激光。科学发现的历史和本质

激光。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

“激光”这个词是由英语中一个长短语的首字母组成的，字面意思是“通过受激发射放大光”。

“科学家们长期以来一直关注原子自发发光的现象，”M.M. Koltun 在《物理世界》一书中写道，“这是由于以某种方式激发的电子从上层电子壳层返回而发生的难怪这种跃迁引起的化学、生物和光的发光现象长期以来以其美丽和不寻常吸引着研究人员。但发光光线太弱和分散，无法到达月球.. .

发光过程中的每个原子在不同的时间发出自己的光，而不是与相邻的原子协调。结果，出现了混沌耀斑辐射。原子没有导体！

在今年1917 阿尔伯特·爱因斯坦在其中一篇文章中，他从理论上表明，外部电磁辐射将允许单个原子的辐射闪光相互匹配。它可以使不同原子的电子同时飞行到同样高的激发能级。同一种辐射要起到触发“光射”的作用并不难：对着一个晶体，可以使数万个受激电子同时同时返回到原来的轨道上，这将伴随着强大而耀眼的闪光，几乎相同波长的光，或者，如物理学家所说，单色光。

爱因斯坦的工作几乎被物理学家遗忘了：当时每个人都对原子结构的研究更加关注。

1939 年，一位年轻的苏联科学家，现在是 V.A. 教育科学院的教授和正式成员。 Fabrikant 回到了由爱因斯坦引入物理学的受激发射概念。 Valentin Alexandrovich Fabrikant 的研究为激光的创造奠定了坚实的基础。在平静和平的环境中再进行几年的深入研究，激光就会被创造出来。“但这仅发生在五十年代，这要归功于苏联科学家普罗霍罗夫、巴索夫和美国人查尔斯·哈德汤斯 (1915) 的创造性工作.

亚历山大·米哈伊洛维奇·普罗霍罗夫（Alexander Mikhailovich Prokhorov，1916-2001 年）出生在阿托顿（澳大利亚）一个工作革命者的家庭，他于 1911 年从西伯利亚流放地逃到澳大利亚。伟大的十月社会主义革命后，普罗霍罗夫一家于 1923 年返回家乡，一段时间后定居列宁格勒。

1934 年，亚历山大在这里从高中毕业并获得金牌。放学后，普罗霍罗夫进入列宁格勒国立大学（LGU）物理系，1939年以优异成绩毕业。然后他进入了以物理研究所命名的研究生院 PN 列别杰夫苏联科学院。在这里，这位年轻的科学家开始研究无线电波沿地球表面的传播过程。他提出了一种利用无线电干扰法研究电离层的独创方法。

从二战一开始，普罗霍罗夫就在战场上的军队行列中。他在步兵中战斗，在情报方面，获得军事奖励，两次受伤。 1944 年复员，在第二次重伤后，他回到了因 FIAN 的战争而中断的科学工作。普罗霍罗夫当时从事有关非线性振荡理论、稳定无线电发生器频率的方法的研究。这些工作构成了他博士论文的基础。 1948年因创立电子管发生器稳频理论，获颁L.I.院士。曼德尔斯坦。

1948 年，Alexander Mikhailovich 开始研究循环带电粒子加速器中发出的电磁辐射的性质和特征。在很短的时间内，他设法进行了一系列成功的实验，以研究在同步加速器 - 同步加速器辐射中在均匀磁场中移动的相对论电子的磁韧致辐射的相干特性。

通过研究，普罗霍罗夫证明了同步辐射可以用作厘米波长范围内的相干辐射源，确定了该源的主要特性和功率水平，并提出了一种确定电子束团大小的方法。

这部经典著作开辟了一条完整的研究途径。其结果以博士论文的形式形式化，并于 1951 年由亚历山大·米哈伊洛维奇 (Alexander Mikhailovich) 成功答辩。 1950 年，Prokhorov 开始在物理学的一个全新方向 - 无线电光谱学上工作，逐渐远离加速器物理学领域的工作。

那时，光谱学掌握了新的波长范围，厘米和毫米。分子的旋转光谱和一些振动光谱落在这个范围内。这为研究分子结构的基本问题开辟了全新的可能性。普罗霍罗夫在振荡理论、无线电工程和无线电物理学领域的丰富实验和理论经验最适合掌握这一新领域。

在 D.V. 院士的支持下Skobeltsyn，在最短的时间内，与振动实验室的一群年轻员工一起，普罗霍罗夫创建了国内射电光谱学派，迅速在世界科学领域占据领先地位。其中一位年轻员工是莫斯科工程物理学院的毕业生 Nikolai Gennadievich Basov。

