Разрушительный луч: кто изобрел первый лазер в мире

Если вам кажется, что идея создания лазера могла прийти ученым только в недавнем прошлом, — это большое заблуждение. Впервые о прототипе лазера задумался еще математик и инженер Архимед в 214 году до нашей эры.

После того, как римская армия приплыла к восточному берегу Сицилии и начала осаду города Сиракуз, Архимед оперативно придумал способ помочь армии удержать осаду города. В результате жителям Сиракуза удалось продержать сопротивление врагу целых два года.

Идея математика была одновременно простой и гениальной: он предложил воинам с помощью зеркал и отполированных медных щитов отражать солнечные лучи, направлять их на корабли врага, тем самым вызывая на суднах пожар.

Однако есть и другая версия. Ряд ученых предполагает, что Архимед предложил отражать лучи таким образом, чтобы те служили указателями цели для метательных машин, которые уже, в свою очередь, стреляли огненными снарядами по судам римлян.

Какая бы из версий ни была правдивой, сути это не меняет — древнегреческий ученый еще в 214 году до нашей эры описал принцип работы лазера.

Долгое время о том, что предложил Архимед, никто не вспоминал. Однако в XX веке — эпохе множества физических открытий — об идее лазера задумался Альберт Эйнштейн. В 1916 году физик-теоретик опубликовал серию статей, в которых рассказал о «вынужденном излучении». Однако в тот момент научное сообщество было не готово к подобного рода заявлением, а потому — оставило этот труд ученого без внимания. По достоинству работу Эйнштейна оценили только через 40 лет.

Выяснилось, что в труде о «вынужденном излучении» физик предположил, что фотон (минимальная частица света) может выбить электрон с орбиты атома определенного типа при столкновении с ним. В результате этого столкновения электрон станет примерно таким же фоном, и вместе с фотоном направится в пространство. Так получится лазер — пучок света из неопределенного числа фотонов, созданный вынужденным излучением.

Однако ученые установили, что на практике в обычных условиях фотон не выбьет из атома электрон, а будет им поглощен и просто-напросто исчезнет. Именно из-за этого они стали думать над тем, как создать специальную среду, в которой наработки Эйнштейна сработают.

Первый прототип такой среды предложил физик из СССР Валентин Фабрикант. Первые свои опыты мужчина начал проводить еще в 1030-х годах, однако патент на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения (способа, способного создать среду, в которой лазер сможет работать), он получил только после войны, в 1951-м году.

Уже в 1952-м году другому советскому ученому, Александру Прохорову, пришла новая гениальная идея. Вдохновившись трудами Эйнштейна и изобретением Фабриканта, мужчина придумал, как можно собрать эффективное лазерное устройство. Позже вместе с Прохоровым над разработкой изобретения стал корпеть его аспирант и ближайший коллега Николай Басов.

В 1954 году на двух противоположных полушариях ученые независимо друг от друга представили устройство, которое позже назвали «мазером». В СССР «мазер» создали Прохоров с Басовым, а в США — ученые из Колумбийского университета под руководством Чарльза Таунса. Такое необычное название сложилось из слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»).

За свое открытие все трое ученых в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике. При этом, несмотря на то, что у физиков уже была разработа среда, в которой можно было бы реализовать описанное в труде Эйнштейна, пока что речь шла только о микроволнах. Теперь перед научным сообществом стоял другой вызов — создать видимый луч.

Ученые поставили себе задачу — перейти из СВЧ-диапазона в световой, заменить microwave заменить на light и получить устройство, работающее по принципу «усиления света с помощью вынужденного излучения»‎.

В результате на основе исследований, которые представили миру советские и американский ученые, был разработан первый генератор оптического диапазона. Первый лазер был изобретен в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом. Он создал лазер на основе идеи, которую высказал еще в 1917 году американский физик Альберт Эйнштейн. Идея заключалась в том, что при переходе атома из возбужденного состояния в основное состояние он испускает фотон, который имеет определенную энергию и длину волны.

Мейман использовал для своего лазера рубиновый кристалл, который был помещен между двумя зеркалами. Один из зеркал был полупрозрачным и пропускал небольшую часть света, который затем проходил через кристалл и отражался от второго зеркала.

Таким образом, свет проходил многократно через кристалл, усиливаясь и генерируя узконаправленный пучок света высокой интенсивности — лазерный луч.

Первый лазер Меймана был довольно простым устройством, но он стал отправной точкой для развития лазерных технологий. Сегодня лазеры широко применяются в науке, медицине, промышленности и других областях.

Таким образом, первый лазер был изобретен американским физиком Теодором Мейманом в 1960 году. Он использовал рубиновый кристалл и зеркала для генерации узконаправленного пучка света высокой интенсивности.

Сегодня лазеры применяются в огромном количестве сфер. Настолько разнообразно его применение, что, возможно, вы даже не подозревали о некоторых из его предназначений. Цель применения лазера зависит от типа устройства. Сегодня существуют:

В зависимости от того, в какой области применяется тот или иной лазер, он будет иметь различную длину волны, мощность и частоту повторения импульсов.

Лазеры — устройства, которые сегодня обладают наиболее высокой точностью и эффективностью, за счет чего они сокращают риск негативных последствий от лечения и облегчают его как для врача, так и для пациента. Именно поэтому лазеры постоянно используются в самых разных медицинских сферах.

Промышленность — другая сфера, в которой лазеры находят довольно широкое применение. Задачи, которые выполняют лазеры, могут быть самыми разными:

Появление лазера помогло множеству научных сфер сделать существенный «шаг вперед». Сегодня эти приборы облегчают огромное количество исследований и делают реальным то, о чем раньше ученые могли только мечтать.

Лазеры в области оптической связи применяются для передачи света на значительные расстояния, а также для управления светом внутри оптических систем. Оптические кабели используют свет для передачи данных между двумя точками. Свет, проходящий через оптический кабель, может быть урегулирован с помощью лазеров, что открывает новые горизонты для связи, включая передачу данных через водные преграды или в условиях непроходимых лесов.

Лазеры также находят применение в создании лазерных коммутаторов, которые служат для соединения оптических кабелей, обеспечивая передачу информации между различными коммуникационными системами. Сегодня лазеры играют если не главную, то точно ключевую роль в эволюции оптической связи и способствуют созданию более быстрых и надежных коммуникационных систем.

Наверное, самая неожиданная для многих сфера применения лазера — это спорт. Однако и тут лазеры применяются весьма активно. Как минимум, лазер используется в футболе, баскетболе, волейболе, теннисе, гольфе и хоккее — играх, в которых задействован мяч (или шайба).

Лазеры помогают улучшить точность и скорость удара, рассчитать время и расстояние для более удачного броска. Так, например, в футболе и хоккее с их помощью измеряют расстояние до ворот, в баскетболе — до сетки, а в гольфе — до лунки. Эти данные помогают игрокам оперативно принимать более правильные решения в процессе игры.

В теннисе, например, лазерами измеряют направления ударов и изучения поведения тела игроков. С помощью этих данных тренеры в будущем продумывают, как можно улучшить технику спортсменов и скорость их реакции.