Pirmajam lazeriui pasaulyje - 50 metų

Dr. Vidas KABELKA

Šių metų gegužės 16 d. sukako 50 metų, kai amerikiečių fizikas Teodoras H. Maimanas (Theodore H. Maiman) Kalifornijoje, Malibu miestelyje, kompanija Hughes Research Laboratories užfiksavo pirmojo lazerio raudonos spalvos žybsnį. Lazeris – neabejotinai vienas didžiausių praėjusio šimtmečio mokslo atradimų, ypač išskirtinė taikomoji jo reikšmė – sunku rasti žmonių veiklos sritį, kur jis nebūtų taikomas. Lazeriai taip įsiliejo į kasdieninę mūsų buitį, kad dažnai į juos net neatkreipiame dėmesio, laikydami tiesiog savaime suprantamu reiškiniu. Įjungdami kompaktinių diskų grotuvą ar prekybos centre stebėdami, kaip pardavėja nuskaito pirkinio kainą, naudodama kažkokį įtaisą, daugelis net nesusimąsto, kad tiesiogiai susiduria su lazerio panaudojimu. Viena iš sričių, kurioje lazeriai sukėlė tikrą revoliuciją – ryšių technika. Jų naudojimas telekomunikacinėse sistemose leido pereiti į optinių dažnių diapazoną, kartu praplečiant informacijos srauto perdavimo galimybes. Sunku pasakyti, ar tokią lazerio kasdienybę įsivaizdavo mokslininkai, stovėję prie lazerio sukūrimo ištakų. Lazeris jiems pirmiausia buvo mokslinių tyrimų objektas – vargu ar jie numatė, kad mokslinių tyrimų objektas turės tokią milžinišką ir plačią taikymo perspektyvą.

Atvertus bet kurį šiuolaikinį fizikos vadovėlį, galima sužinoti, kad pirmąjį lazerį 1960 m. sukūrė amerikiečių fizikas T. Maimanas. Tai enciklopedinis faktas, tačiau norint įsisąmoninti šią tiesą, prasminga atlikti nedidelę ekskursiją į lazerių fizikos mokslo praeitį ir apžvelgti tuos mokslinius atradimus ir tyrimus, kuriais remiantis sukurtas lazeris. Lazerio sukūrimo istorija savo eigos intriga prilygo aukšto lygio nuotykių romanui, kuriame veiksmas vyksta nepaisant logikos dėsnių ir visiškai neaišku, kas laimės. Vien ko verta istorija, susijusi su pirmojo lazerio patento patvirtinimu! Daugelis mokslininkų, nemažai prisidėję prie lazerio sukūrimo, yra užmiršti.

Prie lazerio sukūrimo ištakų

1916 m. vienas genialiausių XX amžiaus fizikų – Albertas Einšteinas (Albert Einstein), vykstant karštoms diskusijoms apie šviesos banginę-dalelinę prigimtį, įsitvirtinant kvantų teorijai, postulavo apie savaiminio (spontaninio) ir priverstinio (stimuliuoto) spinduliavimo prigimtį ir įvedė Einšteino koeficientus A ir B, apibrėžiančius šių procesų vyksmo tikimybes. Prieš paskelbdamas mokslinius straipsnius šia tema laiške vienam iš savo artimiausių draugų – Mišeliui Andželo Beso (Michele Angelo Besso) – rašė: „Pagaliau galutinai suvokiau spinduliavimo sugerties ir emisijos reiškinių esmę…“ Priverstinio spinduliavimo egzistavimo idėja, kurią suvokė ir pagrindė A. Einšteinas, yra visų lazerių (ir mazerių) veikimo fizikinių principų pagrindas: be savaiminio šviesos kvantų – fotonų – spinduliavimo, iš sužadintų terpės energetinių lygmenų galimas ir priverstinis, t. y. stimuliuotas spinduliavimas, nulemtas poveikio fotonų, kurių energijos atitinka energijos skirtumą tarp sužadintų viršutinių ir nesužadintų apatinių energetinių lygmenų. Normaliomis sąlygomis, kai terpė yra termodinaminėje pusiausvyroje, jos sužadintų viršutinių lygmenų užpildymas yra mažesnis nei nesužadintų apatinių – šiuo atveju priverstinio spinduliavimo dalis labai nežymi. Tam, kad priverstinis spinduliavimas taptų vyraujantis, būtina dirbtinai sukurti termodinaminę nepusiausvyrinę būseną terpėje, tai yra tokią būseną, kuriai esant viršutinių energetinių lygmenų užpildymas viršytų apatinių lygmenų užpildymą. Esant tokiai terpės būsenai, kuri vadinama aktyvia – invertuota, joje vykstanti savaiminė spinduliuotė perauga į priverstinę ir prasideda fotonų griūtis. Spinduliuotės metu atsirandantys fotonai turi vienodus visus parametrus (kryptį, bangos ilgį, fazę, poliarizaciją) kaip ir ją sukėlę pradiniai fotonai – vyksta pradinės, šį procesą inicijavusios spinduliuotės stiprinimas. Tačiau prireikė beveik 40 metų, kad A. Einšteino postuluotos priverstinio spinduliavimo reiškinio idėjos būtų realizuotos.

