Куда идёшь, человек?

Р.Е. Ровинский

ГАЗЕТА «С» продолжает знакомить читателей с научными работами учёного-физика Реомара Ефимовича РОВИНСКОГО, профессора из Израиля, глубокого специалиста в области плазмы и квантовой электроники, занимающегося лазерными исследованиями. В №№3-6`2010 «С» мы опубликовали его работу «Мировоззренческие перемены в физической науке второй половины ХХ века». Данная статья Р.Е. Ровинского также публикуется впервые

ЮБИЛЕЙ СОЗДАНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ЛАЗЕРА

УШЕДШИЙ ХХ век воспринимается нами не только как век величайших научных открытий, но и как век возникновения новых инженерно-технических областей человеческой деятельности. Одной из таких областей стало создание и широкое использование квантовых приборов, способных генерировать остронаправленное когерентное, почти монохроматическое электромагнитное излучение оптического диапазона длин волн. Полное наименование таких приборов звучало так: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Переводится как Усиление Света за счёт Вынужденного Излучения. Для повседневного пользования название слишком длинное. Поэтому возник его короткий вариант в форме аббревиатуры из заглавных букв названия, откуда получено слово LASER. Полное название содержит два ключевых понятия, определяющих физическую основу таких приборов: 1) усиление света и 2) вынужденное излучение.

Лазерная установка HERCULES
(занимает несколько комнат),
Мичиганский университет

Создание лазеров, прежде всего, связано с открытием возможности усиления света при его прохождении через оптическую среду. Научное изучение взаимодействия света с веществом продолжается на протяжении примерно 300 лет. Но до начала ХХ века сложилось убеждение, что прохождение света через любую оптическую среду сопровождается только его частичным поглощением и рассеиванием. Вопрос о возможности усиления света средой даже не возникал, подобный эффект никогда не наблюдался. Лишь в начале ХХ века достижения науки привели к пониманию того, что усиление света оптической средой, в принципе, возможно, но для этого необходимы такие состояния самой оптической среды, которые в земных условиях сами собой не возникают.

Среди таких достижений науки, прежде всего, отметим открытие микромира и действующих в таком мире законов, отличных от тех, которые стали известны науке при изучении Макромира. Так, открылись механизмы поглощения, испускания и рассеивания света в оптических средах, состоящих из атомов, молекул и ионов. А сам проходящий через среду свет в микромире рассматривается как состоящий из элементарных электромагнитных частиц, получивших название фотонов. Тогда механизмы поглощения, излучения и рассеивания света протекают в процессах взаимодействия (столкновения) фотонов с атомарными частицами.

Для примера рассмотрим столкновение фотона с атомом, но эти же рассуждения можно распространить на ионы и молекулы. Столкновение фотона с атомом может проходить упруго, тогда частице не передаётся энергия фотона, а сам фотон меняет направление своего движения, он рассеивается в оптической среде. Реже соударение может проходить неупруго. Тогда фотон передаёт всю свою энергию внешнему электрону атома. Фотон исчезает, он поглощается. А передача энергии может произойти только в том случае, если получивший эту энергию электрон удаляется от ядра атома на определённое дискретное расстояние. По законам микромира каждой атомарной частице присущи определённые, удалённые от ядра орбиты, на которые может переходить электрон, получивший энергию извне. Если энергия фотона, столкнувшегося с атомом, в точности не равна энергии дискретного перехода электрона на одну из удалённых орбит, то переход не может состояться, столкновение будет упругим и фотон, сохранив свою энергию, будет рассеян. При поглощении фотона и перемещении внешнего электрона на удалённую орбиту атом переходит из своего основного состояния, характеризуемого минимумом потенциальной энергии, в возбуждённое состояние.

