Original: http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html

Чарльз Г. Таунз
зі Століття природи: двадцять одне відкриття, що змінило науку та світ
Лора Гарвін і Тім Лінкольн, редактори

Коли вперше про роботу лазера повідомили в 1960 році, це явище було описано як “рішення, що шукає проблему”. Але до тих пір переваги лазера, такі як здатність генерувати інтенсивний, дуже вузький пучок світла однієї довжини хвилі, не використовувалися поза межами науки, техніки і медицини. Сьогодні лазери застосовують усюди: від науково-дослідних лабораторій на передньому краї квантової фізики в медичних клініках до супермаркетів і телефонної мережі.

Теодор Мейман зробив перший лазер працювати 16 травня 1960 р Науково-дослідної лабораторії Хьюза в Каліфорнії, сяючи високої потужності лампи-спалахи на рубіновий стрижень з срібним покриттям поверхні. Він швидко представив короткий звіт про роботу в журналі Записи фізичних оглядів (Physical Review Letters), а редактори не опублікували його. Деякі з них думали, що це сталося через те, що Фізичний огляд (Physical Review) оголосив, що він отримував занадто багато документів на мазери-довше довжини хвилі попередників лазером і оголосив про те, що будь-які додаткові документи будуть відхилені. Однак Сімон Пастернак, який на той час був редактором Записів фізичних оглядів (Physical Review Letters), сказав, що він відхилив цей історичний документ, тому що Мейман щойно опублікував у червні 1960 р. статтю про порушення рубіна світлом, з вивчення часів релаксації між квантовими станами, а також про те, що нова робота, здавалося, просто більше розкриває одне і те ж поняття. Реакція Пастернака, можливо, відображає обмежене розуміння в момент природи лазерів і їх значення. Прагнучи отримати свою роботу швидко в публікації, Мейман потім звернувся до видання Природа (Nature), зазвичай навіть більш вибіркового, ніж Записи фізичних оглядів (Physical Review Letters), де статтю сприйняли краще й опублікували 6 серпня.

З офіційної публікації першого лазера Меймана повним ходом, дослідницька лабораторія в Хьюзі зробила першу публічну заяву в засобах масової інформації 7 липня 1960 г. Це створило досить розмішати з першій сторінці газети обговорення можливих променів смерті, а й певний скептицизм серед вчені, які ще не були в змозі бачити ретельний і логічно повну статтю в журналі Природа (Nature). Інше джерело сумніву виходив з того, що Мейман не повідомив, що бачив яскравий промінь світла, який був очікуваний характеристикою лазера. Я сам запитав кількох осіб із групи Хьюза, чи бачили вони яскравий промінь, який на подив вони не мали. Експеримент Меймана не було створено, щоб дозволити простий пучок, щоб вийти з нього, але він проаналізував спектр випромінюваного світла і знайшов помітне звуження діапазону частот, що містяться в ньому. Це було якраз те, що було передбачене в теоретичній роботі на оптичних мазерів (або лазерів) мистецтвом Шелоу і себе, і вона бачила в мазерів, які привели до більшої довжиною хвилі НВЧ-випромінювання. Ці дані, представлені на малюнку 2 у статті Меймана для Природа (Nature), були, певне, доказом дії лазера. Незабаром після цього, як в лабораторії Меймана у Хьюзі і в Шелоу за адресою Bell Laboratories у Нью-Джерсі, яскраво-червоні плями від рубіна лазерних променів, що потрапляють на лабораторні стіни були помічені і захоплювалися.

