http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=db8b1303-4b89-4e27-b539-ecc44015e9a4&print=1© 2024 Российская академия наук
О том, что дают лазеры, об истории их создания и ожидающих человечество перспективах от их дальнейшего развития обозреватель ИТАР-ТАСС Александр Цыганов беседует с руководителем Отделения оптики Физического института РАН /ФИАН/ доктором физ.-мат. наук профессором Анатолием Масаловым.
- Лазер – великое изобретение человечества. Но говорят об этом в основном учёные – те люди, которые понимают всё его величие. Но как ни странно, широкой публике в её повседневной жизни они практически не видны. Разве что иногда встречаются в медицинских учреждениях. И вот компьютеры изменили жизнь, мобильные телефоны изменили жизнь, новые материалы изменили жизнь. А что изменил в жизни людей лазер?
- Именно это он и изменил! Ведь без него не работают ни компьютеры, ни мобильная связь, ни производство новых материалов.
Просто лазер и в самом деле словно прячется. Мы этого и вправду не замечаем, но сталкиваемся с ним повседневно. Компьютер? Возьмём компьютер. Маленькие лазеры работают при считывании и записи CD- и DVD-дисков. Это лазеры-малютки, они миллиметровых размеров, но они там есть.
Кроме того, все лазерные принтеры, которые сегодня исключительно широко распространены, – уже из самого названия понятно, что в них тоже работают лазеры. С их помощью снимаются определённые заряды с барабана, краска прилипает в нужных местах, и мы видим очень высококачественные листы с текстами и картинками.
Вот, пожалуйста, только два примера, когда мы настолько привыкли к, так сказать, услугам лазера, что их уже и не замечаем, – но, с другой стороны, когда лазеры абсолютно широко распространены.
- И весьма дёшевы…
- Безусловно. Можно отметить, что лазер уже не дорогая игрушка, как о нём все думают.
Но у него есть и менее очевидные, хотя и не менее важные области применения. Например, в кабелях, которые сегодня десятками тысяч километров оптоволокна опутывают земной шар. Ведь по этим кварцевым волокнам тоже идёт лазерное излучение, т.е. именно полупроводниковые лазеры служат источниками тех световых импульсов, которые переносят по волокнам информацию. Это большая индустрия, где задействовано огромное количество лазерных источников и всё время идёт совершенствование.
Лазеры проникают и в медицинские приборы. Здесь есть разные способы их применения. Ну, в первую очередь, мощное лазерное излучение обладает специфическим воздействием на ткани живых организмов. На этом принципе работают как лазерные скальпели, так и лазерные облучатели, которые осуществляют определённый нагрев, физиотерапевтическое воздействие и т.д.
Кроме этого, в медицине используются источники, которые обеспечивают эффекты так называемого низкоинтенсивного лазерного излучения. Но это примерно так же, как и облучение красным светом, и тоже даёт эффекты в области физиотерапии.
Но есть в медицине и очень необычные лазерные применения: например, надсечение роговицы глаза с целью коррекции зрения. Намного привлекательнее, чем работа реальным скальпелем.
Словом, в медицине можно найти много примеров, а лазерный скальпель проявил себя как более удобный для пациента и врача инструмент, нежели обычный. И поэтому эти технологии будут существовать и совершенствоваться.
Наконец, возьмите даже игрушки – и там есть лазеры. Распространены также лазерные указки – а большинство их сделаны на основе полупроводниковых лазеров. Они обладают очень хорошей эффективностью при относительно скромном электрическом питании.
- А как на самом деле появились лазеры?
- Это история очень интересная.
Прежде всего появлением лазеров мы обязаны тому соревнованию, что шло между американскими и советскими учеными. Причём в значительной мере это соревнование шло заочно, потому что не всё мы друг о друге знали.
- Секретность?
- Не только, хотя секретность тоже имела место. Были и другие особенности…
В Советском Союзе того времени лазерные программы родились благодаря работам двух выдающихся физиков - Прохорова и Басова. Они занимались исследованиями, связанными с микроволновым излучением (микроволновым, ещё не лазерным). И вот там они обнаружили эффект так называемого вынужденного микроволнового излучения. Главное слово здесь - "вынужденное" излучение. И вот именно благодаря эффекту вынужденного излучения они поняли, что нужно делать новые исследования микроволнового излучения.
