Выходит, что для работы лазера необходимы три основных компонента: оптическая среда, способная пропускать и излучать фотоны; физический механизм, приводящий ее в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой); наконец, устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (так называемый оптический резонатор), в данном случае – торцевые зеркала.
Нельзя не упомянуть еще одно важное обстоятельство. До сих пор молчаливо предполагалось, что энергия E1 отвечает основному состоянию частиц среды. Однако количество частиц в этом состоянии так велико, что создать инверсию практически нереально. Много лучше иметь как минимум три энергетических уровня – основной (E0) и два возбужденных (E1 и E2), между которыми возможны переходы. В обычных условиях эта пара уровней почти пустует, и если энергетическая подпитка переводит определенную долю частиц на уровень E2, то инверсия по отношению к уровню E1 возникает автоматически, ведь он-то почти не заполнен. Поэтому, как правило, лазеры работают по трех– и даже четырехуровневой схеме.
Путь к квантовым генераторам когерентного излучения занял несколько десятилетий. В 1924 г. американец Ричард Толман (Richard Tolman) первым догадался, что эйнштейновская теория указывает на возможность усилить интенсивность электромагнитного излучения, без которого, как мы сейчас знаем, лазер не может заработать. Через несколько лет немецкие физики Рудольф Ладенбург (Rudolph Laden-burg) и Ганс Копферманн (Hans Kopfer-mann) получили первые, пока еще косвенные доказательства физической реальности инверсных сред. В 1934 г. американцы Клод Клитон (Claude Cleaton) и Нейл Уильямс (Neil Williams) фактически наблюдали инверсию молекул аммиака, которая, как известно, была положена в основу конструкции первых мазеров. В конце 30-х годов профессор Всесоюзного электротехнического института Валентин Фабрикант выполнил серьезный теоретический анализ методов достижения инверсии в газовом разряде. В 1947 г. американцы Виллис Лэмб (Willis Lamb) и Роберт Резерфорд (Robert Retherford) с помощью вынужденного излучения добились усиления электромагнитных волн, испускаемых молекулами водорода. Эти результаты вкупе с рядом других частично раскрыли возможности, предсказанные теорией Эйнштейна, но в первой половине двадцатого столетия дело дальше не двинулось.
Чарльз Таунс вспоминал, что концепция мазера пришла ему в голову 26 апреля 1951 г. Он был в Вашингтоне на конференции, посвященной обсуждению новых методов генерации волн миллиметрового диапазона для радиолокаторов.
Клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны, успешно используемые в роли источников сантиметрового излучения, не слишком хорошо отвечали намеченной цели. Размышление над поиском нестандартного пути решения этой задачи и натолкнуло Таунса на идею прибора, который позже то ли он сам, то ли его ассистенты (мнения расходятся) назвали мазером.
Примерно в то же время или чуть раньше аналогичное озарение посетило и профессора электротехники Мэрилендского университета Джозефа Вебера (Joseph Weber). Как раз тогда он защитил докторскую диссертацию по физике, работая над которой применял электромагнитные волны СВЧ-диапазона для инверсии газообразного аммиака. По ходу дела Вебер глубоко изучил эйнштейновскую теорию и пришел к выводу, что с помощью инверсии можно усилить интенсивность излучения.
Летом 1952 г. он изложил свои соображения на научной конференции в Оттаве, а еще через год обнародовал их в статье, которая стала первой открытой публикацией на эту тему. В ней Вебер показал, как можно построить усилитель микроволнового излучения, использующий термодинамически неравновесный аммиак в качестве инверсной среды. Однако он не подумал о том, что замкнутая металлическая полость (объемный резонатор) превращает этот усилитель в генератор. Как известно, именно это сделали Прохоров с Басовым и группа Таунса. Более того, в отсутствие резонатора расчетный коэффициент усиления прибора получался весьма скромным, посему Вебер и решил, что практического значения такая конструкция иметь не будет. Вскоре он увлекся общей теорией относительности и конструированием первых в мире детекторов гравитационного излучения, что принесло ему в начале 70-х годов мировую известность. Тем не менее Вебера без сомнения можно назвать одним из первоизобретателей квантовых усилителей излучения.
