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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Laser. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Das Wort "Laser" wird aus den Anfangsbuchstaben eines langen englischen Satzes gebildet, was wörtlich "Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission" bedeutet. „Wissenschaftler haben sich schon lange mit dem Phänomen der spontanen Lichtemission von Atomen beschäftigt“, schreibt M.M. Koltun in dem Buch „World of Physics“, das dadurch entsteht, dass ein auf irgendeine Weise angeregtes Elektron aus den oberen Elektronenschalen wieder zurückkehrt des Atoms zu den unteren. Nicht umsonst zieht das durch solche Übergänge verursachte Phänomen der chemischen, biologischen und leichten Lumineszenz seit langem Forscher mit seiner Schönheit und Ungewöhnlichkeit an. Aber das Lumineszenzlicht ist zu schwach und gestreut, es kann das nicht erreichen Mond... Jedes Atom emittiert während der Lumineszenz zu unterschiedlichen Zeiten sein eigenes Licht, das nicht mit benachbarten Atomen koordiniert ist. Als Ergebnis tritt eine chaotische Flare-Strahlung auf. Atome haben keinen Leiter! In 1917 Jahr Albert Einstein in einem der Artikel zeigte er theoretisch, dass externe elektromagnetische Strahlung es ermöglichen würde, die Strahlungsblitze einzelner Atome aneinander anzupassen. Es kann dazu führen, dass die Elektronen verschiedener Atome gleichzeitig auf gleich hohe angeregte Niveaus fliegen. Es ist nicht schwierig, dass dieselbe Strahlung die Rolle eines Auslösers für einen "Lichtschuss" spielt: Auf einen Kristall gerichtet, kann sie die gleichzeitige Rückkehr mehrerer Zehntausend angeregter Elektronen auf ihre ursprüngliche Umlaufbahn auf einmal bewirken, was der Fall sein wird von einem mächtigen, blendend hellen Lichtblitz begleitet werden, Licht fast der gleichen Wellenlänge oder, wie die Physiker sagen, monochromatisches Licht. Einsteins Arbeiten gerieten bei den Physikern fast in Vergessenheit: Die Erforschung der Struktur des Atoms war damals für alle viel interessanter. 1939 wurde ein junger sowjetischer Wissenschaftler, jetzt Professor und ordentliches Mitglied der Akademie der Pädagogischen Wissenschaften V.A. Fabrikant kehrte zu dem von Einstein in die Physik eingeführten Konzept der stimulierten Emission zurück. Die Forschung von Valentin Alexandrovich Fabrikant legte eine solide Grundlage für die Entwicklung eines Lasers. Noch ein paar Jahre intensiver Forschung in einer ruhigen, friedlichen Umgebung, und der Laser wäre entstanden.“ Dies geschah jedoch erst in den fünfziger Jahren dank der kreativen Arbeit der sowjetischen Wissenschaftler Prokhorov, Basov und des Amerikaners Charles Hard Towns (1915). Alexander Mikhailovich Prokhorov (1916-2001) wurde in Atorton (Australien) in der Familie eines Arbeiterrevolutionärs geboren, der 1911 aus dem sibirischen Exil nach Australien floh. Nach der Großen Sozialistischen Oktoberrevolution kehrte die Familie Prokhorov 1923 in ihre Heimat zurück und ließ sich nach einiger Zeit in Leningrad nieder. 1934 schloss Alexander hier sein Abitur mit einer Goldmedaille ab. Nach der Schule trat Prokhorov in die Physikabteilung der Staatlichen Universität Leningrad (LGU) ein und schloss 1939 mit Auszeichnung ab. Dann trat er in die Graduiertenschule des nach ihm benannten Physikalischen Instituts ein P.N. Lebedew Akademie der Wissenschaften der UdSSR. Hier begann der junge Wissenschaftler, die Ausbreitungsprozesse von Radiowellen entlang der Erdoberfläche zu untersuchen. Er schlug eine originelle Methode zur Untersuchung der Ionosphäre unter Verwendung der Radiointerferenzmethode vor. Von Beginn des Zweiten Weltkriegs an war Prokhorov in den Reihen der Armee im Feld. Er kämpfte in der Infanterie, im Geheimdienst, erhielt militärische Auszeichnungen, wurde zweimal verwundet. 1944 demobilisiert, kehrte er nach einer zweiten schweren Verwundung zu seiner durch den Krieg unterbrochenen wissenschaftlichen Arbeit am FIAN zurück. Prokhorov beschäftigte sich mit damals relevanten Forschungen zur Theorie nichtlinearer Schwingungen, Methoden zur Stabilisierung der Frequenz von Funkgeneratoren. Diese Arbeiten bildeten die Grundlage seiner Doktorarbeit. Für die Erstellung der Theorie der Stabilisierung der Frequenz eines Röhrengenerators im Jahr 1948 wurde ihm der Akademiker L.I. Mandelstam. Im Jahr 1948 begann Alexander Michailowitsch mit der Erforschung der Natur und Beschaffenheit der elektromagnetischen Strahlung, die in zyklischen Beschleunigern geladener