Rusų fizikas V. A. Fabrikantas (V. A. Fabrikant) buvo pirmasis, dar 1940 m. savo daktaro disertacijoje nagrinėdamas spinduliavimo reiškinių prigimtį plazmoje, priverstinę spinduliuotę pasiūlė panaudoti elektromagnetinėms bangoms stiprinti. 1951 m. birželio 18 d. jis su bendradarbiais M. M. Vudynskiu (M. M. Vudynskij) ir F. A Butajeva (F. A. Butaeva) pateikė paraišką išradimui Elektromagnetinių bangų stiprinimo metodas, aprašančiam elektromagnetinio spinduliavimo stiprinimą terpėje su energetinių lygmenų inversija. Iš pradžių paraiška buvo atmesta, patvirtinta tik 1959 metais. Likimo ironija, kad likus tik trejiems metams iki pirmojo kvantinio elektromagnetinių bangų generatoriaus sukūrimo, ši idėja nesusilaukė dėmesio. Viena iš priežasčių ta, kad tuometėje Sovietų Sąjungoje visi šios fizikos srities darbai ir išradimai buvo užslaptinti, tai yra neprieinami plačiajai mokslo visuomenei, ypač užsieniečiams. Nors vėliau vienas iš lazerių sukūrimo pionierių – amerikietis A. L. Šavlovas (A. L. Schavlov) knygoje Laser pioneer interviews pažymi V. A. Fabrikanto ir jo kolegų indėlį į mazerių ir lazerių sukūrimą, pateikia išsamios informacijos apie jų išradimą, V. A. Fabrikanto moksliniai darbai taip ir liko beveik nežinomi lazerių fizikos mokslo visuomenei.