К этой же идее независимо от них пришли американцы. И в 1954 году они сделали первый микроволновый генератор. Буквально через несколько месяцев у нас, в Советском Союзе, Басов и Прохоров тоже создали микроволновый генератор – теперь уже они независимо от американцев. Иными словами, и на той стороне земного шара, и в Советском Союзе очень хорошо понимали и важность, и необходимость этих исследований.
- Думали, что из этого можно будет сделать новое оружие, типа гиперболоида?
- Нет. На первых порах, в 54-ом году, о гиперболоидах ещё никто не задумывался. Была идея создать источник микроволнового излучения – мазер, микроволновый генератор. Она существовала и привлекала многих исследователей, это обсуждалось. То есть это не было тайным знанием, знанием только Басова и Прохорова, или только Чарлза Таунса, их конкурента среди американских ученых.
Но прошло буквально 2-3 года, и американцы, и наши Басов с Прохоровым поняли, что от микроволнового излучения надо переходить в оптический диапазон. Ведь в принципе это излучения одной природы, только отличаются длинами волн.
И вот американцы и мы, реализовав микроволновые генераторы, осознали, что нужно расширять диапазон электромагнитных волн. Поэтому уже к концу 50-х годов созрела идея перенести эффект вынужденного излучения и опыт создания мазерной техники в оптический диапазон для создания лазеров. Она уже витала в воздухе.
Вот соответствующие работы Басов здесь, в ФИАНе и организовал. Привлёк к этим работам оптиков, около десятка человек. И Таунс, американец, собрал тоже вокруг себя группу людей, которые хотели осуществить именно лазер.
Шла довольно активная работа, потому что все понимали, что делают что-то необычное, хотя никто заранее не знал, как это должно выглядеть, что это будет из себя представлять. И у нас, и у американцев соответствующие группы исследователей искали, какие среды надо использовать, какие способы существуют для того, чтобы в этих средах создать неравновесное состояние, способствующее лазерной генерации.
И вот среди американцев оказался Теодор Мейман, которого сами американцы называют «чёрной лошадкой». Он, конечно, тоже был полностью информирован о происходящем и действовал не вслепую. Но он не принадлежал к кругу основных лидирующих исследователей. В общем, на него, как говорится, не рассчитывали. Но именно он в середине 1960 года получил лазерную генерацию на рубине. И это была действительно первая в мире лазерная генерация, т.е. принцип, который был отработан, 6 лет назад на мазерах, был перенесён в оптический диапазон. Таким образом, Мэйман оказался первым, кто создал рубиновый лазер, - то есть такой, в котором в качестве основной активной среды был кристалл рубина.
У нас эти работы шли параллельно, и наш замечательный физик Михаил Дмитриевич Галанин со своими коллегами тоже искал возможность создания рубинового лазера. Другие учёные пытались делать полупроводниковые лазеры, лазеры на газовых смесях, но Галанин со своими двумя коллегами - Леонтовичем и Чижиковой - работали с рубинами и целенаправленно искали генерацию именно в рубине.
Они долгое время работали независимо, потому что первые публикации Меймана появились только в конце 1960 года, а описание лазера появилось лишь в 1961 году. И только спустя несколько месяцев, больше полугода с тех пор, как Мейман запустил свой лазер, - пока публикации до нас не дошли, где можно было прочитать о конкретном устройстве лазера, увидеть чертежи и так далее, - Галанин со своими коллегами работали в неведении об американских достижениях. Это к вопросу о секретности и других обстоятельствах.
И вот они сумели-таки в середине 1961 года запустить свой рубиновый лазер. Этот первый лазер был здесь запущен, в ФИАНе. До сих пор живы двое сотрудников, с которыми работал Михаил Дмитриевич, – это Александр Михайлович Леонтович и Зоя Афанасьевна Чижикова.
Так что формально они были вторыми, кто создал лазер, но фактически они создали его самостоятельно, то есть точно так же изобрели его, как и американцы. И, конечно, когда это случилось, то это имело большой резонанс. К Галанину с коллегами ходили толпы физиков, которые хотели посмотреть и сделать у себя в лабораториях такие же лазеры. А его создатели были очень открытыми в этом отношении и с удовольствием всем показывали. И это способствовало тому, что многие переняли и стали делать свои лазеры и у нас. В России широким фронтом стали развиваться работы по созданию новых лазерных типов.
