История лазера

М. Бертолотти

Перевод с английского П.Г.Крюкова

под редакцией А.Д.Калашникова

Второе издание

2015

ИСТОРИЯ 
ЛАЗЕРА

Ì. Áåðòîëîòòè

Èñòîðèÿ ëàçåðà. Ïåð. ñ àíãë.: Íàó÷íîå èçäàíèå / Ì. Áåðòîëîò
òè – 2-å èçä. – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò»,
2015. – 336 ñ.: âêë.

ISBN 978-5-91559-183-6

Êíèãà, êîòîðóþ Âû âçÿëè â ðóêè – ðåäêèé ñïëàâ äîáðîòíîãî èçëîæåíèÿ

îñíîâ ñîâðåìåííîé ôèçèêè è åå èñòîðèè. Èñòîðèÿ íàóêè ïðåäñòàåò çäåñü â
íåðàçðûâíîé ñâÿçè äðàìû èäåé â ïîçíàíèè ïðèðîäû è ñóäåá êîíêðåòíûõ
ëþäåé. Âñå ýòè âûäàþùèåñÿ èññëåäîâàòåëè áûëè çàõâà÷åíû â êðóãîâîðîò
æåñòîêîé èñòîðèè ÕÕ âåêà, êîòîðîé â êíèãå óäåëåíî íåìàëî ñòðàíèö.

Àâòîðó óäàëîñü ñîâìåñòèòü ðàññêàçû î æèçíåííîì ïóòè çàìå÷àòåëüíûõ

ëè÷íîñòåé ñ ïðèñòàëüíûì, øàã çà øàãîì, àíàëèçîì ãèïîòåç, òåîðèè è ýêñïåðèìåíòà.

© 1999, Bollati Boringhieri editore, Torino
© 2015, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì

«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

Èçäàíèå îñóùåñòâëåíî ïðè ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî
Ôîíäà Ôóíäàìåíòàëüíûõ Èññëåäîâàíèé ïî ïðîåêòó ¹ 10-02-07028

ISBN 978-5-91559-183-6
ISBN 978-0-7503-0911-3 (àíãë.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие переводчика  ......................................................... 4

Предисловие автора .................................................................... 8

Введение   .................................................................................... 10

Глава 1.  Волновая и корпускулярная теории света ...............  24
Глава 2.  Спектроскопия: акт I  ............................................... 44
Глава 3.  Излучение черного тела ...........................................  62
Глава 4.  Атом Резерфорда–Бора ...........................................  80
Глава 5.  Эйнштейн .................................................................  99
Глава 6.   Эйнштейн и свет, фотоэлектрический эффект 

и вынужденное испускание .................................... 120

Глава 7.  Микроволны ............................................................ 136
Глава 8.  Спектроскопия: акт II ............................................. 160
Глава 9.  Магнитный резонанс .............................................. 177

Глава 10.  Мазер ....................................................................... 201
Глава 11.  Предложение «оптического мазера»  .....................  234
Глава 12.  Удача (или неудача?) Гордона Гулда ......................  246
Глава 13.  И наконец-то, лазер! ..............................................  254
Глава 14.  Решение в поиске проблемы или многие 

 проблемы с одним и тем же решением? 
 Применения лазеров ..............................................  294

ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА

Пятьдесят лет назад произошло знаменательное событие. 
Теодор Мейман, сотрудник Исследовательской лаборатории фирмы Говарда 
Хьюза (США), 16 мая 1960 г. продемонстрировал совершенно новый источник 
высококогерентного света – лазер. В честь этого события 2010 г. был объявлен 
Международным годом лазера, и научная общественность многих стран отмечала юбилей этого выдающегося научного и технологического достижения. 
Создание этого замечательного устройства имеет свою продолжительную 
и драматическую историю. Ей посвящен ряд книг, в том числе книга самого 
Меймана «Лазерная одиссея». В ней он откровенно и увлекательно рассказал 
историю создания своего рубинового лазера в условиях жесткой конкуренции 
между исследовательскими лабораториями могучих фирм и ведущих университетов США. Они начали гонку в стремлении первыми создать генератор 
световых волн после того, как в 1954 г. был создан генератор радиоволн, 
использующий вынужденное излучение молекул аммиака (мазер). 
Разумеется, созданию лазера предшествовало развитие многих физических фундаментальных идей и экспериментальных результатов. В книге профессора М. Бертолотти «История лазера» описывается это развитие, начиная 
с античных времен. Эта книга является одной из лучших по этой теме, она 
выдержала два издания, и ее перевод предлагается российскому читателю. 
К достоинствам книги относится стремление автора к объективному описанию, не умаляя роль российских ученых. Так, он отмечает выдающуюся 
роль А.С. Попова в изобретении радио. Естественно, что Бертолотти подробно описывает достижения своего соотечественника Маркони, и читатель узнает, в каких комфортных условиях работал Маркони в отличие от 
поистине ужасных условий и обстоятельств, выпавших на долю Попова. 
Касаясь научных результатов, которые имели прямое отношение к исследованиям, приведшим к созданию лазеров, Бертолотти отмечает замечательноe 