1954 m. keletas mokslinių grupių JAV ir Sovietų Sąjungoje paskelbė apie lazerio pirmtako – mikrobanginio kvantinio generatoriaus – mazerio sukūrimą. Žodis mazeris yra angliškų žodžių Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation santrumpa. Aštrialiežuviai šią santrumpą sąmojingai perkrikštijo į Means of Acquired Support for Expensive Research – lietuviškai galima būtų išversti Reikalavimas skirti paramą brangiai kainuojančiam tyrimui. Kodėl mazeris sukurtas anksčiau už optinį kvantinį generatorių – lazerį? Priežastis visiškai nesusijusi su mokslu, tačiau sietina su kariškių interesais. Dar ketvirtojo dešimtmečio viduryje buvo sukurti mikrobangų (centimetrų bangų ilgio) pagrindu veikiantys radijo lokatoriai – radarai, naudojami skrendančių lėktuvų koordinatėms nustatyti. Antrojo pasaulinio karo metais radarams tobulinti buvo skiriamas didžiulis dėmesys, nes tai buvo viena pagrindinių gynybos priemonių kovoje su priešo aviacijos antpuoliais. Tobulinant radarus buvo tobulinami ir vieni pagrindinių jų mazgų – mikrobangų generatoriai. Todėl kuriant kvantinius elektromagnetinių bangų generatorius, pirmiausia įsisavintas mikrobanginis – superaukšto dažnio diapazonas (SAD), nes būtent šio diapazono generatorių įranga radarų dėka techniškai buvo geriausiai išvystyta. Viena pirmųjų grupių, sukūrusių mazerį, – amerikiečių fiziko Č. H. Taunso (Ch. H. Townes). Su kolegomis J. P. Gordonu (J. P. Gordon) ir H. P. Zeigeriu (H. P. Zeiger) Niujorko Kolumbijos universitete sukonstravo amoniako molekulių pagrindu pirmąjį veikiantį mikrobangų diapazono kvantinį generatorių – mazerį. Kaip sukonstruoti mazerį, Č. H. Taunsui idėja gimė dar 1951 m., mokslinės konferencijos Vašingtone metu, vieną ankstų rytą išėjus pakvėpuoti grynu oru. Prisiminimuose jis rašo, kad, ko gero, gaivus rytmečio oras netikėtai praskaidrino protą ir jam tapo aišku, kaip išspręsti mikrobanginio kvantinio generatoriaus sukūrimo problemą. Atsisėdęs parke ant suoliuko Taunsas tuoj pat sumojo, kaip būtų galima tai įgyvendinti – atliko reikalingus skaičiavimus pradinių sąlygų, kurias patenkinus, sužadintas molekules, sklindančias bendrame pluoštelyje, būtų galima atskirti nuo nesužadintų, jas nukreipiant į atitinkamos formos tūrinį rezonatorių. Į šį rezonatorių taip pat būtina nukreipti atitinkamo parinkto dažnio elektromagnetinį spinduliavimą, kuris stimuliuotų emisiją iš sužadintų molekulių lygmenų ir kartu būtų stiprinamas. Eksperimentiškai šiai idėjai įgyvendinti prireikė dar dvejų atkaklaus darbo metų. Tai pavyko padaryti 1953-ųjų pabaigoje, kai Č. H. Taunsas su kolegomis, eksperimentams išleidęs apie 30 tūkstančių dolerių, pagaliau sukūrė amoniako molekulių (NH3) mazerį, generuojantį ties 1,24 cm bangos ilgiu (24 GHz dažniu) 10-8 W galingumo 6–8 KHz juostos pločio mikrobanginę spinduliuotę. 

Tuo pat metu analogiški tyrimai buvo atliekami ir Sovietų Sąjungoje. Keista, tačiau ir rusų fizikai 1954 m. pirmą kartą mokslinėje spaudoje paskelbę elektromagnetinių bangų generatoriaus veikimo principus radijo bangų diapazone – N. G. Basovas (N. G Basov) ir A. M. Prochorovas (A. M. Prochorov) – visiškai nepaminėjo V. A. Fabrikanto darbų šioje srityje. Amoniako molekulių mikrobanginį kvantinį generatorių N. G. Basovas su A. M. Prochorovu surinko ir sėkmingai išbandė šiek tiek vėliau nei Č. H. Taunso grupė. 1955 m. šie rusų mokslininkai taip pat pasiūlė naują, labai perspektyvų trijų energetinių lygmenų terpės elektromagnetinio kaupinimo metodą. Šis metodas iš karto buvo plačiai pritaikytas radijo bangų diapazono kvantiniuose paramagnetiniuose stiprintuvuose.

J. Veberis (J. Weber), dirbęs Merilando universiteto Elektrotechnikos fakultete, visiškai savarankiškai dar 1952 m. suvokė, kad stimuliuota emisija gali sukelti koherentinę spinduliuotę. Priešingai nei Č. H. Taunsas, N. G. Basovas ir A. M. Prochorovas nagrinėjo tik mikrobangų stiprinimo procesą, visiškai nekreipdami dėmesio, kad taip pat galima gauti ir generaciją. Deja, jį taip pat ištiko V. A. Fabrikanto dalia – šie jo darbai taip pat beveik nežinomi lazerių pasaulyje.

