Николай Басов, создатель квантового генератора

В декабре исполнилось 100 лет со дня рождения Николая Геннадьевича Басова — одного из 12 отечественных лауреатов Нобелевской премии по физике (считая и тех, кто родился и получил образование в СССР, а затем сменил гражданство). Его называют основоположником квантовой электроники: 70 лет назад он рассказал всему миру, как реализовать предсказанный Эйнштейном эффект вынужденного излучения, что привело к изобретению лазера. На этом история не кончается: «Ъ-Наука» вспоминает, как Басов создавал отечественную школу лазерной физики и почему его ссора с наставником обеспечила лидерство страны в лазерных технологиях.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Николай Басов родился 14 декабря 1922 года в городе Усмань Тамбовской губернии (ныне Липецкая область) в семье профессора Воронежского лесного института. В средней школе в Воронеже, куда переехала семья вскоре после его рождения, Николай всерьез заинтересовался физикой и по окончании собирался поступать в МГУ, однако планы нарушила Великая Отечественная война.

Отслушав курс в Куйбышевской военно-медицинской академии и окончив Киевское военно-медицинское училище (находившееся в эвакуации в Свердловске, ныне Екатеринбург), в 1943-м Николай в звании лейтенанта медицинской службы был прикомандирован ассистентом врача к батальону химзащиты 1-го Украинского фронта.

Как полевой хирург стал физиком-экспериментатором

Через всю войну, до самого Берлина, Басов пронес с собой, в вещмешке, две тоненькие книжечки, которыми зачитывался в свободные минуты: «Основы теории относительности» со знаменитыми четырьмя принстонскими лекциями Эйнштейна и «Квантовую теория излучения» Вальтера Гайтлера.

После победы Николай провел в немецкой столице несколько месяцев, участвуя в демонтаже химических заводов. Дважды его госпитализировали: в первый раз из-за поражения ноги ипритом, во второй — из-за временной слепоты в результате отравления цианистым калием.

Демобилизовавшись, осенью 1945-го Басов прибыл в Москву, однако поступить в МГУ так и не сумел: прибывших с фронта в университеты зачисляли без вступительных испытаний, но оказалось слишком поздно, прием окончился. Николай уже собирался возвращаться домой, в Воронеж, когда на одной из трамвайных остановок ему попалось на глаза объявление о «дополнительном наборе на зимний семестр» в Московский механический институт (так в то время назывался нынешний НИЯУ МИФИ).

В 1948 году, будучи студентом третьего курса, Басов устроился лаборантом в Физический институт им. П. Н. Лебедева (ФИАН). Там он трудился в лаборатории колебаний, ассистируя академику Михаилу Леонтовичу (которого помнят как основоположника советских теоретических школ радиофизики и физики плазмы) и его ученику Александру Прохорову, готовившемуся защищать докторскую, в которой доказывал когерентный характер сантиметровых волн в синхротроне.

В 1950-м под руководством Леонтовича Николай Басов защитил диплом («Запуск синхротрона на 4-й и 5-й кратностях») — и остался в лаборатории, сделавшись аспирантом Прохорова. Примерно тогда Басов и Прохоров начали работать над тем, что в 1964-м принесло им Нобелевскую премию по физике. Речь идет о принципах работы квантовых генераторов и усилителей микроволнового и оптического диапазонов, то есть мазеров и лазеров.

Как устроены мазер и лазер

Эти устройства позволяют испускать когерентное микроволновое (в случае мазера) или световое (если речь идет о лазере) излучение, причем делают это за счет так называемого вынужденного (индуцированного) излучения атомов. Отсюда, собственно, и названия-аббревиатуры: maser — Мicrowave Аmplification by Stimulated Emission of Radiation, laser — Light Аmplification by Stimulated Emission of Radiation.

Попробуем разобраться, что это значит. Для начала когерентным называют такое излучение, все колебания которого совпадают по частоте и фазе — собственно, этим самым свойством обеспечивается широкая применимость мазеров и лазеров в самых разных областях. Под вынужденным же излучением подразумевается практическая реализация эффекта вынужденного испускания фотонов, предсказанного Альбертом Эйнштейном в 1916 году.

Чтобы пояснить суть этого явления, обратимся к минимальной теории строения атома (тут надо понимать, что все нижеследующее — грубейшее упрощение, на самом деле в квантовом мире все совсем иначе). Состоит атом из ядра и электронов, которые при обычных условиях находятся на низких орбитах с минимальными энергиями. Если же «закачать» в атом энергию, испустив в него фотон извне (так называемый индуцирующий), то атом перейдет в возбужденное состояние — электроны перейдут на более высокие орбиты.