открытие Е.К. Завойским электронного парамагнитного резонанса, которое 
он сделал в Казани в годы войны. Американские исследователи, получившие 
аналогичные результаты, были удостоены Нобелевской премии. Также 
Бертолотти воздает должное советским ученым Н.Г. Басову, Б.М. Вулу, 
О.Н. Крохину и Ю.М. Попову, которые показали возможность создания 
полупроводникового лазера еще до того, как был создан первый рубиновый 
лазер.

Как известно, фундаментальной основой принципа работы лазера явля
ется концепция вынужденного излучения, разработанная А. Эйнштейном. 
Еще до войны советский ученый В.А. Фабрикант показал в своей диссертации, что при определенных условиях можно получить усиление света, 
а не поглощение, при прохождении его через слой вещества. Правда, его 
расчеты и оценки показывали, что этот эффект чрезвычайно мал и трудно 
рассчитывать на его использование, тем более что уже существовали фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи – приборы, позволяющие регистрировать и усиливать очень слабые оптические 
сигналы. И Фабрикант не счел необходимым опубликовать свой результат 
в научных журналах. 

Для использования слабого эффекта усиления за счет вынужденного 

излучения требовалось использование положительной обратной связи, 
превращающей усилитель со слабым усилением в генератор. Однако концепция генератора и резонатора, с помощью которых можно осуществить 
положительную обратную связь, была чуждой для специалистов-оптиков. 
Демонстрация использования эффекта вынужденного излучения для генерации электромагнитного излучения была осуществлена в радиодиапазоне. 
Ч. Таунс и Н.Г. Басов с А.М. Прохоровым независимо создали принципиально новый источник радиоволн. Свой прибор американские исследователи назвали мазером (английская аббревиатура фразы: усиление 
радиоизлучения с помощью вынужденного излучения), подчеркивая роль 
вынужденного излучения. Советские исследователи назвали свой прибор 
молекулярным генератором, подчеркивая тот факт, что колебательной 
системой были молекулы, в которых реализовывался эффект вынужденного 
излучения. Поскольку фундаментальный эффект вынужденного излучения 
имеет место для электромагнитных волн независимо от их длины, было очевидно, что, в принципе, можно построить генератор и оптического диапазона. Вот почему Ч. Таунс, Н.Г. Басов, А.М. Прохоров получили в 1964 г., 
после создания лазера, Нобелевскую премию по физике за свой фундаментальный вклад в решение проблемы создания принципиально нового источника (генератора) света – лазера.