- Но они ведь ничего не получили? Нобелевка ведь досталась Прохорову и Басову?
- Так они всё же были вторыми по сравнению с американцами. Более того, Мейман тоже ничего не получил, кроме славы. Он ведь тоже не оказался в числе Нобелевских лауреатов. Премию совершенно заслуженно получили Таунс и Басов с Прохоровым.
- Почему заслуженно, если лазер по факту собрали другие?
- Так ведь это Басов пригласил Галанина и сказал: "Михаил Дмитриевич, давайте, беритесь за эту тему". Именно Басов был, безусловно, организатором этой работы. Я не знаю, как бы сложилась судьба рубинового лазера в СССР, если б не Басов.
Галанин по своему характеру был очень интересующимся экспериментатором, очень рукастым, умелым и с большим интересом относился ко всему новому. Он с огромным энтузиазмом взялся за эту работу. Но ведь эта работа требовала совершенно необычного обеспечения. Речь не идёт о каких-то фантастических деньгах, речь идёт о материальных вещах, которые должны были способствовать ходу работ. Нужны были, например, лампы-вспышки, нужны были кристаллы-рубины, причём требуемого качества, потому что из часовой промышленности, которая тогда рубин производила, эти кристаллы было взять нельзя. Их специально растили в Институте кристаллографии. Делали для него образцы и в неком «почтовом ящике», который занимался рубинами для микроволновой техники.
То есть много не только чисто экспериментальной, но теоретической и организационной работы, которой и занимался Басов.
- То есть я правильно понимаю, что тогда Галанин с товарищами был чем-то вроде рук, а Басов – головой?
- Да.
- А Прохоров?
- Я не могу описать детально роль Прохорова на первых парах, потому что я не был близко знаком с теми коллегами, которые с ним работали. Знаю только, что Прохоров с некой задержкой, но тоже включился в лазерные работы. Прошло какое-то время, лазерные работы подразделения Прохорова развивались. И затем достигли такого уровня, что он даже организовал свой институт – Институт общей физики - и выделился из ФИАНа. Именно благодаря тому, что у него появились крупные работы по лазерной тематике, и произошло такое вот расширение - организационного плана.
- Ходили слухи, что ещё кто-то независимо от всех тоже создал свой лазер…
- Да, есть микро-интрига в связи с первым лазером в СССР.
Наши коллеги в ГОИ, в Государственном оптическом институте, тогдашнем Ленинграде, ныне в Санкт-Петербурге, утверждают, что у них был тоже создан рубиновый лазер. И не исключено даже, что это могло произойти раньше, чем это сделал Галанин. Но – и это опять к вопросу о секретности - они работали в условиях полной закрытости, и если изобретение и произошло, то оно не имело резонанса, не стало толчком к последующему бурному развитию. Просто потому, что, в общем, не было об этом публикаций, не имели они права заявить о себе таким образом. А значит, было или не было, но их приоритет никак не обозначен.
- Но сейчас-то можно его установить?
- Нет. Если говорить о приоритетах как о публично представленных материалах, то это уже сделать поздно. Надо было именно в то время публично представлять материалы, которые могли свидетельствовать, что у них был именно лазер. Так что это практически не оказало никакого влияния на дальнейшие события. А вот здесь Басов приводил к Галанину людей с большими чинами. Например, Устинов приходил сюда. На его глазах пробивали бритву лазерным излучением. Это было что-то необычайное и сами можете вообразить его реакцию.
- Анатолий Викторович, на научной сессии Общего собрания РАН обсуждалось состояние дел на переднем крае лазерных исследований, варианты развития этой техники и технологии. Но это были сложные научные доклады, со специфическими научными терминами, далеко не всегда понятными, скажем так, человеку с улицы. А если подытожить ситуацию для непрофессионалов – то где сейчас этот передний край? И какими будут 2-3 ближайших шага, какие результаты они принесут?
- Очень трудно дальше выделить что-то одно самое яркое…
Но одно из направлений я безусловно должен упомянуть. Это направление связанно с проведением прецизионных лазерных измерений, в которых удаётся стабилизировать частоту лазерного излучения. Благодаря этому мы на пороге того, чтобы создать оптические часы, лучшие, чем радиочасы. Сейчас основные частотные стандарты основаны на часах радиодиапазона. Это сложная громоздкая техника. А перспектива в улучшении, в продвижении точности связывается больше с лазерными генераторами. Лазерные генераторы можно стабилизировать, применяя очень тонкие, узкие, атомные резонансы. Сейчас идут очень красивые работы на эту тему - одна за другой, предлагаются новые схемы взаимодействия, сочетающие стабилизированные лазеры и атомные объекты, с помощью которых возникает вот эта стабилизация.