Didžiosios lenktynės kuriant lazerį

1958-ieji – lemiami lazerio arba kaip jis buvo vadinamas iš pradžių – optinio mazerio, sukūrimo metai. Mokslininkai, dirbantys šioje srityje, pagaliau pradėjo suvokti, koks turėtų būti optinis mazeris, kurio veikimo schema labai skiriasi nuo mikrobanginio diapazono mazerio. Iš pradžių A. M. Prochorovas pasiūlė naujo tipo, tinkamo optiniam diapazonui, „atviro rezonatoriaus“ schemą, kurią sudaro tik du lygiagretūs veidrodžiai. Tais metais Č. H. Taunsas, perėjęs dirbti į garsiąją Bell labs kompanijos laboratoriją su buvusiu doktorantu A. L. Šavlovu, su kuriuo siejo ir artimi giminystės ryšiai (A. L. Šavlovas buvo vedęs Č. H. Taunso jaunesniąją seserį), paskelbė straipsnį pasaulyje žinomame mokslo žurnale Physical Review. Straipsnyje teoriškai išdėstytos būtinos optinio mazerio sukūrimo sąlygos. Ne visi suvokė pateiktų idėjų svarbą ir reikšmę – Bell Labs kompanijos patentus kuruojantys patyrę teisininkai nutarė, kad ši idėja neverta būti patentuojama. Tačiau Č. H. Taunsui primygtinai reikalaujant sutvarkė ir išsiuntė paraišką patentui. Straipsnis suvaidino savotišką „startinio pistoleto šūvio“ vaidmenį prasidėjusiose didžiosiose viso pasaulio mokslines laboratorijas apėmusiose lenktynėse dėl pirmojo lazerio sukūrimo. Lenktynėse dalyvavo beveik visos garsiausios pasaulio mokslinės laboratorijos, daugelyje jų suburtos geriausių šios srities specialistų grupės, skirtos didžiulės pinigų sumos.

Prireikė dar dvejų metų, kol buvo sukurtas pirmasis lazeris – 1960 m. gegužės 16 dieną T. Maimanui pirmajam pavyko eksperimentiškai įgyvendinti šią idėją. T. Maimano lazerio sukūrimo istorija iš tikrųjų verta dėmesio, nes vertinant iš logiškai pagristų mokslinių prielaidų, T. H. Maimanas turėjo mažiausiai šansų tai padaryti. Vien tai, kad lazerio aktyvia terpe jis pasirinko rubiną su chromo priemaišomis (sintetinį aliuminio oksido kristalą – Al2O3 su 0,05% aktyvatoriaus – chromo – Cr+3 jonų priemaišomis), kuris daugelio, taip pat ir paties A. L. Šavlovo, iš pradžių pripažintas kaip visiškai netinkama medžiaga lazeriui, turėjo baigtis nesėkme. Tačiau T. Maimanas tapo pirmuoju, sukūrusiu lazerį. Jo sėkmę galima paaiškinti: T. Maimanas buvo pragmatikas iki kaulų smegenų, jam kur kas svarbiau buvo sukonstruoti veikiantį prietaisą nei sukurti lazerį. Ne paskutinį vaidmenį suvaidino ir tai, kad jis buvo baigęs garsaus Stanfordo universiteto dvi šiam darbui labai pravertusias specialybes – fizikos ir inžinieriaus. Be to, T. Maimanas, kaip ir daugelis garsių išradėjų, turėjo savybę visiškai nepaisyti autoritetų nuomonės, tyrimų išvadas pagrįsdamas savo skaičiavimais ir stebėjimais. Pagaliau ir kompanija Hughes Research Laboratories, kurioje dirbdamas jis tai padarė, buvo gerai žinoma JAV, joje dirbo pripažinti savo sričių specialistai. Visi šie veiksniai, taip pat T. Maimano užsispyrimas lėmė, kad jis, dirbdamas praktiškai vienas, sugebėjo aplenkti daugelį kitų garsių mokslininkų grupių, lazerio sukūrimui skyrusių didžiulį dėmesį.