Teilchen emittiert wird. In sehr kurzer Zeit gelang es ihm, eine große Reihe erfolgreicher Experimente durchzuführen, um die kohärenten Eigenschaften der Magneto-Bremsstrahlung relativistischer Elektronen zu untersuchen, die sich in einem gleichmäßigen Magnetfeld in einem Synchrotron bewegen – Synchrotronstrahlung. Als Ergebnis der Forschung bewies Prokhorov, dass Synchrotronstrahlung als Quelle kohärenter Strahlung im Wellenlängenbereich von Zentimetern verwendet werden kann, bestimmte die Haupteigenschaften und den Leistungspegel der Quelle und schlug eine Methode zur Bestimmung der Größe von Elektronenpaketen vor. Dieses klassische Werk eröffnete ein ganzes Forschungsgebiet. Seine Ergebnisse wurden in Form einer Doktorarbeit formalisiert, die Alexander Michailowitsch 1951 erfolgreich verteidigte. Im Jahr 1950 begann Prokhorov mit der Arbeit in einer völlig neuen Richtung der Physik – der Radiospektroskopie – und entfernte sich allmählich von der Arbeit auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik. Damals wurde in der Spektroskopie ein neuer Wellenlängenbereich, Zentimeter und Millimeter, beherrscht. Die Rotations- und einige Schwingungsspektren von Molekülen fielen in diesen Bereich. Damit eröffneten sich völlig neue Möglichkeiten bei der Erforschung grundlegender Fragen zum Aufbau von Molekülen. Prokhorovs reiche experimentelle und theoretische Erfahrung auf dem Gebiet der Schwingungstheorien, der Funktechnik und der Funkphysik war am besten geeignet, um dieses neue Gebiet zu meistern. Mit der Unterstützung des Akademikers D.V. Skobeltsyn schuf in kürzester Zeit zusammen mit einer Gruppe junger Mitarbeiter des Oszillationslabors eine einheimische Schule für Radiospektroskopie, die schnell führende Positionen in der Weltwissenschaft einnahm. Einer dieser jungen Mitarbeiter war Nikolai Gennadievich Basov, Absolvent des Moskauer Instituts für Ingenieurphysik. Basov wurde am 14. Dezember 1922 in der Stadt Usman in der Provinz Woronesch (heute Region Lipezk) in der Familie von Gennady Fedorovich Basov, später Professor an der Universität Woronesch, geboren. Das Ende der Schule Basov fiel mit dem Beginn des Großen Vaterländischen Krieges zusammen. 1941 wurde Nikolai zum Militär eingezogen. Er wurde an die Kuibyshev Military Medical Academy geschickt. Ein Jahr später wurde er an die Kiewer Militärmedizinische Fakultät versetzt. Nach seinem College-Abschluss im Jahr 1943 wurde Basov zu einem Chemikalienschutzbataillon geschickt. Von Anfang 1945 bis zur Demobilisierung Ende des Jahres war er in den Reihen der Armee. 1946 trat Basov in das Moskauer Institut für Mechanik ein. Nach seinem Abschluss am Institut im Jahr 1950 trat er in seine Graduiertenschule am Institut für Theoretische Physik ein. Seit 1949 arbeitet Nikolai Gennadijewitsch am Physikalischen Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR. Seine erste Stelle war als Ingenieur im Vibrationslabor unter der Leitung des Akademikers M.A. Leontowitsch. Dann wird er Nachwuchsforscher im selben Labor. In diesen Jahren begann eine Gruppe junger Physiker unter der Leitung von Prokhorov mit der Forschung in einer neuen wissenschaftlichen Richtung – der molekularen Spektroskopie. Gleichzeitig begann eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Basov und Prokhorov, die zu grundlegenden Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik führte. 1952 präsentierten Prokhorov und Basov die ersten Ergebnisse einer theoretischen Analyse der Auswirkungen der Verstärkung und Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Quantensysteme und untersuchten später die Physik dieser Prozesse. Nachdem Prokhorovs Labor eine Reihe von Radiospektroskopen eines neuen Typs entwickelt hatte, begann es, sehr reichhaltige spektroskopische Informationen über die Bestimmung von Strukturen, Dipolmomenten und Kraftkonstanten von Molekülen, Momenten von Kernen usw. zu erhalten. Bei der Analyse der Grenzgenauigkeit von Mikrowellen-Molekularfrequenzstandards, die hauptsächlich durch die Breite der molekularen Absorptionslinie bestimmt wird, schlugen Prokhorov und Basov vor, den Effekt einer scharfen Verengung der Linie in Molekularstrahlen zu nutzen. „Der Übergang zu Molekularstrahlen“, schreiben I. G. Bebikh und V. S. Semenova, „führte jedoch bei der Lösung des Problems der Linienbreite zu einer neuen Schwierigkeit – die Intensität der Absorptionslinie nahm aufgrund der geringen Gesamtdichte der Moleküle im Strahl stark ab.