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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Laser. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Le mot "laser" est formé à partir des lettres initiales d'une longue phrase en anglais, qui signifie littéralement "amplification de la lumière par émission stimulée". "Les scientifiques ont longtemps prêté attention au phénomène d'émission spontanée de lumière par les atomes", écrit M.M. Koltun dans le livre "World of Physics", "qui se produit en raison du fait qu'un électron excité d'une manière ou d'une autre revient des couches d'électrons supérieures de l'atome aux inférieurs. Pas étonnant que le phénomène La luminescence chimique, biologique et lumineuse causée par de telles transitions ait longtemps attiré les chercheurs par sa beauté et son caractère inhabituel. Mais la lumière de luminescence est trop faible et dispersée, elle ne peut pas atteindre la Lune. . Chaque atome pendant la luminescence émet sa propre lumière à des moments différents, non coordonnée avec les atomes voisins. En conséquence, un rayonnement de torche chaotique apparaît. Les atomes n'ont pas de conducteur ! Au cours de l'1917 Albert Einstein dans l'un des articles, il a théoriquement montré que le rayonnement électromagnétique externe permettrait de faire correspondre les éclairs de rayonnement des atomes individuels les uns aux autres. Il peut amener les électrons de différents atomes à voler simultanément à des niveaux excités également élevés. Il n'est pas difficile qu'un même rayonnement joue le rôle de déclencheur d'un « tir léger » : dirigé vers un cristal, il peut provoquer le retour simultané de plusieurs dizaines de milliers d'électrons excités sur leurs orbites d'origine, ce qui s'accompagner d'un puissant éclair de lumière d'une luminosité aveuglante, une lumière de presque la même longueur d'onde, ou, comme disent les physiciens, une lumière monochromatique. Les travaux d'Einstein ont été presque oubliés par les physiciens : les recherches sur la structure de l'atome étaient alors beaucoup plus intéressantes pour tout le monde. En 1939, un jeune scientifique soviétique, aujourd'hui professeur et membre à part entière de l'Académie des sciences pédagogiques V.A. Fabrikant revient sur le concept d'émission stimulée introduit par Einstein en physique. Les recherches de Valentin Alexandrovich Fabrikant ont jeté des bases solides pour la création d'un laser. Encore quelques années de recherche intensive dans un environnement calme et paisible, et le laser aurait été créé. "Mais cela ne s'est produit que dans les années cinquante grâce au travail créatif des scientifiques soviétiques Prokhorov, Basov et de l'américain Charles Hard Townes (1915) . Alexander Mikhailovich Prokhorov (1916-2001) est né à Atorton (Australie) dans la famille d'un révolutionnaire ouvrier qui a fui l'exil sibérien en Australie en 1911. Après la Grande Révolution socialiste d'Octobre, la famille Prokhorov est retournée dans son pays natal en 1923 et après un certain temps s'est installée à Leningrad. En 1934, Alexander a obtenu son diplôme d'études secondaires ici avec une médaille d'or. Après l'école, Prokhorov entre au département de physique de l'Université d'État de Leningrad (LGU), dont il sort diplômé en 1939 avec mention. Puis il entre à l'école doctorale de l'Institut de Physique du nom de P. N. Lebedev Académie des sciences de l'URSS. Ici, le jeune scientifique a commencé à étudier les processus de propagation des ondes radio à la surface de la Terre. Il propose une méthode originale d'étude de l'ionosphère par la méthode des radiointerférences. Dès le début de la Seconde Guerre mondiale, Prokhorov était dans les rangs de l'armée sur le terrain. Il a combattu dans l'infanterie, dans le renseignement, a reçu des récompenses militaires, a été blessé deux fois. Démobilisé en 1944, après une deuxième blessure grave, il reprend son travail scientifique interrompu par la guerre à la FIAN. Prokhorov s'est engagé dans des recherches pertinentes à l'époque sur la théorie des oscillations non linéaires, les méthodes de stabilisation de la fréquence des générateurs radio. Ces travaux ont constitué la base de sa thèse de doctorat. Pour la création de la théorie de la stabilisation de fréquence d'un générateur à tube en 1948, il a reçu l'académicien L.I. Mandelstam. En 1948, Alexander Mikhailovich a commencé des recherches sur la nature et le caractère du rayonnement électromagnétique émis dans les accélérateurs