У нас в отделении была организована такая работа. Была создана ловушка для охлаждённых атомов тулия, где без соприкосновения со стенками облако атомов существует практически такое время, какое нам хочется. И с этим облаком лазерный луч взаимодействует и может быть стабилизирован по переходам в атомы тулия.
- А для чего нам такие часы?
- Эти часы нужны для того, чтобы точнее работали системы позиционирования. Если у вас частотные стандарты грубые, то вы с помощью спутников определите нужный объект с точностью в несколько метров. А если у вас частотные стандарты, с помощью которых вы измеряете расстояния, точные, то вы можете рассказать, где находится передатчик, с точностью до сантиметра. И это очень важная работа, потому что позиционирование уже становится распространенной, широко применяемой процедурой в нашей жизни. Я не имею в виду только военное применение, конечно, я имею в виду гражданское применение: это и для цели определения на месте, для цели слежения за объектами, грузами и т.д.
Это одно из направлений. Ещё одно очень любопытное направление, которое сулит совершенно необычайные перспективы, – это квантовая информатика. То есть создание квантовых компьютеров и квантовых каналов связи. Именно с помощью лазеров это будет достаточно удобно осуществить.
- А чем они будут отличаться от нынешних компьютеров?
- Нынешний компьютер – всё-таки это компьютер на традиционных электронных элементах. Это интегральные схемы с микронными транзисторами и элементами, и, в общем, здесь расширение возможностей находится на определённом пределе.
- То есть правильно ли я понимаю, что, условно говоря, вот тот же транзистор можно сделать из трёх атомов, но меньше уже не получится?
- Я не думаю, что даже из трёх атомов это будет удобно. Теоретический предел там определяется тепловыделением. Вы вот сделали, допустим, микронный транзистор, но и в нём происходит тепловыделение. Если вы поставите этих микронных транзисторов очень много, то весь этот конгломерат транзисторов перегреется. А если вы эти микронные транзисторы разведёте друг от дружки на большие расстояния, они, конечно, все вместе уже не будут так нагреваться, но вы потеряете в кмпактности.
А квантовые компьютеры - это компьютеры на принципиально новой основе. Они используют в качестве способа вычисления просто другую логику, другие физические механизмы. Грубо говоря, это вообще не транзисторы. И собственно вычисления происходят на языке обмена не электронными импульсами, а на языке обмена квантовыми состояниями микрообъектов. А квантовые состояния оказываются «богатыми» для проведения вычислений настолько, что скорость вычисления может быть увеличена на много порядков.
- Тут сразу хочется задать советский деловитый вопрос: на какую пятилетку у нас намечен ввод таких компьютеров в строй?
- Это трудно сказать. Мы работаем так бурно, что через пять лет можем и не узнать нашего мира. Я, конечно, не пророк, но приезжая на какую-нибудь оптическую конференцию, я слышу обязательно несколько новых технических решений и предложений. И каждый раз эти новые предложения конкурируют со старыми. Думаю, в течение каких-то пяти, может быть, десяти лет, один из способов выиграет эту гонку и станет наиболее приемлемым для создания практических устройств.
Вторая сторона квантовой информатики – это обмен при передаче информации импульсами, где информация заключена опять же в том же квантовом состоянии световых потоков, где не амплитуда светового потока, не фаза светового потока является передатчиком информации, а его квантовое состояние. И сегодня очень много тратится сил для того, чтобы развить такие системы передачи информации с квантовыми носителями, потому что такие системы могут обеспечить абсолютную безопасность. Как только их прослушивают, то квантовая информация портится, и сразу на приемном конце становится ясно, что информация испорчена. А тот, кто прослушивает, всё равно не получает достоверных сведений. И вот эта абсолютная защищённость квантовых носителей информации очень привлекает.