При этом атом поспешит вернуться в свое нормальное состояние и для этого испустит квант света, то есть еще один фотон (индуцированный). Важное обстоятельство заключается в следующем: индуцированный фотон будет обладать той же энергией, импульсом, фазой, поляризацией и направлением распространения, что и индуцирующий; мало того, индуцирующий фотон не поглотится — оба фотона окажутся когерентными.

Вот собственно тем, как все это проделать на практике — накачать некую активную среду энергией, чтобы заставить ее испускать вынужденное излучение,— и занимались Прохоров с Басовым.

Хронология изобретения

В мае 1952-го на проходившей в Москве Всесоюзной конференции по спектроскопии Николай и Александр первыми предложили конструкцию устройства, которое бы испускало микроволновое излучение за счет предсказанного Эйнштейном эффекта. Сами авторы назвали его «молекулярным генератором» (название мазер появилось позднее и за рубежом). Их первая совместная публикация, посвященная такому прибору («Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул») вышла в Журнале экспериментальной и теоретической физики в октябре 1954-го.

К слову, этой же теме были посвящены кандидатская («Определение ядерных моментов радиоспектроскопическим методом») и докторская («Молекулярный генератор») Басова, защищенные под руководством Прохорова в ФИАНе в 1953-м и 1956-м.

Впрочем, в создании первого работающего квантового генератора их опередил американский коллега Чарльз Таунс. В 1954-м он сконструировал мазер, работавший на аммиаке. К тем же теоретическим выводам, что и Прохоров с Басовым, он пришел независимо от них, работая в Колумбийском университете.

После этого оставался лишь один шаг до создания квантового генератора, который бы испускал излучение в оптическом диапазоне, то есть лазера. Однако имелось серьезное препятствие. Дело в том, что для придания излучению определенной частоты требовалось заставить его пройти через активную среду некоторое число раз. Для этого предполагалось использовать оптический резонатор — два зеркала, расположенных друг против друга. Так вот, выходило, что для получения видимого света требовалось сконструировать резонатор размерами в сотни нанометров, что не представлялось возможным.

Это препятствие преодолел еще один американский физик — Теодор Майман, создавший первый работающий лазер в своей лаборатории в Малибу в 1960-м. Достижение Маймана заключалось в том, что в качестве активной среды он первым применил кристалл искусственного рубина, а не газ, как многие его менее удачливые коллеги,— в результате размеры резонатора оказалось допустимым делать такими, чтобы в них укладывалось любое целое количество длин волн излучения.

К слову, первым идею замены в лазере газа рубином высказал Прохоров. В том числе и поэтому Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе» Майману не досталась — ее в 1964-м разделили Басов с Прохоровым (получили по четверти) и Таунс (половину).

Отец квантовой электроники и лазерного термояда

10 декабря 1964 года Басов выходил из здания Стокгольмской городской ратуши всемирно известным основоположником квантовой электроники. И в последующие десятилетия не переставал этот титул оправдывать.

Еще в 1959-м он возглавил в лаборатории колебаний ФИАНа специально созданный под его исследования сектор молекулярных генераторов, который впоследствии вырос в отдельную лабораторию квантовой радиофизики. Басову принадлежит идея использования в лазерах полупроводников, и к моменту присуждения Нобелевской премии в его лаборатории был сконструирован целый ряд первых полупроводниковых лазеров разных типов: инжекционный (диодный), на электронном возбуждении, с оптической накачкой.

С 1962 года Басов возглавлял цикл исследований по химическим лазерам, в результате которых были созданы мощные установки на фторводороде импульсного и непрерывного действия, фотодиссоционный йодный лазер, а также новый тип газовых лазеров высокого давления с электроионизационным возбуждением.

Все это многообразие устройств продиктовано широчайшим полем применения лазерных технологий — от стимулирования химических реакций до оптических методов обработки и передачи информации, от проведения хирургических операций до упрочнения поверхности металлов.

В 1961 году Николай выдвинул идею использовать мощные высокоэнергетические лазеры в управляемом термоядерном синтезе, а в 1968-м под его руководством с помощью лазерного облучения удалось получить нейтроны — и это положило начало целому направлению, лазерному термоядерному синтезу.

