Дослідження радянських та американських вчених в галузі лазерної фізики

І всього лише через рік після того, як наші вчені стали Нобелівськими лауреатами, на ЛОМО випускається перший у Радянському Союзі промисловий лазер ГІР-02 (Генератор оптичний рубіновий). Так стрімко в Ленінграді з'явилося промислове виробництво принципово нової в оптичному відношенні техніки.

Фахівців у цій галузі на початку 60-х рр.. ні в Росії, ні у світі ще не було. Нове конструкторське бюро на ЛОМО формувалося з молодих фахівців - випускників Ленінградського університету, Ленінградського політехнічного інституту, ЛЕТІ ім.В.І. Ульянова (Леніна), Літма. Керівництво фірми з особливою увагою відносилося до створення цього колективу. Сюди підбиралися люди, які не тільки могли вирішувати практичні завдання, але й мислити теоретично, адже нові прилади народжувалися в буквальному розумінні слова з чистого аркуша - не було ні креслень, ні підручників, ні базових розробок.

Лазерна техніка була не тільки новим напрямком роботи для конструкторів і всього колективу фірми. Квантові генератори, лазери - це нова галузь науки і виробництва, яка включала в себе великий обсяг знань з різних галузей фізики. Для створення нових приладів потрібні були нові підходи. Керівники ЛОМО організували постійні наукові контакти з цілою низкою провідних академічних і відомчих інститутів СРСР. З перших днів роботи з виробництва лазерів встановилися дуже міцні контакти з ГОИ ім.С.І. Вавілова, які зберігаються і досі. Крім того, ЛОМО працювало спільно з Фізичним інститутом ім.П.Н. Лебедєва в Москві, з Фізико-технічним інститутом ім. А.Ф. Іоффе (ФТІ) в Ленінграді, з Мінським інститутом фізики Білоруської Академії наук, Московським університетом та низкою інших провідних наукових центрів країни. Їхня допомога, вважають фахівці ЛОМО, була неоціненна. Вона сприяла стрімкому виходу на високий технічний рівень розробок. Свідченням цьому може служити і той факт, що одна з перших монографій, присвячена лазерній техніці, була написана в 1972 р. саме співробітниками ЛОМО - Юрієм Васильовичем Любавський, Володимиром Матвійовичем Овчинниковим і Борисом Григоровичем Білостоцьким. У 1975 р. був виданий англійський переклад цієї монографії. Редакційне передмову написав лауреат Нобелівської та Ленінської премій академік А.М. Прохоров.

Лазерна техніка на ЛОМО розвивалася дуже бурхливо. У 65-му з'явилися перші промислові зразки лазерних приладів, а через кілька років уже працювали спеціалізовані цехи, які освоїли їх серійний випуск. Спочатку була розроблена і освоєна гама приладів на рубіні і на неодімовим склі - ГІР (генератор оптичний рубіновий) і ГОС (генератор оптичний скляний). Номенклатура починалася з ГОР-02 (Енергія генерації імпульсу випромінювання - 0,2 джоуля), а потім з'явилася ціла гама: ГОР-10, - 30 і - 100. На рубіні енергія генерації була доведена до характеристики 300, а на склі - до 1000 джоулів. Ці характеристики були унікальні. Подібні прилади в нашій країні змогло розробити і освоїти у виробництві тільки ЛОМО.

Пізніше були створені більш складні прилади, наприклад, ОГМ-20 і ОГМ-40, в яких досягнення нелінійної оптики використовувалися для одержання генерації відразу на декількох довжинах хвиль. Надалі лазерами з найвищими характеристиками оснащувалися прилади, призначені як для військових цілей, так і для наукових досліджень. Була освоєна серія приладів ЛИС, ЛІР, ЛІК - лазерів з прецизійними характеристиками (Пикосекундной лазери, лазери з перебудовою довжини хвилі випромінювання та іншими високими технічними параметрами). Вони володіли цілим спектром унікальних функціональних можливостей.

