Валерий Чолаков
Нобеловите награди (24) (Учени и открития (1901–1982))

Лазерите

Изследванията върху радиоелектрониката и взаимодействието между радиовълните и веществото доведоха редица учени до идеята, че явленията на резонансно поглъщане могат да се използват за излъчване и усилване на електромагнитни вълни. Впрочем подобна мисъл фигурира още в трудовете на Алберт Айнщайн от началото на века. Занимавайки се с въпросите на излъчването и поглъщането на светлината, в 1916 г. той въведе понятието индуцирано излъчване.

Едва в края на 40-те години експериментаторите започнаха да настигат теоретиците. Мнозина допринесоха за възникването на квантовата електроника и нейните най-забележителни творения — квантовите генератори, по-известни под звучните имена мазери и лазери. Славата на първооткриватели обаче имат трима учени — съветските физици Александър Прохоров и Николай Басов и американецът Чарлз Таунс. В 1954 г., почти едновременно, във Физическия институт при АН на СССР и в Колумбийския университет в САЩ, тези учени създадоха първите квантови генератори. Всъщност това бяха радиоспектроскопи, устроени така, че да излъчват, а не да поглъщат.

Като работно вещество се използваше амонякът. Молекулите се привеждаха във възбудено състояние, след което се създаваха условия за тяхното едновременно връщане на изходното ниво, при което се отделяше мощен радиоимпулс. Чарлз Таунс нарече този апарат „мазер“ по първите букви от думите на английската фраза: „микровълново усилване, чрез принудителна (стимулирана) емисия на излъчване“.

Мазерите веднага намериха приложение в радиотелескопите поради способността си да усилват радиовълните. Последва едно бурно развитие през периода от 1954 до 1960 г., при което бяха създадени най-разнообразни конструкции на квантови генератори и се разработи тяхната теория. Голямо значение за този прогрес имаха работите на френския физик Алфред Кастлер.

В 1949 г., занимавайки се с радиоспектроскопия, Кастлер установи, че атомите особено силно поглъщат светлина, когато изпаднат в резонанс с радиовълните. Той използва този ефект в своите изследвания, като постепенно идеята бе доразвита и се появи методът на оптическото напомпване. При квантовите генератори това означава, че атомите от работното тяло се привеждат във възбудено състояние от външен източник на светлина или микровълни.

В 1958 г. Чарлз Таунс и Артър Шавлов от лабораторията Бел Телефон предложиха принципа на лазера. Промяната в първата буква показва, че вече става дума за усилване на светлина чрез стимулирано излъчване. Шавлов предложи да се използват за целта рубинови кристали с удължена цилиндрична форма. В рубина, който е алуминиев окис, има микроскопични количества хром, чиито атоми излъчват светлината.

Рубиновият лазер бе създаден в 1960 г. от американския физик Теодор Мейман. В този апарат около рубиновия прът бе поставена импулсна лампа, която го осветява за кратко време. Атомите в кристала се възбуждат и веднага се връщат на изходното ниво, като изпускат кванти светлина. На двата края има две плоски огледала, като едното е полупрозрачно. Отразени от тях, светлинните лъчи се връщат обратно в кристала и възбуждат нови атоми. Процесът нараства лавинообразно, докато накрая светлинният импулс стане толкова мощен, че успее да премине през полупрозрачното огледало.

В тази схема рубиновият кристал може да бъде заменен от друго твърдо тяло, съдържащо подходящи за излъчване атоми. Такива атоми могат да се разпръснат и в газова среда. Още в същата 1960 г. Али Джаван, американски физик от ирански произход, създаде първия газов лазер. Впоследствие се появиха течни лазери на базата на неорганични съединения, а през 1966 г. бяха създадени и първите течни лазери с органични багрила. Те са много популярни поради ниската им цена.

За трите десетилетия след създаването на квантовите генератори те намериха широко приложение в голям брой области. Мазерите се използват като усилватели в радиотехниката. Лазерите навлизат в промишлеността, където огромното по мощност излъчване се използва за различни технологични операции. Физиците се опитват с лазерен лъч да осъществят термоядрена реакция, а геодезите измерват разстоянието до Луната с точност до сантиметър. Тънкият лазерен лъч се превърна в скалпел за фини хирургични операции, дори върху части от живата клетка. Вече стана дума за холографията, която започна да се развива едва след прилагането на лазерите с тяхното монохроматично и строго насочено излъчване.

Наистина квантовите генератори се оказаха едно от забележителните открития на нашия век. Неговата важност бе оценена от Нобеловия комитет по физика през 1964 г., когато Александър Прохоров, Николай Басов и Чарлз Таунс станаха лауреати на Нобелова награда.

Трудовете на френския изследовател Алфред Кастлер до голяма степен подготвиха почвата за лазерите. Две години по-късно признанието дойде и за него и той стана Нобелов лауреат по физика през 1966 г.

В ръцете на физиците лазерът се превърна във фин изследователски инструмент. Неговото мощно монохроматично излъчване даде нови възможности на спектроскопията за изследване на електронните обвивки на атомите и молекулите. Особено бърз прогрес бе постигнат след 1970 г., когато се появиха лазери с променяща се честота на излъчване. В резултат на това стана възможно плавно да се регулира дължината на вълната, така че енергията на фотоните да отговаря точно на прехода между две енергийни нива в атома. Основите на тази нова област — нелинейната лазерна спектроскопия, бяха заложени от Николаас Блумберген от Харвардския университет и Артър Шавлов от Станфордския университет. Големи приноси имат и съветските учени С. Ахманов и Р. Хохлов.

Развила се бурно през 70-те години, днес лазерната спектроскопия е извънредно чувствителен метод, който може да регистрира дори отделни атоми. На нейна основа бяха разработени методи за стабилизация на честотата на газови лазери, чието излъчване се използва като еталон за дължина и време. Лазерният лъч „сондира“ различни среди и прави експресни анализи на техния състав. С негова помощ се получават температури от милиони градуси и се прави спектроскопия на високойонизирани атоми.

Нелинейната лазерна спектроскопия е един от забележителните примери за съвършенство на съвременната експериментална техника. Николаас Блумберген и Артър Шавлов, двамата изследователи, дали толкова много в тази област, получиха за своите заслуги Нобеловата награда по физика за 1981 г., заедно с Кай Сигбан, специалист по електронна спектроскопия.