокращении означает усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого были пары аммиака. В 1957–1958 гг. Таунс и Шавлов занимались поисками способа получения мазерного эффекта на видимом свете и в декабре 1958 г. опубликовали в журнале «Physical Review» статью «Инфракрасные и оптические мазеры», в которой объяснили, как это можно сделать. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958 г. использовал для создания мазера резонатор Фабри—Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно. Таунс, Басов и Прохоров были в 1964 г. удостоены Нобелевской премии за свою работу в области квантовой электроники, которая привела к изобретению лазера в 1960 г.
Пока шли работы по мазерам, американский физик Теодор Мейман совершил смелый прорыв в область оптических частот. Это был прыжок по частоте в 10 тысяч раз и в миллион раз — по мощности, хотя никто не думал тогда, что он может быть выполнен так быстро. Дело было в использовании совершенно нового рабочего тела — рубинового кристалла, причем без криогенного охлаждения. Тем самым Мейман сделал решающий шаг в эру современного приборостроения.
Еще один твердотельный лазер инфракрасного диапазона на кристалле фторида кальция, легированного ураном, был построен Питером Сорокиным и Миреком Стивенсоном. Но практического значения он не приобрел из-за необходимости криогенного охлаждения. Наконец, в декабре того же года исследователи из «Bell Laboratories» А. Джаван, У. Беннетт и Д. Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.
Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 г. заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 г. Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они в 2000 г. получили Нобелевскую премию).
Сегодня лазер играет важную роль в сфере телекоммуникаций, космической связи и в области медицины. Говоря о повседневном использовании лазера в нашей жизни, можно напомнить, что каждый человек встречает сканеры штрих-кодов в магазинах, использует лазерный сканер или лазерный принтер, может увидеть лазерное шоу. И конечно, не забудем о кино — миллионы зрителей видели захватывающие схватки на лазерных мечах между Скайуокером и Дартом Вейдером в «Звездных войнах»…
Сегодня лазер прочно вошел в науку, технологию, медицину, индустрию развлечений — словом, во все сферы нашей жизни.

Мейман построил и запустил свой первый твердотельный лазер 16 мая 1960 года. Активным веществом в его устройстве 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 импульсов.

Родился Теодор Мейман в Лос-Анджелесе (Калифорния) 11 июля 1927 года в семье инженера-электронщика. После учебы в колледже, работы в ремонтных мастерских и службе во флоте он обратился наконец к науке. В 1949 году закончил Университет штата Колорадо (University of Colorado) и получил звание бакалавра в области технической физики. Затем продолжил учебу на физическом факультете Стэнфордского университета (Stanford University) и стажировался под руководством лауреата Нобелевской премии Уиллиса Ламба (Willis Lamb).

Создать свой первый лазер Мейману удалось после девяти месяцев непрерывной гонки, работая в лаборатории Hughes Research, которая соревновалась с другими ведущими компаниями, такими как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG. Затем ему еще долго пришлось бороться за свой приоритет, который в конце концов стал вполне общепризнанным. После работы в Hughes Research Мейман основал свою собственную компанию Korad по производству лазеров. Затем создал фирму Maiman Associates, которая в 1976 году объединилась с компанией TRW, и стал ее вице-президентом по новейшим технологиям.

Кроме основного патента на создание первого в мире лазера Мейман получил также патенты на многие типы мазеров, лазеров, лазерных дисплеев, приборов оптического сканирования. Позже был удостоен многих престижных премий, включая премию Международного оптического общества — SPIE, награды президента США, Japan Prize (аналога Нобелевской премии в странах Азии) и др. Последние годы занимался применением лазеров в медицине.

Запись опубликована в рубрике Без рубрики. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

3 комментария: Теодор Мейман — создатель твердотельного лазера

  1. Логинов говорит:

    Все же почему Мейман не получил Нобелевскую за создание первого лазера? Ведь первый газовый лазер заработал лишь в следующем — 1961 году?

  2. admin говорит:

    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. 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.

  3. Мониторинг говорит:

    Смотрел передачу, в которой повествовалось о Тесле и его открытии первого лазера ( там его еще называли «лучом смерти»). Так вот, лазер, создание которого приписывают Тесле — это все же враки, или же он просто был не твердотельным?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>