Крім безпосередньо лазерів конструктори розробляли функціонально закінчені лазерні установки і прилади з використанням лазерів для різних цілей, наприклад, для медицини. Одне з найвідоміших медичних виробів фірми - "Пульсар-1000". Цей прилад був створений для лікування поверхневих онкологічних захворювань. Одночасно за допомогою медиків була розроблена унікальна методика лазерного лікування, якої досі володіє тільки Росія. "Пульсар-1000" успішно пройшов випробування, і їм були оснащені більш десяти найбільших онкологічних центрів країни. За допомогою "Пульсарів" виробництва ЛОМО зроблені десятки тисяч складних операцій. Крім приладів для онкології, ЛОМО випускало лазери для офтальмології: "Ладога", "Капсула" та ін

Крім серійних лазерних приладів, на ЛОМО розроблялися інші унікальні системи, які зберегли свої пріоритети і зараз. Спільно зі своїми науковими керівниками та партнерами ЛОМО на початку 80-х рр.. зуміло створити за замовленням Академії наук СРСР лазерну установку УМІ-32 для термоядерного синтезу. Установка управляла величезними енергіями і була оснащена унікальним автоматизованим комплексом контрольно-вимірювальної і юстирувальному апаратури. У світі досі існують лише три-чотири аналогічних установки.

Досягнення ЛОМО в області лазерної техніки отримали високу оцінку держави. На початку 70-х рр.. Ю.В. Любавський була присуджена Державна премія.

Рівню розробок цілком відповідав і виробничий потенціал фірми. Існував спеціалізований цех, який займався випуском лише лазерних приладів. Інший цех половину свого плану робив на спектральних приладах, а половину - На лазерній техніці. Один з найбільш "закритих" складальних цехів оборонної продукції також випускав складні лазерні комплекси. Так, вже в 70-х рр.. на ЛОМО було створено досить велике виробництво лазерної техніки. Крім розробників і конструкторів у виробництві були задіяні сотні висококваліфікованих робітників, технологів, майстрів. Обсяги річного випуску деяких видів лазерів налічували сотні виробів.

Загальновідомо, що Росія і сьогодні є однією з провідних країн у світі з розробки та виробництва лазерної техніки. Так само як ЛОМО - провідне в країні. Розповідає головний конструктор по напрямку лазерного приладобудування Лев Львович Шапіро:

«Саме те, що наша країна однією з перших почала освоювати цю галузь і постійно займалася нею протягом усього часу розвитку лазерної техніки в світі, дозволило лазерному напрямку існувати досі і зберегти свій рівень в найважчі часи в цілому в країні і у нас на ЛОМО. Керівництво фірми не забувало цей напрямок і дуже активно його підтримувало. Колишні генеральні директора фірми ДБ. Сергєєв, ШІ. Клебанов і нинішній директор А.С. Кобіцкій, а також керівники технічних служб надавали нам допомогу. Особливо велика роль у збереженні на ЛОМО лазерного напрямки ШІ. Клебанова, який в самий важкий період знайшов можливість продовжити фінансування цього напрямку, незважаючи на те, що багато були проти.»

Зараз, коли економічна криза на ЛОМО долається, почався новий етап і в розвитку лазерного напрямки. Створюються сучасні конкурентноздатні на світовому ринку нові види лазерної продукції. Наприклад, "Eye 8аГе" - лазери на ербіевого середовищах, промислове виробництво яких в Росії освоєно тільки на ЛОМО. На початку 90-х рр.. в США з'явився міжнародний стандарт, відразу ухвалений у більшості розвинених країн світу, різко обмежує застосування лазерів на неодімових середовищах (довжина хвилі випромінювання 1,06 мкм) через їх небезпеку для очей людини. Це створило величезну незайняту нішу на світовому ринку лазерної техніки. З'явилася нагальна потреба в лазерах безпечного для очей спектра випромінювання (довжина хвилі більше 1,5 мкм) або, за сучасною термінологією, "Eye 5аГе "-лазерах. Раніше інших це зрозумів перший заступник генерального директора А.М. Аронов, який став приділяти новому лазерному напрямку багато уваги.