В 1971-м занимавшаяся «термоядом» научная группа Басова создала первую в мире многоканальную лазерную установку. Она называлась «Кальмар», работала на неодимовом стекле и обеспечивала сферическое облучение мишеней. Плотность мощности облучения составляла 1014 ватт на квадратный сантиметр — достичь подобного уровня энергии коллегам из США удалось лишь несколькими годами позже.

В 1962-м Николай предсказывал оптическую связь на лазерах. «Вообразите, как тысячи телевизионных каналов бегут по одной единственной нити связи!..» — говорил он. Двумя годами позже Басов обозначил широкие телекоммуникационные перспективы полупроводниковых лазеров в своей нобелевской лекции, и вскоре в его лаборатории на основе инжекционных лазеров конструировали первые быстродействующие оптические логические элементы. Сегодня же на волоконно-оптических линиях связи, по которым информация передается лазерными пучками, построен, например, интернет — от выделенных абонентских линий до трансконтинентальных магистралей, проложенных по дну океана.

В 1970 году в лаборатории Басова был создан первый эксимерный лазер — сегодня такие широко применяются в глазной хирургии (а еще в полупроводниковом производстве). В 1976-м в той же лаборатории впервые в мире был продемонстрирован метод лазерной коагуляции кровотечений, а в 1982-м в ФИАНе по инициативе Басова организовали межведомственную лабораторию по применению лазеров в хирургии. В дальнейшем с его же подачи был создан целый ряд отраслевых научно-исследовательских институтов, занимающихся многообразием прикладных вопросов лазерной техники.

Басовская школа и конфликт с наставником

В 1971 году Басов организовал и возглавил специальный факультет физики (ныне Высшая школа физиков им. Н. Г. Басова), который имел двойное подчинение: по учебной работе входил в структуру МИФИ, а по научной — в ФИАН. На него отбирались лучшие третьекурсники математических и физических факультетов со всей страны.

У Басова они учились по индивидуальным программам, преподавателей он отбирал лично, причем исключительно из действующих научных работников Академии наук. Суть была в том, чтобы знакомить студентов с новейшими исследованиями из первых рук. Это было важно, так как задачей спецфакультета было готовить высококвалифицированные кадры для ведущих НИИ и НПО страны. «Вы острие советской науки, вы должны это понимать!» — регулярно напоминал Басов своим студентам.

К слову, с собственным научным руководителем у него отношения складывались непросто. Вскоре после получения Нобелевской премии оба были избраны действительными членами Академии наук, а затем и членами ее президиума, однако пути их разошлись. По одной из версий, ученых интересовали разные тематики лазерных исследований, по другой — они всерьез поссорились из-за доступа к госзаказу.

Как бы то ни было, сперва Басов выделил из прохоровской лаборатории колебаний собственную — квантовой радиофизики. Затем, в период, когда Басов возглавлял весь ФИАН (с 1973 по 1989 год), отделение Прохорова (включавшее лаборатории колебаний, физики плазмы и физики твердого тела) преобразовали в самостоятельный Институт общей физики под его началом (произошло это в 1982-м, ныне ИОФ РАН). Существует мнение, что именно благодаря непримиримой конкуренции между научными коллективами, возглавляемыми Басовым и Прохоровым, страна стала мировым лидером лазерных технологий.

Впрочем, к концу жизни Басов и Прохоров помирились и даже строили планы каких-то совместных проектов. Но реализовать их не получилось — Николай Геннадьевич умер 1 июля 2001 года в возрасте 78 лет. Александр Михайлович ушел из жизни спустя полгода, 8 января 2002-го (ему было 85).

Забавно вспомнить, многие коллеги обоих ученых их конкуренцию всячески стимулировали и разжигали. «В ближайшем окружении Басова и Прохорова всегда были люди, которые на разности давлений (которое, безусловно, было между Николаем Геннадиевичем и Александром Михайловичем) делали самые разные “капиталы” — от опубликования статьи до получения квартиры»,— вспоминал пионер оптики метаматериалов Виктор Веселаго, начинавший свою научную карьеру в ФИАНе.

Доходило до того, что Прохорова часто дразнили всевозможными каламбурами с фамилией его ученика. По легенде, вернувшись однажды из одесской командировки, Жорес Алферов обратился к Прохорову: «Александр Михайлович, а знаете, что в Одессе главную улицу назвали в вашу честь?», а в ответ на удивленное молчание, выдал: «Ну так Дерибасовская».

Ольга Грибова