Возбуждённый атом через вероятностный промежуток времени возвращается в основное состояние, либо отдав лишнюю энергию столкнувшейся с ним другой частице (безизлучательный переход), либо путём возврата внешнего электрона на один из возможных нижних энергетических уровней атома, что сопровождается испусканием фотона с энергией, равной энергии такого перехода. Вылетающий фотон движется в произвольном направлении, отличном от направления движения поглощённого фотона, и при этом может иметь иную длину волны, поляризацию и произвольное значение фазы. Такой неупорядоченный тип испускания фотонов возбуждёнными частицами называют спонтанным излучением.

Второе важнейшее достижение науки произошло в 1916 году, когда Альберт Эйнштейн теоретически предсказал, что в оптических средах, состоящих из большого количества возбуждённых частиц, может осуществляться другой вид излучения, названный вынужденным излучением. Если в такой оптической среде проходит луч света определённой длины волны, то фотоны иногда испытывают взаимодействие с теми атомами, у которых энергия возбуждения точно равна энергии пролетающих мимо фотонов. Тогда с определённой вероятностью может возникнуть эффект взаимодействия фотона с внешним электроном подобного атома. В результате атом возвращается в основное состояние, выбрасывая наружу новый фотон, идентичный фотону-инициатору по всем параметрам и по направлению движения. Происходит удвоение фотона в световом луче, то есть, свет усиливается. Но в обычно встречающихся оптических средах такое усиление ничтожно мало по сравнению с испускаемым в среде спонтанным излучением. Поэтому ранее такое усиление не замечалось.

Вскоре теоретическое предсказание Эйнштейна было подтверждено экспериментально и прочно утвердилось в оптике. Понимание принципиальной возможности усиления света вошло в сознание передовых учёных-оптиков. Проблема усиления света перешла из теоретической проблемы в оптико-инженерную проблему того, как создать оптическую среду, в которой господствует вынужденное излучение. Именно такая среда будет усиливать проходящий через неё световой луч определённой длины волны.

Для того чтобы в среде господствовало вынужденное излучение, необходимо выполнение следующих условий. Во-первых, в среде должно присутствовать большое количество возбуждённых атомов (ионов, молекул). Во-вторых, необходимо, чтобы на определённом удалении от ядра существовал так называемый метастабильный энергетический уровень с относительно большим временем жизни. Такое случается не у всякого вещества, образующего оптическую среду. В-третьих, необходимо придумать способ, чтобы основная часть возбуждаемых частиц оказалась сосредоточенной на таком метастабильном уровне. В-четвёртых, чтобы существовал, по крайней мере, один ниже лежащий энергетический уровень с очень коротким временем жизни, который быстро освобождается от поступающих на него частиц, переходящих с верхнего метастабильного уровня. При выполнении таких условий в среде населённость верхнего энергетического уровня будет всегда превосходить населённость нижнего уровня, между ними возникает то, что получило название инверсной населённости.

Обычно в среде с возбуждёнными атомами (ионами, молекулами) быстро устанавливается равновесное состояние, при котором населённость выше лежащих энергетических уровней существенно ниже, чем у ниже лежащих уровней. Это закон Больцмана. Естественным путём в земных условиях возникновение инверсной населённости не происходит. Для появления такого состояния необходимо создание крайне неравновесной оптической среды. Как выяснилось, инверсную населённость можно создать искусственно, путём выбора составляющих оптическую среду элементов, содержащих в структуре своих энергетических уровней один верхний метастабильный уровень, и создать такой способ введения энергии в такую среду, находящуюся в неравновесном состоянии, при котором возбуждёнными частицами станет заселяться в основном именно метастабильный уровень. Задача очень непростая.