Лазер Меймана мав кілька аспектів, які не обліковані в нашій теоретичній роботі, ні обговорювалися інші до рубінового демонстрації. По-перше, Мейман використовується імпульсний джерело світла, триває всього кілька мілісекунд, щоб порушити (чи “насос”) рубін. Таким чином, лазер справив тільки короткий спалах світла, а не безперервної хвилею, а тому, що значна енергія була випущена протягом короткого часу, він забезпечує набагато більше енергії, ніж це було передбачено в більшості попередніх дискусій. До тих пір, метод, відомий як “добротності” була введена в лабораторії Хьюз, скорочуючи імпульс лазерного світла ще далі і збільшення миттєвої потужності для мільйонів ват і за його межами. Лазери тепер мають повноваження настільки ж високо як мільйон мільярдів (10¹⁵) Ватт! Висока інтенсивність імпульсного лазерного випромінювання дозволило широкий спектр нових видів експерименту, і почав тепер квітучий області нелінійної оптики. Нелінійна взаємодія світла і речовини дозволяють частота світла, щоб бути вдвічі або втричі, так що, наприклад, інтенсивний червоний лазер може бути використаний для отримання зеленого світла.

У мене був зайнятий роботу у Вашингтоні в той час, коли різні групи намагалися зробити найраніші лазери. Але я також контроль аспіранти Колумбійського університету, які намагалися зробити безперервно прокачується інфрачервоні лазери. Незабаром після того, як рубіновий лазер вийшов я порадив їм припинити цю роботу і замість того, щоб отримати вигоду з влади нового рубінового лазера, щоб зробити експеримент на двухфотонную порушення атомів. Це був один з перших експериментів в нелінійній оптиці, і двухфотонную збудження в даний час широко використовується для вивчення атомів і молекул.

Лазери роботи шляхом додавання енергії атомів або молекул, так що є в високих енергій (“порушену”) стан більше, ніж в якійсь більш низького енергетичного стану; це відомо як “інверсії заселеності”. Коли це відбувається, світлові хвилі, що проходять через матеріал стимулювати більше випромінювання від збуджених станів, ніж вони втрачають при поглинанні через атомів або молекул в нижньому стані. Це “вимушене випромінювання” є основою мазерів (чиє ім’я означає “СВЧ-ампліфікації індукованих випромінювань”) і лазерів (те ж саме, але для світла замість мікрохвиль).

Перед виходом роботи Меймана рубін широко використовувався для мазерів, які виробляють хвилі в діапазоні надвисоких частот, а також були розглянуті для лазерів, які виробляють інфрачервоні або видимі світлові хвилі. Але другою дивною особливістю лазера Меймана, на додаток до імпульсного джерела, було те, що він був у змозі очистити з найменшою енергією (“земля”) стан рубіна досить так, щоб вимушене випромінювання могло статися з порушеної в основний стан. Це було несподівано. Насправді, Шавлов, який працював над рубіном, публічно прокоментував, що переходи з участю основного стану рубіна не підходить для лазерів, так як це було б важко очистити адекватно. Він рекомендував інший перехід в рубін, який насправді був зроблений на роботу, але тільки після успіху Меймана. Мейман, який був ретельно вивчає часи релаксації збуджених станів рубіна, прийшли до висновку, що основний стан може бути в достатній мірі спорожняється за допомогою імпульсної лампи, щоб забезпечити лазерне вплив, і це спрацювало.

Рубіновий лазер був використаний у багатьох ранніх захоплюючих експериментів. Один забавним один, в 1969 році, направив промінь світла на Місяць, де вона відбивається від світловідбиваючого розміщену на поверхні Місяця астронавтами в програмі Аполлон США. Час подорожі імпульсу туди-назад за умови, вимір відстані до Місяця. Пізніше, рубін лазерні промені розіслав і отримані телескопами виміряних відстаней до Місяця з точністю близько трьох сантиметрів-великого використання коротких імпульсів рубінового лазера.

