16 мая весь мир будет отмечать 50-летний юбилей одного из замечательнейших достижений науки и техники - лазера. Именно в этот день 50 лет назад американский ученый Теодор Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора. Как все начиналось? Какого прогресса достигли ученые за эти годы? Каков прогноз будущего лазерной техники? На эти и другие вопросы агентству "ФИАН-информ" ответил ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Петр Георгиевич Крюков - один из основоположников направления фемтосекундной лазерной техники в нашей стране и мире.
Петр Георгиевич пришел в Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН в 1961 году сразу после окончания МГУ по специальности "Оптика". На тот момент лазерная тематика занимала умы многих ученых, ведь прошел всего лишь год после создания первого в мире лазера. Научная революция, получившая старт после появления принципиально нового источника света была в самом разгаре. Одним из признанных лидеров лазерной тематики считался Николай Геннадьевич Басов, именно он и стал научным руководителем П.Г. Крюкова.
"Николай Геннадьевич, - делится воспоминаниями Петр Георгиевич, - имел много достоинств, но одно из них - это полет научной фантазии. Он мог предлагать идеи, которые на первый взгляд выглядели фантастическими, а потом оказывались верными. Это и идея создания полупроводниковых лазеров, и идея использования лазеров для управления термоядерным синтезом. Все они поначалу вызывали критику коллег, так как казались на тот момент чем-то несбыточным. Басов не основывался на хорошо известных вещах, как дважды два четыре, а был из той категории людей, которые задавались вопросами - а почему дважды два четыре и всегда ли это так. Для науки это чрезвычайно ценное качество. Именно поэтому общение с Николаем Геннадьевичем во время экспериментов давало нам больше, чем чтение книг, лекций, хотя это, конечно, тоже очень важно. Это был расцвет творческой активности. И атмосфера, конечно, тогда царила особенная, ведь появилась новая область науки, а это бывает не часто".
Стадию творческого поиска, присущую первым шагам в новом направлении, сменила стадия логического развития. Появлялись новые типы лазеров, увеличивалась их мощность, сокращалась длительность импульсов. В наши дни это привело к созданию фемтосекундных лазеров, то есть лазеров с длительностью импульсов порядка 10-15 сек. Именно они и являются сейчас наиболее перспективными.
"Сначала был первый лазер на рубине, он давал доли микросекунды, если говорить о временной шкале, - рассказывает дальше Петр Георгиевич. - Потом появились полупроводниковые лазеры. Их идею, в частности, Басову помогали развивать два замечательных теоретика - Олег Николаевич Крохин и Юрий Михайлович Попов. А потом лазеры стали совершенствоваться, так как смогли осуществить модуляцию добротности, и в этом большую роль сыграл Геннадий Андреевич Месяц. То устройство, которое он сделал ещё будучи аспирантом, сыграло огромную роль в переходе на наносекундный (10-9) диапазон. Удалось получить рекордные параметры. Потом появилось неодимовое стекло, здесь огромную роль сыграла ленинградская школа физики – Государственный оптический институт в Ленинграде (ГОИ) и Ленинградский завод оптического стекла (ЛенЗОС). Я в это время вместе со своим другим учителем и другом - Владиленом Степановичем Летоховым - перешел в Институт спектроскопии РАН (ИСАН). Мне повезло с учителем второй раз. И вот там-то мы освоили уже пикосекундный (10-12) диапазон и вплотную подошли к фемтосекундам. Тогда, в 70-80х годах, это направление стремительно развивалось во всем мире.
Потом вместе со своим аспирантом Андреем Шарковым вернулся в ФИАН, в Отделение квантовой радиофизики в Троицке, и там к нам присоединился другой мой ученик – Александр Конященко. Именно эти ребята под моим руководством, в самом начале 80х годов (1982-83 год), впервые в Советском союзе запустили фемтосекундную установку. У американцев тогда было 27 фс, а они смогли сделать 50 фс. Учитывая наши более слабые возможности, это был действительно прорыв, прорыв в область фемтосекундных лазеров. Хотя в то время этому особого значения не придавалось, но сейчас, когда "фемтосекунды" получили широчайшее признание, выясняется, что у нас в России все это уже есть".