В.А. Фабрикант

В тридцатых годах ХХ века проблемой усиления света занялся известный физик Валентин Александрович Фабрикант. Мне посчастливилось с ним сблизиться в 1955 году, когда началась моя инженерно-научная деятельность в лаборатории газоразрядных ламп ОКБ Московского электролампового завода. В те и последующие годы он руководил в МЭИ лучшей среди технических вузов страны кафедрой общей физики. Одновременно он состоял научным консультантом газоразрядной лаборатории МЭЛЗ’а, посещая её раз в неделю на два-три часа. Фабрикант был крупнейшим специалистом в физической оптике и не только в ней. Огромную роль он играл в создании новейших типов газоразрядных ламп. Он был, кроме всего, человеком, светлая память о котором сохраняется среди всех, кому довелось с ним работать или встречаться. На кафедре физики преподаватели и студенты в торжественных обстоятельствах пели: «Гордится Франция Кюри – Германия гордится Кантом – а наше славное МЭИ гордится Валей Фабрикантом».

До этого Валентин Александрович, работая в ВЭИ, к 1948 году вместе со своей аспиранткой Фаиной Бутаевой создал газоразрядную установку, на которой впервые в мире осуществлено усиление проходящего через оптическую среду монохроматического светового луча. В начале 50-х годов им совместно с Бутаевой подана в ВАК заявка на научное открытие эффекта усиления света. Однако возник рецензент, который написал примерно, что этого не может быть, потому что нигде такого нет. Затем В.А. был уволен из ВЭИ, скорее всего, по некоторым причинам, характеризовавшим состояние ВЭИ в те годы. Но учитывая его высочайшую репутацию в научных кругах, он был принят в МЭИ всесильной в те годы директрисой этого института на должность зав. кафедрой общей физики.

К 1964 году встал вопрос о присуждении основоположникам лазерного направления Нобелевской премии по физике. В числе кандидатов от СССР были заявлены академик А.М. Прохоров и его аспирант Н.Г. Басов. Конкуренция с американцами была жестокой, там оказалось немало своих претендентов. Для подкрепления советского приоритета вспомнили о ранее поданной заявке В.А. Фабриканта, достали её из архива и срочно задним числом утвердили как открытие. Оно фигурировало в заявке от СССР и сыграло положительную роль в решении Комитета. Оба советских кандидата заслужили лауреатство, они впервые в мире создали ультракоротковолновый МАЗЕР, принцип работы которого тот же, что и у лазера, только диапазон электромагнитных волн другой. Валентин Александрович остался вне рассмотрения. Третьим лауреатом стал американский физик Чарльз Таунс.

После открытия принципов создания среды, в которой среди многочисленных возбуждённых частиц обеспечена инверсная населённость, до создания лазера, способного генерировать монохроматичный узконаправленный когерентный луч, оставалось немногое – создать положительную обратную оптическую связь, превращающую усилитель в генератор. Сделать такой шаг в оптическом диапазоне длин волн удалось в 1960 году Теодору Мэйману, поместившему в оптический резонатор, в данном случае между двумя плоскопараллельными зеркалами, стержень из синтетического рубина, ставшего активной средой первого твёрдотельного лазера. Накачка рубина осуществлялась мощным световым потоком, создаваемым импульсными газоразрядными лампами. А оптический резонатор обеспечивал в подготовленной среде, усиливающей свет конкретной длины волны, положительную обратную связь для генерации в ней монохроматического направленного излучения именно такой длины волны.

Схема первого СО₂-лазера,
созданного Пателем.
Обозначения: 1 — стенка трубки;
2 — выходные окна;
3 — водяная рубашка;
4 — электроды

Затем появился первый газоразрядный He-Ne-лазер, а в 1964 году Кумар Н. Пател получил генерацию от первого молекулярного СО₂-лазера. Началось бурное развитие подобных квантовых приборов и, что особенно важно, немедленное их использование в различных научных, технических и медицинских приложениях. Как из рога изобилия стали возникать самые разные лазеры – твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые, химические с самыми различными способами накачки. Создаваемые лазеры отличались генерируемыми длинами волн, энергетикой луча, его расходимостью, кпд. Первые лазеры были маломощными, но некоторые типы в перспективе могли превратиться в очень мощные источники лучистой энергии.