Предисловие переводчика  

История лазера 

Следует подчеркнуть, что практическая реализация переноса концепции 
генератора, использующего эффект вынужденного излучения, из радиодиапазона в оптику представлялась крайне трудной. Одной из принципиальных 
проблем был необходимый резонатор. В радиодиапазоне резонаторы обычно 
имеют размер, определяемый длиной волны. Длина волны света исключала 
возможность использования подобных резонаторов в оптике. Здесь важнейший результат был получен А.М. Прохоровым, который предложил и со 
своими сотрудниками экспериментально продемонстрировал резонатор 
электромагнитных волн нового типа, образованный двумя параллельно расположенными пластинами с высоким коэффициентом отражения. Можно 
вспомнить, что так же устроен интерферометр Фабри–Перо, изобретенный 
в 1899 г. Но это был спектроскопический прибор с высоким разрешением. 
Никто не рассматривал его как особый тип резонатора. Прохоров показал, 
что такой резонатор является открытым и в него можно поместить вещество, 
обладающее, пусть даже малым, коэффициентом усиления.
Создание такого вещества – активной среды – также представлялось 
чрезвычайно сложной проблемой. Дело в том, что условия получения усиления – инверсной населенности уровней, соответствующих кванту излучения, – предполагают сильно неравновесный термодинамический процесс. 
Ч. Таунс и А. Шавлов рассмотрели в своей статье в Physical Review (1958 г.) 
проблемы распространения представлений микроволновой мазерной генерации в область инфракрасного и видимого диапазона. Указав на принципиальную разрешимость проблемы и предполагаемые пути ее решения, они, 
тем не менее, подчеркивали трудность практической реализации; в частности, А. Шавлов считал рубин непригодным для этой цели.
Поэтому совершенно удивительным стал факт создания лазера на рубине 
Теодором Мейманом, мало известным физиком, работающим в промышленной фирме, который не находился в числе людей, уже старающихся реализовать предложения Таунса и Шавлова. Величайшая заслуга Меймана 
в том, что он показал, как легко построить действующий лазер вопреки всем 
опасениям. В связи с этим следует сказать, что в Советском Союзе очень 
быстро была воспроизведена конструкция Меймана. В Государственном 
оптическом институте (г. Ленинград) рубиновый лазер был запущен 2 июня 
1961 г., а в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР – 18 сентября 
1961 г. Причем для запуска лазера не потребовалось сложных технологий 
и особых экспериментальных методик. Оказалось возможным использовать 
рубиновый образец, вырезанный из искусственных камней, используемых 
в часовой промышленности, а для накачки использовались стандартные 
импульсные лампы, применяемые в авиации.

Предисловие переводчика  

Как часто случается, как только был открыт способ создания нового 
устройства, множество людей вскочили на подножку набирающего скорость 
поезда. Возникла целая лавина работ по лазерам самых различных типов. 
Появились и претензии на приоритет. В книге целая глава посвящена «войне 
патентов». К сожалению, Мейман так и не получил Нобелевской премии за 
свое гениальное достижение. Но его приняли в Зал славы Национальных 
изобретателей США, чести которой удостоена такая личность, как Эдисон. 
Книга М. Бертолотти будет весьма полезной всем, кто интересуется историей 
науки и техники.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

 
Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе «Война миров» 
(1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэша Гордона (1950) широко 
использовались пистолеты, испускающие световые лучи, – оружие, которое 
сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры. 
Слово «лазер» теперь хорошо известно и неспециалисту. Мы буквально окружены применениями лазерного света. Лазеры можно встретить 
в медицине (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникациях 
(волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации 
на компакт-дисках, голограммы), а также в промышленности (сверление, 
резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, 
печатание газет). 
Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также 
названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из 
людей по-настоящему знает, что собой представляет принцип действия лазера. 
В этой книге я постараюсь как можно проще объяснить (хотя и не удастся 
избежать некоторых технических деталей), как удалось создать первые лазеры, 
а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, ставшими их предшественниками). 
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света с особыми 
свойствами, радикально отличающими их от обычных источников, таких как 
свеча или лампочка. В самом деле, свет лазера одного цвета (а не смесь цветов 
белого света) и испускается в одном направлении (а не во всех направлениях, 
как свет лампочки). Это позволяет нам собирать его линзой и фокусировать 
в области очень малых размеров. Спектральная чистота и направленность 
лазерного света позволяют делать это с высокой эффективностью, концен

Предисловие автора

трируя значительную мощность в очень малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла. 

В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как 

очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, 
оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются 
спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы 
понять это, давайте рассмотрим, что собой представляет свет и как он испускается. Это, в свою очередь, определяется излучателем, атомом. Потому потребует знакомства с некоторыми основными понятиями квантовой механики. 
Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение – преобладающий процесс во всех естественных источниках, и стимулированное излучение – процесс, порождающий свет лазера и ответственный 
за его особые свойства.

Для того чтобы объяснить различные явления, давайте проследим историю 

света и первые шаги квантовой механики. При этом учтем, что развитие науки 
нелинейно, так что многие идеи иногда оказываются слишком передовыми 
для своего времени, не находят признания и не приносят пользу. Другие же 
могут возникать одновременно и независимо в умах сразу нескольких человек, 
как неизбежное следствие пре дыдущих идей, являющихся необходимыми 
предпосылками. 