“ Das Absorptionssignal ist das Ergebnis induzierter Übergänge zwischen zwei Energiezuständen von Molekülen mit der Absorption eines Quants beim Übergang vom unteren zum oberen Niveau (induzierte, stimulierte Absorption) und mit der Emission eines Quants beim Übergang vom oberen Niveau nach unten (induzierte, stimulierte Emission). Folglich ist es proportional zum Unterschied in den Populationen der unteren und oberen Energieniveaus des Quantenübergangs der untersuchten Moleküle. Für zwei Niveaus, die durch einen Energieabstand getrennt sind, der einem Mikrowellenquant entspricht Aufgrund der thermischen Besetzung von Niveaus in einem Gleichgewichtszustand bei normalen Temperaturen gemäß der Boltzmann-Verteilung macht dieser Besetzungsunterschied aufgrund der thermischen Belegung von Strahlung nur einen kleinen Teil der gesamten Teilchendichte aus. Damals wurde die Idee vorgeschlagen, durch künstliche Veränderung der Besetzung der Niveaus in einem Molekularstrahl, d. h. durch Schaffung von Nichtgleichgewichtsbedingungen (oder sozusagen der eigenen "Temperatur", die die Besetzung dieser Niveaus bestimmt), man kann die Intensität der Absorptionslinie signifikant verändern. Verringert man die Anzahl der Moleküle auf der oberen Arbeitsebene stark, indem man solche Teilchen beispielsweise durch ein inhomogenes elektrisches Feld aus dem Strahl aussortiert, so nimmt die Intensität der Absorptionslinie zu. Im Strahl entsteht sozusagen eine Tiefsttemperatur. Werden auf diese Weise jedoch Moleküle aus der unteren Arbeitsebene entfernt, so erfährt das System eine Verstärkung durch stimulierte Emission. Übersteigt die Verstärkung die Verluste, so wird das System mit einer Frequenz selbsterregt, die noch durch die Frequenz des gegebenen Quantenübergangs des Moleküls bestimmt ist. Im Molekularstrahl hingegen wird eine Besetzungsinversion durchgeführt, also eine Art negative Temperatur erzeugt.“ So entstand die Idee eines molekularen Generators, dargelegt in der bekannten Reihe klassischer Gemeinschaftswerke von AM Prokhorov und N.G. Basov 1952–1955. Von hier aus begann die Entwicklung der Quantenelektronik – einer der fruchtbarsten und sich am schnellsten entwickelnden Bereiche der modernen Wissenschaft und Technologie. Im Wesentlichen bestand der wichtigste und grundlegende Schritt bei der Entwicklung von Quantengeneratoren darin, ein nicht im Gleichgewicht befindliches strahlendes Quantensystem mit Besetzungsinversion (mit negativer Temperatur) vorzubereiten und es in ein oszillierendes System mit positiver Rückkopplung – einen Hohlraumresonator – zu platzieren. Dies hätte von Wissenschaftlern durchgeführt werden können und sollen, die die Erfahrung aus der Untersuchung quantenmechanischer Systeme und der radiophysikalischen Kultur kombinierten. Eine weitere Ausweitung dieser Prinzipien auf optische und andere Bänder war unvermeidlich. Prokhorov und Basov schlugen eine neue Methode vor, um Besetzungsinversion in dreistufigen (und komplexeren) Systemen zu erhalten, indem einer der Übergänge unter Einwirkung einer starken Hilfsstrahlung gesättigt wird. Dies ist das sogenannte "Drei-Niveau-Verfahren", später auch optisches Pumpverfahren genannt. Er war es, der es Fabry-Perot im Jahr 1958 ermöglichte, eine echte wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung anderer Sortimente zu schaffen. Dies wurde 1960 von T. Meiman bei der Entwicklung des ersten Rubinlasers erfolgreich eingesetzt. Schon während seiner Arbeit an molekularen Oszillatoren kam Basov auf die Idee, die Prinzipien und Methoden der Quantenradiophysik auf den optischen Frequenzbereich auszudehnen. Seit 1957 suchte er nach Möglichkeiten, optische Quantengeneratoren – Laser – herzustellen. 1959 gründete Basov zusammen mit B.M. Vulom und Yu.M. Popov bereitete die Arbeit "Quantenmechanische Halbleitergeneratoren und Verstärker elektromagnetischer Schwingungen" vor. Es wurde vorgeschlagen, die in einem gepulsten elektrischen Feld erhaltene inverse Population in Halbleitern zu verwenden, um einen Laser zu erzeugen. Dieser Vorschlag markierte zusammen mit den Vorschlägen von US-Wissenschaftlern zur Verwendung von Rubinkristallen (C. Towns, A. Shavdov) und Gasmischungen (A. Javan) den Beginn der systematischen Entwicklung des optischen Frequenzbereichs durch Quanten Elektronik. 1964 wurden Basov, Prokhorov und Towns (USA) Nobelpreisträger, die ihnen für Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Quantenelektronik verliehen wurden, die zur Entwicklung von Masern und Lasern führte. Autor: Samin D. K.
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