Хоча лазери, що генерують в безпечній для очей діапазоні спектра, наприклад, на основі ербіевого або гольміевих середовищ, відомі досить давно, досліджені вони дуже мало. У світі практично відсутній досвід їх конструювання і виробництва. Пояснюється це відносно малою їх ефективністю, малим коефіцієнтом корисної дії в порівнянні з традиційними неодимовими. Тому перед розробниками стояла багаторазово більш складне завдання: швидко створити лазер, який практично не має прототипів, на основі слабо вивчених лазерних середовищ та елементів керування лазерним випромінюванням і подолати при цьому проблеми щодо малого ккд. Тільки тоді за основними експлуатаційними характеристиками ці лазери придатні для заміни неодімових. Очолюваний Л.Л. Шапіро колектив розробників лазерного ВКВ ЛОМО зміг впоратися із завданням.

Лазерщікі ЛОМО традиційно були сильні, перш за все, як фізики-дослідники. Багато фахівців ВКВ отримали вчені ступені, оригінальні авторські свідоцтва, ними опубліковані сотні цікавих наукових робіт. Прізвища Ю.В. Любавський, В.М. Овчинникова, Л Л. Шапіро, Ю.Е. Камачо, АЛ. Жаркова, ОД Ісяновой, С.І. Малініна, Ю.Н. Батова відомі не тільки в Росії. Широка ерудиція дозволила, наприклад, АЛ. Жаркову і А.К. Трукшіну стати керівниками інших ВКВ.

До середини 90-х рр.. була розроблена перша модель "Eye 5аГе"-лазера на ербіевого склі БЛМ-1. Високий рівень підготовки і аналізу фізичної моделі, оригінальні конструкторські рішення дозволили створити лазер, за своїми характеристиками перевершує закордонні аналоги. Він відразу ж, ще на етапі розробки, викликав інтерес зарубіжних замовників. Фірма "Пулі Інтеко Лтд" (Ізраїль) взяла участь у фінансуванні розробки і взяла на себе зобов'язання по просуванню лазерів цього типу на світовий ринок. Відкрилися експортні можливості вимагали швидкого освоєння нової продукції в серійному виробництві, що було завданням не менш складною, ніж сама розробка. На одному з виробництв під керівництвом А.С. Колодцевой була оперативно розгорнена лінія по збірці і випробуванням БЛМ-1, яка не поступається аналогічним виробничим дільницям кращих західних фірм.

ЛОМО вдалося освоїти цілий ряд сучасних технологій, особливо в оптичному виробництві, очолюваному М.І. Ваганова. Наприклад, в одному з оптичних цехів, керованому С.В. Пінаевим, було освоєно виготовлення прецизійної лазерної оптики - унікального затвора ербіевого лазера. Подібні вироби промислово не виробляє жодна закордонна фірма.

В1999 р. була розроблена модель БЛМ-1 Т. Вона істотно перевершує БЛМ-1 за експлуатаційними характеристиками і технологічності в серійному виробництві. Йдуть випробування дослідних зразків лазерів класів МІ-1 та МІ-10. Остання модель використовує диодную систему оптичного накачування, що є новим словом у світовій практиці. За рівнем ці вироби перевершують кращі закордонні аналоги.

Висока конкурентоспроможність лазерів ЛОМО, інтерес до яких проявляють замовники із США, Ізраїлю, Швеції та інших передових у цій галузі країн, дозволяє розширювати і удосконалювати лазерне напрямок. У найближчі роки ЛОМО планує експорт лазерів на ербіевого основі в обсягах не менше 1 млн доларів США. Важливо, що ЛОМО не тільки успішно виробляє і продає ці лазери, а й отримує вигідні зарубіжні замовлення на їх розробку.

Одне з досягнень ЛОМО - створення унікальної лазерної системи для діагностики плазми. Система була розроблена і виготовлена ​​на ЛОМО в рамках проекту Міжнародного науково-технічного центру (МНТЦ) - міжурядової організації Росії, США, Японії та Євросоюзу. Високу оцінку роботі ЛОМО з цього проектом дав брав участь в ньому Фізико-технічний інститут ім. А.Ф. Іоффе РАН.

ІІ Квантова теорія як передісторія виникнення лазера.