Замкнутая полость не годится для генерации вынужденного околосветового и светового излучения с длинами волн порядка микрона и долей микрона, тут нужен открытый зеркальный резонатор. Первым об этом догадался профессор Принстонского университета Роберт Дике (Robert Dicke), чрезвычайно разносторонний исследователь, получивший множество важных результатов в области физики и астрофизики. В 1956 г. он подал патентную заявку на аппарат для генерации когерентного инфракрасного света, содержащий газообразную активную среду, обрамленную полупрозрачными зеркалами. Правда, Дике почему-то не уточнил, что газ нужно перевести в термодинамически неравновесное инвертированное состояние, но скорее всего лишь потому, что счел эту деталь несущественной для Бюро патентов. Во всяком случае, сам он всегда утверждал, что заслуживает признания как первый изобретатель лазера.
Фактически Дике сделал даже больше, разработав с помощью своего студента Брюса Хокинса (Bruce Hawkins) один из способов получения инверсной среды – облучение ее светом нужного спектра и поляризации. Именно этот способ – метод оптической накачки – позже применил создатель первого в мире лазера Мейман (и его же одновременно с Дике в 1952–53 гг. независимо разработали Альфред Кастлер [Alfred Kastler] с коллегами во Франции). У Дике, превосходного экспериментатора и сильного теоретика, вроде бы были все шансы первым построить действующий лазер. Однако в середине 50-х Дике занялся гравитацией и моделями Вселенной – всерьез и надолго. Он получил исключительно важные для космологии результаты (в частности, переоткрыл давно забытую теорию реликтового микроволнового излучения), но ушел из квантовой микроэлектроники.
Еще один из предтеч идеи лазера – переселившийся в США голландский физик Николаас Бломберген (Nicolaas Bloembergen). В 1956 г., работая в Гарварде, он опубликовал статью «Проект твердотельного мазера нового типа», в которой развил теорию трехуровневого возбуждения инверсной среды. Впервые эта идея появилась в короткой заметке Басова и Прохорова, напечатанной зимой 1955 г. в ЖЭТФ. Однако их схема никогда не была реализована, а предложенный Бломбергеном мазер испытали уже через несколько месяцев после публикации его статьи. Позднее он выполнил ряд фундаментальных исследований по лазерной спектроскопии, за что в 1981 г. был удостоен Нобелевской премии (вместе с Шавловым).
Таким образом, в 50-е годы к разработке мазеров и лазеров приложили руку трое талантливейших физиков, которые со временем прославились совсем в других областях науки. Однако никто из них не продумал идею лазера в целом, как это чуть позднее сделали Прохоров и Таунс с Шавловым. Тем более интересно, что независимо от этих классиков практически от начала до конца лазер изобрел никому не известный аспирант Колумбийского университета, который потом тридцать лет добивался (и добился-таки!) признания своего приоритета. Он и станет последним и главным героем этой статьи.
Гордон Гулд (Gordon Gould) родился в 1920 г. Со стороны отца он происходил от одного из пассажиров легендарного «Мэйфлауэра», доставившего в Новую Англию первых колонистов, а по материнской линии – от французского пирата. В 1942-м он защитил магистерскую диссертацию по физике в Йельском университете, преподавал там пару лет, а потом получил место в секретной нью-йоркской лаборатории, разрабатывавшей методы разделения изотопов урана для Манхэттенского проекта. В это время он увлекся коммунистическими идеями и стал посещать собрания партячейки, в результате чего в начале 1945 г. остался и без допуска, и без работы. Прослужив четыре года в частной фирме, он поступил в аспирантуру физического факультета Колумбийского университета. Научный руководитель, будущий Нобелевский лауреат Поликарп Куш (Polykarp Kusch), предложил Гулду заняться спектроскопией метастабильных атомов таллия.