Новая область техники сразу же привлекла внимание военных. На вооружении многих стран появились лазерные радары, лазерные дальномеры, прицельные устройства, лазерные системы наведения и самонаведения ракетного оружия, лазерные гироскопы и многое другое. Но особые надежды возлагались на создание сверхмощных лазеров, способных стать основой лучевого оружия оптического диапазона длин волн. Что-то вроде «гиперболоида инженера Гарина» из ставшего в те годы популярным романа Алексея Толстого. Такие надежды вызваны тем, что лазерный луч практически мгновенно доносит до цели концентрированный сгусток энергии, и этот сгусток невозможно перехватить или свернуть с пути. Предполагалось, что от воздействия такого сгустка трудно защитить любой объект, в том числе и баллистические ракеты.

В середине 60-х годов, в разгар холодной войны, прежде всего в США начались работы по созданию мощных лазеров. Не захотел отставать в этой области и СССР. Начал раскручиваться новый дорогостоящий виток гонки вооружений. Примерно в 1968 году группа авторитетных учёных и военных специалистов во главе с лауреатами Нобелевской премии академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым направила Руководству СССР записку с предложением развернуть масштабные работы по созданию ПРО (противоракетная оборона) на базе сверхмощного лазерного оружия. В основу Проекта предлагалось заложить два ключевых предложения, разработанных сотрудниками лаборатории Басова в ФИАН’е:

1. Осуществить разработку мощного газоразрядного СО₂-лазера с двойной накачкой – поперечным электрическим разрядом и пучком быстрых электронов, вводимых в активную среду. Поперечный разряд обеспечивал возможность наращивания энергии лазера за счёт существенного расширения разрядной области, занимаемой активной средой, а пучок быстрых электронов организовывал устойчивую работу лазера в сверхмощных режимах.

2. Теоретики лаборатории Н. Басова расчётным путём обосновали перспективный способ уничтожения боеголовок. Очень короткий высокоэнергетичный импульс СО₂-лазера, встречаясь с корпусом боеголовки, поглощается в очень тонком слое металла, толщиной порядка нескольких микрон. В пятне облучения возникает мгновенное бурное испарение материала, и горячая струя пара с большой скоростью выбрасывается навстречу лазерному лучу. Образуется мощнейший импульс отдачи, который, как кувалда, бьёт по корпусу боеголовки. Участок корпуса под таким воздействием разрушается, и, кроме того, повреждаются системы срабатывания оружия, находящиеся внутри корпуса. Если даже боеголовка при этом не взрывается, то из-за возникшей разгерметизации и смещения с расчётной траектории полёта она сгорит при входе в плотные слои атмосферы.

Призыв был принят, и в конце 1969 года вышло Постановление, положившее начало финансированию и осуществлению Проекта. Головной организацией Проекта, объединившей все ведущие организации, имевшие прямое отношение к тематике Проекта, назначалась «Астрофизика». В это время в состав головной организации входила и руководимая мной лаборатория, занимавшаяся исследованиями и созданием газовых лазеров с электроразрядной накачкой неравновесной плазменной активной среды, а также вопросами исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом и с конструктивными материалами. Рассказ о Проекте не входит в тему данного доклада. Но к последующему развитию лазерного направления проведённые работы имеют прямое отношение.