巴索夫于 14 年 1922 月 XNUMX 日出生在沃罗涅日省（现利佩茨克地区）乌斯曼市的根纳季·费多罗维奇·巴索夫（后来成为沃罗涅日大学教授）的家庭。

巴索夫学校的结束恰逢伟大卫国战争的开始。 1941年，尼古拉应征入伍。他被送到古比雪夫军医学院。一年后，他被转到基辅军事医学院。 1943年大学毕业后，巴索夫被派往防化营。从1945年初到复员，那年年底，他在军队的行列。

1946年巴索夫进入莫斯科机械学院。 1950年从研究所毕业后，他进入研究生院理论物理系。

自 1949 年以来，尼古拉·根纳季耶维奇 (Nikolai Gennadievich) 一直在苏联科学院物理研究所工作。他的第一个职位是由 M.A. 院士领导的振荡实验室的工程师。莱昂托维奇。然后他成为同一实验室的初级研究员。那些年，以普罗霍罗夫为首的一批年轻物理学家开始了一个新的科学方向——分子光谱学的研究。与此同时，Basov 和 Prokhorov 之间开始了卓有成效的合作，促成了量子电子学领域的基础性工作。

1952 年，普罗霍罗夫和巴索夫提出了对量子系统放大和产生电磁辐射的影响的理论分析的第一个结果，后来他们研究了这些过程的物理学。

普罗霍罗夫的实验室研制了一批新型射电光谱仪，开始获得关于分子结构、偶极矩和力常数、原子核矩等测定的非常丰富的光谱信息。

Prokhorov 和 Basov 分析了微波分子频率标准的极限精度，这主要由分子吸收线的宽度决定，Prokhorov 和 Basov 建议使用分子束中谱线急剧变窄的效果。

“然而，向分子束的过渡，”I.G. Bebikh 和 V.S. 写道，在从较低能级到较高能级的过渡期间（诱导、受激吸收）和发射过程中量子的吸收诱导了分子两种能态之间的跃迁在从上层向下跃迁（诱导、受激发射）过程中的量子。因此，它与较低和较高能量的种群之间的差异成正比对于由等于微波辐射量子的能量距离分开的两个水平，由于根据玻尔兹曼分布，在常温下处于平衡状态的水平的热人口，这种人口差异只是总粒子密度的一小部分。

就在那时，人们提出了这样的想法，即通过人为地改变分子束中能级的数量，即通过创造非平衡条件（或者，可以说是自己的“温度”，它决定了这些能级的数量），可以显着改变吸收线的强度。

如果通过从光束中分拣出这些粒子（例如，使用不均匀电场）而急剧减少处于上工作能级的分子数量，则吸收线的强度会增加。可以说在光束中产生了超低温。然而，如果以这种方式将分子从较低的工作能级中移除，那么系统将由于受激发射而经历放大。如果增益超过损耗，则系统会在仍由分子的给定量子跃迁频率决定的频率下自激。另一方面，在分子束中，会进行种群反转，即会产生一种负温度。”

这就是分子发生器的想法是如何出现的，这在 AM Prokhorov 和 N.G. 著名的经典联合作品系列中有所概述。巴索夫 1952-1955。

从这里开始了量子电子学的发展——现代科学技术中最富有成果和发展最快的领域之一。

从本质上讲，创建量子发生器的主要、基本步骤是准备一个具有粒子数反转（负温度）的非平衡辐射量子系统，并将其放置在一个具有正反馈的振荡系统中——一个空腔谐振器。它可以而且应该由结合了研究量子力学系统和无线电物理文化的经验的科学家做出。将这些原理进一步扩展到光学和其他范围是不可避免的。

Prokhorov 和 Basov 提出了一种通过在强大的辅助辐射作用下使一个跃迁饱和来获得三能级（和更复杂）系统中的布居反转的新方法。这就是所谓的“三能级法”，后来也称为光泵浦法。

正是他在 1958 年允许法布里-珀罗为其他系列的开发奠定了真正的科学基础。这在 1960 年被 T. Meiman 在创造第一台红宝石激光器时成功使用。

在仍在研究分子发生器的同时，巴索夫提出了将量子放射物理学的原理和方法扩展到光频率范围的可能性的想法。自 1957 年以来，他一直在寻找制造光量子发生器——激光器的方法。

1959 年，巴索夫与 B.M. Vulom 和 Yu.M. 波波夫准备了“量子机械半导体发生器和电磁振荡放大器”的工作。有人建议使用在脉冲电场中获得的半导体中的逆布居来制造激光器。这一提议，连同美国科学家关于使用红宝石晶体（C. Townes，A. Shavdov）和气体混合物（A. Javan）的提议，标志着通过量子系统开发光学频率范围的开始电子产品。

1964 年，巴索夫、普罗霍罗夫和唐斯（美国）成为诺贝尔奖获得者，他们因在量子电子学领域的基础研究而获奖，这导致了微波激射器和激光器的诞生。

作者：萨明 D.K.

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