Ещё одно направление связано с оптикой. Это так называемая оптика ближнего поля. Конечно, она связана с лазерными источниками. Дело в том, что традиционная оптика, спектроскопия и оптические методы измерения основаны на том, что источник и излучатель находятся на расстоянии, много большем длины волны света. Сегодня физики осознали, что очень много интересных эффектов можно увидеть, если между источником и излучателем расстояние меньше длины волны света – это называется ближнепольная оптика. Благодаря ближнепольной оптике сегодня созданы микроскопы оптические, которые превзошли предел современных микроскопов. Я имею в виду предел для оптического микроскопа, не электронного. У того - своя картина. Но электронные микроскопы не так удобны, они не все области покрывают, где нам нужно посмотреть структуру веществ.
Так что сегодня произошёл прорыв и в оптических микроскопах: за счёт применения принципа ближнего поля удалось на порядок улучшить пространственное разрешение. Мы видим совершенно новые детали структуры веществ.
- Мы уже видим молекулы, мы видим атомы?
- Не структуру атомов, но единицы и группы атомов и молекул, расположенных на поверхности. Более того: с помощью оптических щупов можно перемещать атомы по поверхности и располагать их в нужных местах.
- Конструирование новых веществ?
- Да, конструирование новых веществ. Мы можем найти одноатомные цепочки, с помощью которых исследователи пишут слова, символы и т.д. И это совершенно буйная область физики - создание новых материалов, где с помощью такой вот ближнепольной оптики можно совершать совершенно фантастические вещи. Вот хоть плащ-невидимка – это относится как раз к метаматериалам.
Развитие области метаматериалов и ближнепольной оптики ещё даст очень большое, не предсказуемое число применений и приложений.
- А на каком месте мы в этом соревновании?
- Я бы сказал так… Впрочем, начну с самого существенного и не самого приятного. В России на протяжении примерно 20 лет идёт обезвоживание финансами науки. Оно началось в начале 90-х годов и длится до сих пор. В академическом исследовательском институте стандартное государственное финансирование едва покрывает зарплатные расходы. Всё что нужно, - а нужен приборный парк, энергия, нужно привлекать молодёжь, - для всего этого мы должны где-то найти другие деньги. Нужны большие средства на развитие механических мастерских, оптического производства, содержание жидких охладителей (гелия и азота), для покупки уникального оборудования, для производства различных твердотельных структур, чистые комнаты – всё это стоит больших затрат.
- Задачи ли учёного – искать деньги?
- Частично, конечно, задача учёного. Но главное, чтобы эти фонды, которые предназначены для фундаментальных исследований, были богатыми. А в России нет богатых фондов для поддержки научных исследований. Даже РФФИ находится в очень тяжёлом положении, несмотря на то, что РФФИ сыграл колоссальную роль в том, чтобы не умерли целые направления.
Сейчас есть возможность больше денег брать в качестве грантов в Министерстве науки и образования, но это гранты на сугубо прикладные исследования.
Это то, что называется - за упокой. А за здравие - то, что всё-таки эти ограничения не убивают исследовательский дух в нашей науке. Особенности российского мышления, конечно, уникальны. Я думаю, что школа российская способствует неординарному мышлению, совершенно творческому подходу к решению тех или иных задач.
Вот я смотрю по тем ребятам, которые уехали на Запад - многие оказались лидерами совершенно новых направлений, выдают очень яркие результаты. И, конечно, если были бы здесь условия для них, то многое было бы иначе. Но вот когда возникнут эти условия, я пока не знаю
- Иными словами, всё-таки пока отстаём? И гораздо больше, чем Прохоров и Басов?
- Отстаём. И это отставание связно с недостатком финансирования. Но главное, что у этого отставания есть другая сторона, куда более болезненная. Сегодня благодаря тому, что на Западе приборный парк большой, инфраструктура, помогающая научным исследованиям, обеспечивается то, что скорость, темп исследований там невообразимо высок. Там для того, чтобы учёному попробовать тот или иной путь развития своих частных идей, требуются считанные дни, может быть, недели. Здесь мы на это можем потратить год.
И вот этот вот темп исследований, это как раз то, к чему надо в первую очередь нам стремиться. Но темп исследований определяется всё-таки тем инструментарием, который окружает научные исследования, а его нам и не хватает.
- Темп определяет, собственно, и место в научной конкуренции.
- Безусловно. Это то, что даже сейчас если завалить науку деньгами, темп возникнет не сразу. И вот это угнетает больше всего…