Сразу необходимо отметить, что уже в самом начале 70-х годов выяснилось, что фактически отсутствует эффективный способ поражения баллистических ракет лазерным оружием. У военных это называется отсутствием фактора поражения. Мощный лазерный луч в данном случае обладает двумя такими факторами: тепловое воздействие, проплавляющее оболочку ракеты, и предложенный ФИАН’ом метод создания мощного импульса отдачи, осуществляющего «удар кувалдой» по корпусу ракеты. За короткое время тепловое проплавление поверхности летящей с огромной скоростью ракеты, да ещё способной при этом медленно поворачиваться, практически невозможно осуществить. Что касается создания необходимого импульса отдачи, то в нашей лаборатории был осуществлён эксперимент, показавший, что по мере увеличения энергии короткого лазерного импульса, действующего на поверхность ракеты, импульс отдачи сначала растёт пропорционально энергии лазерного луча, но при достижении определённого уровня энергии луча происходит насыщение импульса отдачи, после чего дальнейшее повышение энергии луча не сопровождается ростом импульса отдачи. Это связано с тем, что при таком уровне энергии луча с поверхности выбрасывается не струя горячего пара, а струя ионизованного газа, то есть плазма. А плазма экранирует облучаемую поверхность, не допуская дальнейшего воздействия на неё лазерного луча. Насыщенный импульс отдачи оказался существенно ниже того, который необходим для восприятия его ракетой как «удар кувалды». Без лишнего шума целью Проекта стало перенацеливание создаваемых мощных лазеров на разработку определённых видов тактического оружия. До настоящего времени никаких серьёзных примеров создания лучевого оружия «инженера Гарина» для ПРО не осуществлено ни в одной стране мира, виной тому – возникающая плазма.

Огромная исследовательская и конструкторская работа, выполненная в рамках Проекта, не пропала даром. Было совершено гигантское ускорение развития новой научно-технической области, созданы различные типы высокоэнергетичных лазеров, попутно решены некоторые задачи по созданию новых материалов для мощных лазеров, выращиванию крупногабаритных монокристаллов и многое другое очень важное, чего раньше не существовало. Наибольшую выгоду при разработке высокоэнергичных лазеров извлекли практичные американцы, они с самого начала вели работы по двум направлениям и создали промышленное производство лазерных станков для осуществления ряда «силовых» производственных технологий. Нас подрезала до поры до времени излишняя сверхсекретность.

Лазерные станки не следует рассматривать в качестве конкурентов традиционным обрабатывающим станкам – механическим, плазменным, гидравлическим и другим. Лазерные станки дороги, требуют высококвалифицированного обслуживания, что так же недёшево. Но есть такие «технологические ниши», в которых традиционные способы обработки материалов оказываются либо бессильными, либо не обеспечивающими нужного высокого качества обработки, а лазерные технологии успешно справляются с такими задачами. В этих случаях вопросы стоимости отходят на второй план.

В чём состоит преимущество лазерных «силовых» технологий? Во-первых, лазерный луч с помощью зеркал можно завести в места, недоступные для традиционных инструментов, и произвести в таких местах одну из необходимых технологических операций. Во-вторых, лазерный луч может резать и сваривать материалы, которые очень трудно, а иногда и просто невозможно обрабатывать традиционными способами. Например некоторые сорта нержавеющей стали и ряд других материалов. В-третьих, сварка и резка, производимые лазерным лучом, отличаются высоким качеством, при их проведении прилегающие участки материалов не испытывают тепловых перегрузок и их структура не подвергается изменениям, требующим отжига изделия после обработки. Как правило, качество резания и сваривания не нуждается в последующей доработке места реза или сварных швов.

К началу 2000 года в качестве рабочего инструмента лазерного станка чаще всего использовались либо газоразрядный СО₂-лазер, либо твёрдотельный лазер на алюмоиттриевом гранате. СО₂-лазер излучает на длине волны 10,6 мкм, то есть в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. Он может работать как в режиме генерирования одиночных импульсов, так и в непрерывном режиме или в частотно-импульсном режиме генерации. Твёрдотельный лазер генерирует излучение в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 1,06 мкм. Он работает в режиме генерирования одиночных импульсов или на очень короткое время в частотно-импульсном режиме. Выбор того или иного лазерного «инструмента» опирается на накопленные знания о характере взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, с конструктивными материалами. При этом учитывается объект обработки, наиболее рациональный выбор длины волны лазера, режима воздействия луча на объект, мощности и энергетики используемого лазерного луча. Подробно затронутые вопросы изучаются в программах профессионального обучения.