Становление квантовой электроники

Практически абсолютным критерием в оценке важности и стоимости научно-исследовательской работы являются ее польза для общества. Обычно исходят из предположения, что можно и нужно решать вопрос о поддержке данного научного направления в зависимости от того, насколько осязаемые плоды оно принесет. Действительно, хорошо известно, что фундаментальные исследования дали множество новых идей и сведений, которые легли в основу развития техники. То есть зная, какого типа техника понадобится в будущем, предпочтительно развивать те разделы науки, которые дадут знания, необходимые для создания этой техники.

            Однако как отмечает Ч. Таунс в публикации «Квантовая электроника и технический прогресс (Проблема планирования и  исследовательской работы)», «наша способность предвидеть практические результаты науки слишком несовершенна. Вышеизложенный подход, к сожалению, оказывается узким и дезориентирующим, если речь идет об отрезках времени в десять и более лет или о действительно новых идеях и поразительных открытиях, которые в дан-

ный момент невозможно предвидеть… человечество систематически ошибается вследствие недостатка воображения и способности предвидеть. Мы постоянно недооцениваем возможности науки и техники в будущем. Великолепно осведомленные специалисты по планированию и ученые, пытаясь ответственно оценить важность исследования и сталкиваясь при этом с тем, что пока еще непонятно или неизвестно, слишком часто оказываются недальновидными в своих прогнозах. Элемент неожиданности — постоянная составная часть технического прогресса, и это как раз то, что невероятно трудно совместить с любым из обычных принципов планирования.»[6].

С самого начала квантовая физика была известна своей революционностью. В начале 20 столетия в науке появилась квантовая теория, которой А. Эйнштейн воспользовался для объяснения дискретных свойств светового излучения, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны. Первоначально эти взгляды встретили непонимание большинства физиков, даже Планка Эйнштейну пришлось убеждать в реальности квантов. В рекомендацию для избрания Эйнштейна в Прусскую Академию наук (1912), подписанную Планком и рядом других крупнейших физиков Германии, авторы включили извинение за «легкомысленную» веру Эйнштейна в существование фотонов: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрёк. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании»[7]. Постепенно, однако, накопились опытные данные, убедившие скептиков в дискретности электромагнитной энергии.

            Уже в самом первом квантовом приборе механизм усиления был настолько необычным, что он не мог возникнуть как логическое развитие принципов электроники. Однако идея мазерного усиления возникла независимо в трех различных радиоспектроскопических лабораториях на базе исследований, единодушно отвергавшихся промышленными лабораториями.

            В промышленных лабораториях надеялись, что новая область физики даст значительные практические результаты. Однако спустя несколько лет четыре промышленные лаборатории, первыми начавшие работу в этой области,

прекратили ее, и исследования по радиоспектроскопии полностью сосредоточились в университетах.

Несмотря на отсутствие заинтересованности большинства ученых в исследованиях и разработках новых типов приборов, А. М. Прохоров, еще не будучи лауреатом Нобелевской премии, дальновидно оценил возможности и перспективы изучения лазеров. Прохоров некоторое время занимался СВЧ-техникой, однако затем решил переключиться на лазеры и заставил коллектив подчиниться своему решению, разбив в лаборатории приборы по старой тематике. Последовавший скандал лишил коллектив половины сотрудников (уволились), но оставшиеся начали заниматься новым для себя делом. В результате Нобелевская премия досталась именно за лазеры.

            Только после появления оптического мазера, позднее названного лазером, достоинства изобретения стали достаточно понятны, так что ряд лабораторий сильно заинтересовались ими и приступили к интенсивному освоению новой области. С тех пор квантовая электроника развилась до своего нынешнего уровня и стала приносить значительные доходы.

4. Философский анализ достижений квантовой электроники

«Философский анализ результатов специальных наук приобретает особо важное значение в тех случаях, когда в сумме добытых знаний появляется новое качество, из большого количества полученных результатов возникает  результат качественного характера»[8].

В процессе своего развития человечество постоянно осваивало и развивало новые виды энергии. И с освоением каждого вида энергии человечество получало новые возможности для своего развития. Но создание лазеров представляет собой нечто большее, чем просто овладение новым видом энергии. В современном производстве лазеры непосредственно выступают в роли орудий труда, в основе применения которых заложен новый принцип воздействия на предмет труда - наиболее гибкий и подвижный элемент производительных сил.      

Разнообразие имеющихся на сегодняшний день лазеров определяется тем, что в качестве активных сред для них используются все формы состояния вещества — газы, жидкости, твердые тела, плазма, причем с использованием каждой новой формы вещества в качестве активной среды связаны определенные этапы развития квантовой электроники. Именно наличие большого количества принципиально отличных сред и большого разнообразия систем энергетических уровней в каждой из них предопределило бурное, отвечающее запросам практики, начало развития квантовой электроники. Поэтому поиск различных активных сред можно рассматривать как метод квантовой электроники на ранней стадии ее развития. Работа в этом направлении не потеряла своей актуальности и сегодня.

            Кроме разработки лазерных систем, использующих принципиально новые активные среды и системы уровней в них, развитие квантовой электроники с самого начала шло и по пути повышения качества (полезности) излучения уже существующих. Для многочисленных применений требовалось увеличение мощности излучения, уменьшение угловой расходимости лазерного луча и длительности лазерного импульса, повышение стабильности частоты и улучшение ряда других характеристик, определяющих в целом качество лазерной энергии. Изучение различных конкретных устройств, в которых осуществляется преобразование энергии с повышением ее качества показывает, что общим свойством таких устройств является наличие в них нелинейности.

В лазере нелинейность связана с насыщением усиления, проявляющимся в уменьшении инверсной населенности с ростом интенсивности излучения, и рядом других причин.

Именно использование различных нелинейных явлений позволило квантовой электронике добиться успехов в повышении качества лазерной энергии, способствовавших ее бурному развитию. Громадную роль при этом сыграл накопленный радиотехникой опыт. Однако в использовании и познании нелинейных явлений квантовая электроника пошла существенно дальше. Радиотехника имеет дело главным образом с нелинейной теорией колебаний. Для развития квантовой электроники потребовалось создание нелинейной теории волновых явлений. Работы в этом направлении начал и долгое время возглавлял Р. В. Хохлов. Под его руководством возникли и заняли ведущие мировые позиции отечественные школы нелинейной акустики и нелинейной оптики.

Используя нелинейные явления, можно осуществлять такие процессы, которые в линейной области казались невозможными. Например, посылая на кристалл луч рубинового лазера и невидимое для глаза инфракрасное излучение от какого-либо предмета, можно получать изображение этого предмета в видимом свете. В линейной области в силу принципа суперпозиции оба луча прошли бы через кристалл независимо, и такое преобразование оказалось бы невозможным.

Познание нелинейных процессов открывает все новые и новые возможности в различных областях промышленности, медицины. Нелинейные процессы воздействия лазерного излучения на вещество составляют основу технологического применения лазеров, являются сущностью тех новых принципов, которые воплощаются в лазерах как орудиях труда.