Коли перший лазер з’явився, учені та інженери були насправді не готові до цього. Багато людей говорили мені, почасти жартома, але і як виклик, що лазер був “рішенням, що шукає проблеми”. Але шляхом об’єднання оптики і електроніки, лазери відкрили великі нові галузі науки і техніки. І багато різних типів лазерів та додатки прийшли разом досить скоро. У науково-дослідних лабораторіях IBM в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк, Пітер Сорокін і Мірек Стівенсон продемонстрували два лазери, які використовували методи, аналогічні до Мейманових, але з фториду кальцію, замість рубіна, як лазерної генерації речовини. Після цього-і до сих пір в 1960-був дуже важливий гелій-неоновий лазер Алі Джаван, Вільям Беннетт і Дональд Герріотт у Лабораторіях Белл. Це викликало безперервне випромінювання при низькій потужності, але з дуже чистою частоти і вузькі балки. Потім напівпровідникові лазери, вперше зробив працювати в 1962 році Роберт Холл і його співробітниками в лабораторії General Electric в Скенектаді, Нью-Йорк. Напівпровідникові лазери в даний час включають багато різних матеріалів і форм, може бути вельми невеликий і недорогий, і на сьогоднішній день є найбільш поширеним типом лазера. Вони використовуються, наприклад, в зчитувачах штрих-коду в супермаркетах, у волоконно-оптичних комунікаціях, у лазерних покажчиках.

До теперішнього часу, лазери приходять в незліченних сортів. Вони включають в себе “їстівний” лазер, виготовлений в жарт Шавлова з ароматизованого желатину (але насправді не з’їденої через барвника, який був використаний для його забарвлення), і його компаньйон “питний” лазер, виготовлений зі спиртової суміші в лабораторіях компанії Eastman Kodak в Рочестері, штат Нью-Йорк. Природні лазери тепер були знайдені в астрономічних об’єктів; наприклад, інфрачервоне випромінювання посилюється вуглекислого газу в атмосферах Марса і Венери, порушувані сонячної радіації, а також інтенсивне випромінювання від зірок стимулює лазерне вплив в атомах водню в навколозоряних газових хмар. У зв’язку з цим виникає питання: чому б не були винайдені лазери давно, можливо, до 1930 року, коли вся необхідна фізика вже зрозуміли, принаймні, деякі люди? Які інші важливі явища ми сліпо не вистачає сьогодні?

Робота Меймана настільки коротка, і має так багато сильних наслідків, що я вважаю, що це можна було б вважати найважливішим за слово будь-якого з чудових робіт у журналі Природа (Nature) протягом минулого століття. Лазери сьогодні виробляють набагато вищі щільності потужності, ніж було можливо раніше, більш точні вимірювання відстаней, ніжні способи захоплення і переміщення невеликих об’єктів, таких як окремі мікроорганізми, найнижчі температури коли-небудь досягнутих, нових видів електроніки і оптики, а також багато мільярдів доларів варто нових галузей промисловості. Національна інженерна академія США обрала поєднання лазерів і волоконної оптики-який реконструювали комунікаціях, як один з двадцяти найбільш важливих інженерних розробок двадцятого століття. Особисто мені особливо приємно за допомогою лазерів, як безцінним медичних інструментів (наприклад, в області лазерної хірургії ока), а також наукових інструментів, я використовую їх зараз, щоб зробити спостереження в астрономії. І вже є принаймні, десять лауреатів Нобелівської премії, чия робота стала можливою завдяки лазерам.

Із часів Теда Меймана були великі і хороші події, ймовірно, трохи відчайдушні, поштою від короткий документ про те, що було тоді кілька неясними предмет, сподіваючись отримати його швидко опубліковані в журналі Природа (Nature). На щастя, редактори видання Природа (Nature) прийняли її, а решта – то історія.

 

Copyright notice: Excerpted from pages 107-12 of A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World edited by Laura Garwin and Tim Lincoln, published by the University of Chicago Press. ©2003 by The University of Chicago. All rights reserved. This text may be used and shared in accordance with the fair-use provisions of U.S. copyright law, and it may be archived and redistributed in electronic form, provided that this entire notice, including copyright information, is carried and provided that the University of Chicago Press is notified and no fee is charged for access. Archiving, redistribution, or republication of this text on other terms, in any medium, requires the consent of the University of Chicago Press and of the author.

University of Chicago Press: 1427 E. 60th Street Chicago, IL 60637 USA | Voice: 773.702.7700 | Fax: 773.702.9756