Современные фемтосекундные лазеры непрерывного действия могут использоваться в двух ипостасях. Если с помощью затвора выделить одиночный ультракороткий импульс, то его можно использовать для исследования сверхбыстрых процессов, в том числе в области фундаментальной физики. С другой стороны, с помощью специального прибора - монохроматора - можно выделить из излучения лазера единственную спектральную линию. В результате, получится источник света с исключительно высокой монохроматичностью и стабильностью интенсивности во времени. Эта возможность фемтосекундных лазеров позволила использовать их для создания сверхточных оптических часов. В частности, за открытие в этой области американским ученым Дж. Холлу и Т. Хэншу в 2005 году была присуждена Нобелевская премия. В ФИАНе сейчас также ведутся работы в этой области. Группа ученых под руководством доктора физ.-мат. наук Михаила Александровича Губина в сотрудничестве с компанией "Авеста-проект" создает компактные высокостабильные оптические часы с относительной нестабильностью всего 10-14-10-15. В их устройстве используется принцип сопряжения спектров He-Ne/CH4 и фемтосекундного волоконного лазеров. Волоконные лазеры, где в качестве активной среды используется оптическое волокно из стекла с примесями ионов редкоземельных металлов, открывают путь к миниатюризации конечной установки. Это важно, в частности, при применении оптических часов в устройствах спутниковой навигации.
"Волоконные лазеры обладают такими неоспоримыми преимуществами как компактность, способность работать сутками без вмешательства оператора, относительно невысокая стоимость, а значит и доступность. Когда на исследования, связанные с фемтосекундами, отводится определенная сумма, то у вас появляются ограничения по выбору оборудования. Скажем, установку на титан-сапфире вы купить не можете, а вот волоконный фемтосекундный лазер, хоть и имеющий более высокий уровень шумов, можете, плюс у вас даже останутся деньги на зарплаты или еще на что-то. А это очень важно, особенно для России", - комментирует Петр Георгиевич.
Но вернемся к применению фемтосекундных лазеров. Лазеры более мощные можно применять для прецизионной обработки материалов. Образно говоря, воздействие на материал излучения с длинными импульсами можно сравнить с отбойным молотком, а с ультракороткими - с резцом скульптора. Благодаря этому, фемтосекундные лазеры нашли свою нишу во многих областях, требующих создания миниатюрных объектов, в частности, в медицине для изготовления искусственных имплантационных кровеносных сосудов или для создания микроскопических отверстий в мышце сердца для улучшения кровообращения. Еще одним применением фемтосекундных лазеров является изготовление микро- и наноструктур. Это применение основано на полимеризации некоторых материалов в жидкости под действием УФ-излучения. Путем перемещения фокуса лазерного пучка за счёт многофотонного поглощения можно "заставить" вещество отвердевать в виде структуры определенной формы. Так, уехавший в Лазерный центр г. Ганновера (Германия) научный сотрудник ФИАН Борис Чичков с коллегами создали установку, работающую на этом эффекте, - с ее помощью можно отсканировать любую вещь и сделать уменьшенную во много раз копию с точностью до100 нм.
"Если сделать подобную установку на волоконных лазерах, - говорит Петр Георгиевич, - это откроет путь к ее миниатюризации и доступности, а значит, и распространенности, причем не только в научной, но и промышленной среде".
Современная электроника, в том числе и лазерная, квантовая электроника, стремится к миниатюризации. По целому ряду параметров волоконные лазеры в настоящее время уступают объемным твердотельным лазерам, но сильно превосходят по эксплуатационным характеристикам. Тенденция к изменению этой ситуации уже зародилась, уже предлагаются различные решения. Достигнутая на сегодняшний день, минимальная длительность импульса фемтосекундного лазера составляет 5 фс. Вполне возможно, что когда-нибудь такая длительность будет достигнута и на волоконных лазерах.
"Я вовсе не удивлюсь, - подводит итог собеседник агентства, - если когда-нибудь с их помощью получат те же 5 фс, так как 15 - уже получают. Это все равно, что рекорд в беге на сто метров, ведь с практической стороны не важно, за сколько человек пробежал это расстояние, за 9 секунд или за 10, важно - получить олимпийскую медаль".
АНИ «ФИАН-информ»