ВВЕДЕНИЕ

Рождение мира, как оно описывается в Книге Бытия, фактически, не противоречит большинству новейших космологических теорий 
Большого Взрыва, согласно которым Вселенная возникла в результате огромного взрыва с яркой вспышкой света.
Но как образуется свет? У ребенка этот вопрос не вызывает удивления, 
и он отвечает, что свет приходит от Солнца, или от электрической лампочки 
или от огня. Вообще говоря, это правильно. Однако почему Солнце испускает 
свет и, в продолжение вопроса, почему оно горит? На протяжении тысяч 
лет человечество не задавалось этим вопросом, а связывало свет с философскими и религиозными концепциями, делая упор на проблемы, связанные со 
зрением. В греческой мифологии мы встречаем титана Эпиметея, который, 
согласно мифу, давал каждому живому существу при Создании специфические особенности, нужные ему для защиты и выживания. Так, он снабдил 
черепаху прочным панцирем, осу жалом и т.д. до тех пор, пока он не дошел 
до людей, и, исчерпав все возможности природы, не смог ничего найти для 
человека. Платон пишет, что человек стоял «наг, бос, без дома и защиты». 
Эпиметей попросил своего брата Прометея помочь ему. Тот похитил огонь 
у Зевса и подарил его человеку, способствуя тем самым прогрессу человечества, культуры и технологий. Зевс, полный злости и ревности, наказал 
Прометея, приковав его цепями к горам Кавказа, где каждый день орел терзал 
его печень. Желая не дать возможности людям насладиться этим даром, Зевс 
приказал Эфесу создать первую зловещую женщину, прекрасную Пандору, 
которая стала женой Эпиметея. Она, сгорая от любопытства, открыла ящик, 
который должна была охранять и не открывать. Этот ящик был полон всеми 
демонами мира, и они разлетелись, принося несчастья всем людям.
Подобным же фантастическим образом природа света мыслилась древними египтянами, для которых свет получался как взгляд Ра, их бога Солнца. 

Введение

В 1300 г. до н.э. некий жрец писал: «Когда бог Ра открывает свои глаза, возникает свет, когда закрывает – наступает ночь».
Можно было бы привести массу других примеров, показывающих, что 
в античные времена происхождение и природа света рассматривались в религиозном и фантастическом духе.

Представления о свете древних греков

 
В VI в. до н.э., когда в Греции философия и наука развивались 
совместно, Пифагор сформулировал теорию света, согласно которой прямолинейные видимые лучи испускаются глазом и ощупывают объект, давая зрительное ощущение.
Согласно Эмпедоклу (около 483–423 гг. до н.э.), Афродита (богиня любви) 
снабдила наши глаза четырьмя элементами, которые, по его мнению, являются 
сущностью всех вещей (земля, вода, воздух и огонь) и свет огня подобен человеку, использующему фонарь для освещения своего пути в темноте. Зрение 
получается в результате действия глаза на объект: глаза испускают свой собственный свет.
Платон (между 428–427 и 348–347 гг. до н.э.) предполагал, что огонь в глазу 
испускает свет и этот внутренний свет, смешиваясь с дневным светом, образует связь между объектами внешнего мира и душой, являясь, таким образом, 
мостом, благодаря которому мельчайшие движения внешних предметов создают зрительное ощущение. Согласно этому философу две формы света – 
одна внутренняя, а другая внешняя – смешиваются, действуя как посредник 
между человеком и темнотой внешнего мира.
Начальные попытки механистического подхода к сущности зрения 
начались с Эвклида, великого александрийского математика, который жил 
около 300 г. до н.э. В своих сочинениях по оптике он дал четкую геометрическую теорию зрения. Он продолжал верить, что свет исходит из глаза, 
но в отличие от смутных светящихся и эфемерных испусканий, предполагаемых Эмпедоклом и Платоном, он рассматривал прямолинейные лучи 
света, к которым применима математическая дедукция. В своих развернутых 
математических работах он дал геометрическую форму зрительных лучей 
и вывел некоторые из законов геометрической оптики, которые известны 
по сегодняшний день. Он, а также как Архимед (около 287–212 гг. до н.э.) 
и Герон (III или II в. н.э.) разделяли учение Пифагора. Напротив, Демокрит 
(470–360 гг. до н.э.) и атомисты предполагали, что светящиеся предметы 
испускают атомы, которые создают образы этих предметов, а попадая в глаз, 
создают видение.