Незважаючи на порівняно простий пристрій лазера, процеси, що лежать в основі його роботи, надзвичайно складні й не піддаються поясненню з погляду класичних законів фізики. Із часів Максвела й Герца в науці утвердилося вчення про те, що електромагнітне й, зокрема, світлове випромінювання має хвильову природу. Ця теорія добре пояснювала більшість спостережуваних оптичних і фізичних явищ. Але вже наприкінці XIX століття були отримані деякі експериментальні дані, що не підходили під цю теорію. (Наприклад, зовсім незрозумілим з погляду класичних поглядів про хвильову природу світла виявлялося явище фотоефекту.) В 1900 році відомий німецький фізик Макс Планк, намагаючись пояснити природу цих відхилень, зробив припущення, що випущення електромагнітного випромінювання й, зокрема, світла відбувається не безперервно, а окремими мікроскопічними порціями. В 1905 році Ейнштейн, розробляючи теорію фотоефекту, підкріпив ідею Планка й переконливо показав, що електромагнітне випромінювання дійсно випускається порціями (ці порції стали називати квантами), причому надалі, у процесі поширення, кожна порція зберігає свою «індивідуальність», не дробиться й не складається з іншими, та що поглинути її можна тільки всю цілком. Із цього опису виходило, що кванти в багатьох випадках поводяться не як хвилі, а як частки. Але при цьому вони не перестають бути хвилями (наприклад, квант не має маси спокою й існує тільки, рухаючись зі швидкістю 300 000 км/с), тобто їм властивий певний дуалізм.

Квантова теорія дозволила пояснити багато кому колись незрозумілі явища й, зокрема, природу взаємодії випромінювання з речовиною. Візьмемо простий приклад: чому тіло при нагріванні випромінює світло? Нагріваючи, скажемо, на газовому пальнику цвях, ми помітимо, що спочатку він здобуває малинові кольори потім стане червоним. Якщо продовжувати нагрівання, то червоні кольори переходять у жовтий і потім у сліпуче білий. Таким чином, цвях починає випромінювати не тільки інфрачервоні (теплові), але й видимі промені. Причина цього явища наступна. Всі тіла (і в тому числі наш цвях) складаються з молекул, а молекули складаються з атомів. Кожен атом являє собою невелике дуже щільне ядро, навколо якого обертається більша або менша кількість електронів. Ці електрони рухаються навколо ядра не як потрапило, але кожний з них перебуває на своєму точно встановленому рівні; відповідно одні рівні розташовуються ближче до ядра, а інші далі від нього. Ці рівні називаються енергетичними, тому що кожний з розташованих на них електронів володіє своїм певним, властивим тільки йому рівнем, енергією. Поки електрон перебуває на своєму стаціонарному рівні, він рухається, не випромінюючи енергії. Такий стан атома може тривати як завгодно довго. Але якщо атому повідомляється ззовні якась певна кількість енергії (як це відбувається при нагріванні цвяха), атом «збуджується». Суть цього порушення полягає в тому, що електрони поглинають кванти випромінювання, що пронизує речовину (у нашому прикладі інфрачервоне теплове випромінювання газового пальника), здобувають їхню енергію й завдяки цьому переходять на більш високі енергетичні рівні. Однак на цих більш високих рівнях електрони можуть перебувати лише дуже незначний час (тисячні й навіть мільйонні частки секунди). Після закінчення цього часу кожен електрон знову повертається на свій стаціонарний рівень і при цьому випускає квант енергії (або, що те ж саме, хвилю певної довжини). Серед цих хвиль деякі виводяться на видимий діапазон (ці кванти видимого світла називаються фотонами; випромінювання фотонів збудженими атомами ми й спостерігаємо як світіння нагрітого цвяха). У нашому прикладі із цвяхом процес поглинання й випущення квантів протікає хаотично. У складному атомі спостерігається велика кількість переходів електронів з верхніх рівнів на нижні, і при кожному з них відбувається випромінювання зі своєю частотою. Тому випромінювання йде відразу в декількох спектрах й у різних напрямках, причому одні атоми випускають фотони, а інші поглинають їх.