T. Maimanas prisipažino rubino kristalą pasirinkęs grynai kaip pradinį variantą, nes puikiai žinojo, kad su juo turės pakankamai daug rūpesčių dėl rubino kristalo trijų darbinių lygių struktūros, kurios kaupinimui reikia didelės energijos. Pagal jo atliktus skaičiavimus, kaupinimo energija, reikalinga rubino kristalui aktyvuoti, juodo kūno spinduliavimo atveju turėjo siekti 5000K0. Tuo metu vyravo nuomonė, kad lazerio kaupinimui geriausiai tiktų gyvsidabrio blykstė, patalpinta į elipsinį reflektorių, tačiau T. Maimanas įrodė, kad tai būtų kraštutinis atvejis pagal kaupinimui reikalingą energiją, todėl nutarė nerizikuoti. Kaupinimui pasirinko spiralinę ksenono impulsinę blykstę, naudojamą apšvietimui, kai naktį fotografuojama iš lėktuvo ir kurios efektyvi temperatūra yra 8000K0. Nesutrikdė tai, kad šiuo atveju jo kuriamo lazerio spinduliuotė bus impulsinė. Tačiau šiai spiralinei blykstei visiškai netiko elipsinis reflektorius. T. Maimanas prisiminė: kai pirko ksenono lempas, pardavėjas, norėdamas pabrėžti, kokios jos galingos, pasakė, jog didžiausia iš jų yra tokia intensyvi, kad sufokusavus lempos šviesą, plieno drožlės lęšio židinyje įkaista iki raudonų žarijų. Ši mintis padėjo sukurti labai paprastą cilindrinį reflektorių, artimai iš išorės apjuosiantį spiralinę kaupinimo blyksnę, kuris sufokusuodavo blyksnės šviesą į židinyje esantį kristalą.

Rubino kristalas buvo kaip bandymų medžiaga, padedanti suvokti ir patobulinti pačią lazerio techninę realizaciją siekiant išbandyti sukurtą optinę schemą. Kita priežastis, kodėl pasirinktas rubinas, buvo ta, kad dėl savo darbo patirties mazerių srityje T. Maimanas nenorėjo dirbti su medžiagomis, kurioms reikia žemos temperatūros. Su rubinu bandymus buvo galima atlikti esant kambario temperatūrai. Be to, T. Maimanas žinojo, kad rubino spinduliuotė bus matomoje (raudonoje) spektro srityje, o tai labai palengvintų jos registravimą – pradinės generacijos fiksavimą. Svarbu ir tai, kad jis sugalvojo labai paprastą rezonatoriaus konstrukcijos variantą: užgarino sidabro veidrodžius tiesiog ant kristalo galų. T. Maimanas nerizikavo garinti daugiasluoksnių veidrodinių dangų, nes jų technologija dar tik buvo pradėta kurti.

Kai lazeris pradėjo spinduliuoti ir apie tai reikėjo pranešti mokslo visuomenei, T. Maimaną ištiko nesėkmė, kuri visą jo atliktą darbą galėjo paversti niekais. Jam nutarus išspausdinti straipsnį moksliniame žurnale Physical Review Letters, redaktorius, garsus teoretikas S. Goudsmitas (S. Goudsmit) straipsnį atmetė! Jis pamanė, kad tai dar vienas iš daugybės tuo metu pateiktų straipsnių apie optinio mazerio veikimo principus. Tačiau ne veltui T. Maimanas garsėjo kaip sumanus užsispyrėlis – trumpą darbo aprašymą (300 žodžių) jis nusiuntė į garsų Didžiosios Britanijos mokslo žurnalą Nature, kuriame tuoj pat ir buvo atspausdintas. Taip buvo užtvirtintas T. Maimano, kaip lazerio sukūrėjo, prioritetas. Vėliau jo medžiagą apie atliktą eksperimentą atspausdino prestižiniai žurnalai – Physical Review ir kiti. Taip pat buvo pateikta paraiška patentui (1961 m.) Rubino lazerio sistemos. Paraiška patvirtinta 1967 metais.