de particules chargées cycliques. En très peu de temps, il parvient à mener une grande série d'expériences réussies pour étudier les propriétés cohérentes du rayonnement magnéto-bremsstrahlung d'électrons relativistes se déplaçant dans un champ magnétique uniforme dans un rayonnement synchrotron - synchrotron. À la suite de la recherche, Prokhorov a prouvé que le rayonnement synchrotron peut être utilisé comme source de rayonnement cohérent dans la gamme de longueurs d'onde centimétriques, a déterminé les principales caractéristiques et le niveau de puissance de la source et a proposé une méthode pour déterminer la taille des paquets d'électrons. Cet ouvrage classique a ouvert toute une voie de recherche. Ses résultats ont été formalisés sous la forme d'une thèse de doctorat, soutenue avec succès par Alexander Mikhailovich en 1951. En 1950, Prokhorov a commencé à travailler dans une toute nouvelle direction en physique - la spectroscopie radio, s'éloignant progressivement du travail dans le domaine de la physique des accélérateurs. A cette époque, une nouvelle gamme de longueurs d'onde, centimétrique et millimétrique, était maîtrisée en spectroscopie. Les spectres de rotation et certains spectres de vibration des molécules se situaient dans cette gamme. Cela a ouvert des possibilités complètement nouvelles dans l'étude des questions fondamentales de la structure des molécules. La riche expérience expérimentale et théorique de Prokhorov dans le domaine des théories des oscillations, de l'ingénierie radio et de la physique radio était la mieux adaptée pour maîtriser ce nouveau domaine. Avec le soutien de l'académicien D.V. Skobeltsyn, dans les plus brefs délais, avec un groupe de jeunes employés du laboratoire de vibrations, Prokhorov a créé une école nationale de spectroscopie radio, qui a rapidement acquis des positions de premier plan dans la science mondiale. L'un de ces jeunes employés était Nikolai Gennadievich Basov, diplômé de l'Institut de génie physique de Moscou. Basov est né le 14 décembre 1922 dans la ville d'Usman, dans la province de Voronej (aujourd'hui la région de Lipetsk) dans la famille de Gennady Fedorovich Basov, plus tard professeur à l'Université de Voronej. La fin de l'école Basov a coïncidé avec le début de la Grande Guerre patriotique. En 1941, Nikolai est enrôlé dans l'armée. Il a été envoyé à l'Académie médicale militaire de Kuibyshev. Un an plus tard, il a été transféré à l'école de médecine militaire de Kiev. Après avoir obtenu son diplôme universitaire en 1943, Basov a été envoyé dans un bataillon de protection chimique. Du début de 1945 jusqu'à la démobilisation, à la fin de cette année-là, il était dans les rangs de l'armée. En 1946, Basov entre à l'Institut mécanique de Moscou. Après avoir obtenu son diplôme de l'institut en 1950, il entre dans son école doctorale au Département de physique théorique. Depuis 1949, Nikolai Gennadievich travaille à l'Institut de physique de l'Académie des sciences de l'URSS. Son premier poste était ingénieur au Laboratoire d'oscillation dirigé par l'académicien M.A. Léontovitch. Puis il devient chercheur junior dans le même laboratoire. Au cours de ces années, un groupe de jeunes physiciens dirigé par Prokhorov a commencé des recherches dans une nouvelle direction scientifique - la spectroscopie moléculaire. Dans le même temps, une collaboration fructueuse entre Basov et Prokhorov a commencé, qui a conduit à des travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique. En 1952, Prokhorov et Basov ont présenté les premiers résultats d'une analyse théorique des effets de l'amplification et de la génération de rayonnement électromagnétique par les systèmes quantiques, et plus tard ils ont étudié la physique de ces processus. Après avoir développé un certain nombre de spectroscopes radio d'un nouveau type, le laboratoire de Prokhorov a commencé à obtenir des informations spectroscopiques très riches sur la détermination des structures, des moments dipolaires et des constantes de force des molécules, des moments des noyaux, etc. En analysant la précision limite des étalons de fréquence moléculaire micro-ondes, qui est principalement déterminée par la largeur de la raie d'absorption moléculaire, Prokhorov et Basov ont proposé d'utiliser l'effet d'un rétrécissement prononcé de la raie dans les faisceaux moléculaires. "Cependant, la transition vers les faisceaux moléculaires", écrivent I.G. Bebikh et V.S. induit des transitions entre deux états d'énergie de molécules avec l'absorption d'un quantum lors de la transition du niveau inférieur au niveau supérieur (absorption induite, stimulée) et avec l'émission d'un quantum lors de la transition du niveau supérieur vers le bas (émission induite, stimulée). Par conséquent, il est proportionnel à la différence entre les populations de l'énergie inférieure et supérieure Pour deux niveaux séparés par une distance d'énergie égale à un quantum de rayonnement micro-onde , cette différence de population ne représente qu'une petite partie de la densité totale des particules en raison de la population thermique des niveaux à l'état d'équilibre aux températures ordinaires selon la distribution de Boltzmann. C'est alors que l'idée a été proposée qu'en modifiant artificiellement les populations des niveaux dans un faisceau moléculaire, c'est-à-dire en créant des conditions de non-équilibre (ou, pour ainsi dire, sa propre "température", qui détermine la population de ces niveaux), on peut modifier sensiblement l'intensité de la raie d'absorption. Si le nombre de molécules au niveau de travail supérieur est fortement réduit en triant ces particules du faisceau, par exemple en utilisant un champ électrique inhomogène, l'intensité de la raie d'absorption augmente. Une température ultra-basse est créée dans le faisceau, pour ainsi dire. Si, toutefois, des molécules sont retirées du niveau de travail inférieur de cette manière, le système subira une amplification due à une émission stimulée. Si le gain dépasse les pertes, alors le système est auto-excité à une fréquence qui est toujours déterminée par la fréquence de la transition quantique donnée de la molécule. Dans le faisceau moléculaire, en revanche, une inversion de population sera effectuée, c'est-à-dire qu'une sorte de température négative sera créée. C'est ainsi qu'est apparue l'idée d'un générateur moléculaire, qui a été esquissée dans le cycle bien connu d'œuvres communes classiques d'AM Prokhorov et N.G. Basov 1952–1955. De là a commencé son développement de l'électronique quantique - l'un des domaines les plus fructueux et les plus en développement de la science et de la technologie modernes. Essentiellement, l'étape principale et fondamentale dans la création de générateurs quantiques consistait à préparer un système quantique rayonnant hors d'équilibre avec inversion de population (avec une température négative) et à le placer dans un système oscillatoire à rétroaction positive - un résonateur à cavité. Elle aurait pu et aurait dû être faite par des scientifiques qui ont combiné l'expérience de l'étude des systèmes mécaniques quantiques et de la culture physique radio. Une nouvelle extension de ces principes aux gammes optiques et autres était inévitable. Prokhorov et Basov ont proposé une nouvelle méthode pour obtenir une inversion de population dans des systèmes à trois niveaux (et plus complexes) en saturant l'une des transitions sous l'action d'un puissant rayonnement auxiliaire. C'est ce que l'on appelle la "méthode à trois niveaux", également appelée plus tard la méthode de pompage optique. C'est lui qui en 1958 permit à Fabry-Perot de constituer une véritable base scientifique pour le développement d'autres gammes. Cela a été utilisé avec succès par T. Meiman en 1960 lors de la création du premier laser à rubis. Alors qu'il travaillait toujours sur les générateurs moléculaires, Basov a eu l'idée de la possibilité d'étendre les principes et les méthodes de la radiophysique quantique à la gamme de fréquences optiques. Depuis 1957, il cherche des moyens de créer des générateurs quantiques optiques - des lasers. En 1959, Basov, avec B.M. Vulom et Yu.M. Popov a préparé le travail "Générateurs de semi-conducteurs quantiques et amplificateurs d'oscillations électromagnétiques". Il a été proposé d'utiliser la population inverse dans les semi-conducteurs, obtenue dans un champ électrique pulsé, pour créer un laser. Cette proposition, ainsi que les propositions de scientifiques américains sur l'utilisation de cristaux de rubis (C. Townes, A. Shavdov) et de mélanges de gaz (A. Javan), ont marqué le début du développement systématique de la gamme de fréquences optiques par quantique. électronique. En 1964, Basov, Prokhorov et Towns (États-Unis) sont devenus lauréats du prix Nobel, qu'ils ont reçu pour leurs recherches fondamentales dans le domaine de l'électronique quantique, ce qui a conduit à la création de masers et de lasers. Auteur : Samin D.K.
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