Šio lazerio pristatymo plačiajai visuomenei metu neapsieita be kuriozų. Fotografas, atėjęs nufotografuoti pirmojo lazerio, nusivylė jo dydžiu ir ėmėsi „kūrybinio“ darbo. Lazerį kaupinanti optinė blykstė buvo pakeista į gerokai didesnę, tad pasauliui pateiktoje nuotraukoje užfiksuotas ne tas lazerio maketas, kuris buvo sukonstruotas. T. Maimanas ramiai reagavo į tokius nesusipratimus, nes jam buvo svarbiausia, kad jo sukurtas prietaisas veikė ir jį mažiausiai jaudino, kaip jis atrodo nuotraukoje. Žiniasklaida taip pat keistai reagavo į lazerio sukūrimą - New York Times pirmajame puslapyje atspausdino visuomenę bauginantį straipsnį Sukurti mirties spinduliai.

Tuo metu vienas lazerio teorinio veikimo principų pagrindėjų A. L. Šavlovas su savo grupe garsios Bell Labs kompanijos laboratorijoje konstravo lazerį. Sužinoję apie T. H. Maimano sėkmę, jie tais pačiais metais praktiškai atkartojo jo eksperimentą, gaudami lazerio spinduliuotę panaudodami anksčiau jų pačių sukritikuotą rubino kristalą, tačiau parinkę didesnes aktyvatoriaus koncentracijas, kad palengvintų generacijos sąlygas.

Žinant, kiek techninių problemų sugebėjo išspręsti vienas žmogus, negali juo nesižavėti. T. Maimanas įsitraukė į lazerio kūrimo lenktynes kur kas vėliau nei kiti – tik 1959 m. rugpjūtį, kai daugelis mokslinių grupių jau buvo pradėjusios darbus šioje srityje. Jo mokslinė intuicija sakė, kad kiti kol kas eina klystkeliais. T. Maimanas sukūrė lazerį per devynis mėnesius, kompanijai jo tyrimai atsiėjo 50 tūkstančių dolerių. Kitų garsių mokslinių grupių darbai lazerio kūrimo srityje kainavo nuo pusės iki vieno milijono dolerių. 1962 m. T. Maimanas įkūrė savo lazerių gamybos kompaniją Korad Corporation, kurioje konstravo ir gamino lazerius.

Sukūrus pirmąjį lazerį rubino kristalo, aktyvuoto chromo jonų priemaišų pagrindu, 1960 m. prasidėjo lazerių kūrimo karštinė: A. Džavanas (A. Javan) su kolegomis gavo lazerinę spinduliuotę naudodami helio ir neono (He-Ne) dujų terpę. P. P. Sorokinas (P. P. Sorokin) su bendradarbiais buvo pirmieji, realizavę lazerinę spinduliuotę 4 energetinių lygmenų terpėje. Jų pasirinkta pirmoji 4 energetinių lygmenų terpė – kalcio fluoridas, aktyvuotas trivalenčiu uranu, niekada nebuvo plačiai taikoma, nes reikalavo šaldymo iki žemų temperatūrų. Dabar dažniausiai naudojami kietakūniai lazeriai – stiklo, itrio aliuminio granato, aktyvuoti neodimiu yra 4 energetinių lygmenų. Lazerio sukūrimas įvertintas – T. Maimanas gavo įvairių apdovanojimų, premijų, du kartus nominuotas Nobelio premijai, tačiau jos negavo. Svariausias apdovanojimas – Japonijos prizas (1987 m.), Azijoje prilyginamas Nobelio premijai.

Teodoras Maimanas mirė 2007 m. gegužės 5 d., Vankuveryje, Kanadoje.

Bus daugiau

Č. H. Taunsas su A. L. Šavlovu prie pirmojo mazerio

V. A. Fabrikantas

Albertas Enšteinas jaunystėje

Teodoras H. Maimanas

A. M. Prochorovas

Basovo vizito metu 1979 m. Iš kairės: akademikai J. Požela, J. Viščiakas, N. G. Basovas ir dr. V. Kabelka