ТЕМП НАРАСТАЕТ

После возвращения Басова из заокеанской поездки, работа продолжалась все более энергично. Начались эксперименты. К теоретическим исследованиям подключился О. Н. Крохин. Попов и Крохин проявили себя в этой работе как нерасторжимое целое, хоть и трудно представить себе две столь несхожие индивидуальности. Попов внешне очень молод. Работая у Басова уже лет десять и став доктором физико-математических наук, он кажется беспокойным студентом. Он горяч, темпераментен, в пылу дискуссии, говорят, ему лучше не попадаться под руку. Крохин спокоен, сдержан. Хоть ему тридцать два, у него седая голова, он строен, элегантен, такими я почему-то представляю себе холодноватых англичан. Очень одарен, у него уже свыше шестидесяти научных работ. Сотрудники говорят, что по уровню он выше доктора, только защищаться ему некогда, или считает, что не все открыл.

Попова и Крохина много и охотно цитируют за границей, считают их незаурядными учеными. И они в большой степени вообще типичны для молодого поколения советских физиков: своей работоспособностью, напористостью, широтой интересов. Попов специализировался по люминесценции, но, увлекшись полупроводниками, круто и безболезненно изменил область работы, быстро став здесь одним из ведущих специалистов.

Когда Крохин пришел в лабораторию Басова после университета, он поразил всех своим знанием «минимума» Ландау — знал его от корки до корки. А «минимум» Ландау — это известные во всем мире толстенные тома курса физики, написанные Ландау и Лифшицем, за которые они получили Ленинскую премию. Теперь таких томов, кажется, девять! Эти тома, конечно, не входят в программу обучения студентов, это высший пилотаж, но наиболее одаренных, а их немало, они манят, как вершина Эвереста. И есть такие, которые восходят. Взошел и Крохин и оказался как нельзя более подготовленным к квантовой электронике.

Итак, Басов, Попов и Крохин сочли проблему полупроводниковых лазеров «проблемой номер один». Фронт исследований стал шире, работа пошла быстрее, и ко времени рождения первых лазеров — рубинового и гелий-неонового — советские ученые смогли предложить еще три способа привлечения полупроводников на службу квантовой электронике.

Оказалось, что и в этом случае можно воспользоваться трехуровневой схемой, с успехом применяемой и в парамагнитных усилителях и в лазерах на рубине или других люминесцентных кристаллах. При этом полупроводник переходит в активное состояние, и, если обеспечена достаточная обратная связь, в нем начнется генерация электромагнитных волн. Для накачки полупроводникового лазера очень выгодно применять свет лазеров других типов или излучение специальных полупроводниковых источников света.

Басовцы доказали, что полупроводники могут быть приведены в активное состояние и в результате бомбардировки быстрыми электронами. При этом должно возникать очень мощное излучение из малого объема полупроводника. Но, к сожалению, электронная бомбардировка приводит к выделению большого количества тепла и вредному нагреванию полупроводника. Поэтому, несмотря на интенсивное охлаждение, полупроводник может выдерживать бомбардировку быстрыми электронами только, если они подаются короткими импульсами.

Наконец, для создания полупроводникового лазера оказалось подходящим полупроводниковое устройство, мало отличающееся от одного из типов полупроводниковых диодов. Можно было даже предвидеть, что для его создания достаточно применить уже известные способы введения некоторых примесей в очень чистый полупроводник. Физики хорошо знали, что примесь, нанесенная на поверхность чистого полупроводника, при нагревании постепенно проникает в его толщу, изменяя свойства полупроводника.

Идея советских ученых состояла в том, чтобы приводить полупроводник в активное состояние, пропуская электрический ток через границу, отделяющую чистый полупроводник от области, в которую проникла примесь. Расчеты показали им, что при этом вблизи границы должна возникнуть активная зона.

Так, в результате трехлетних упорных исследований к 1960 году Басов, Вул, Крохин и Попов теоретически обосновали четыре метода создания полупроводниковых лазеров. Постепенно этими возможностями заинтересовались и экспериментаторы.

Однако специфические особенности полупроводников долго не позволяли реализовать ни один из предложенных методов. Ведь для того чтобы придать полупроводнику заранее предвычисленные свойства, нужно сперва изготовить исходный материал, в котором среди миллиардов его атомов не было и одного атома примеси. Но этого еще далеко не достаточно. В этот сверхчистый материал нужно еще строго определенным образом ввести точно рассчитанное количество специально подобранной примеси. Все эти операции должны проходить с соблюдением такой чистоты, которая может сравниться лишь с условиями лучшей операционной палаты, причем сравнение окажется не в пользу хирургии.

Лишь в 1962 году две группы американских исследователей, пропустив короткие импульсы электрического тока через специально приготовленные кристаллы арсенида галлия, заставили их генерировать невидимые инфракрасные лучи. Интересно, что обе группы воспользовались исходным материалом, изготовленным в одной из английских лабораторий. Попытки работать с другим сырьем приводили лишь к неудачам. Эти опыты были вскоре повторены в Физическом институте и в Физико-техническом институте АН СССР на советском арсениде галлия.

А затем Басов и его сотрудники создали полупроводниковые лазеры, возбуждаемые пучком быстрых электронов и оптической накачкой. Они испускали и зеленый свет и инфракрасные лучи.

Недавно им удалось реализовать и самое первое предложение — возбуждение электрическим пробоем. Путь, найденный раньше других, оказался самым трудным.

Полупроводниковые лазеры отличаются рядом крайне полезных свойств, очень важных особенностей. Например, они лучше других преобразуют электрическую энергию в световую. Они открывают возможность непосредственно, почти без потерь, преобразовывать электрический ток в свет — возможно, это несет революцию в светотехнику и наши дома будут освещаться такими полупроводниковыми осветительными лампами! Теория обещает им стопроцентный КПД!

Полупроводниковые лазеры, как и другие полупроводниковые приборы, очень легко и просто поддаются управлению. А это крайне важно для применения в системах связи и в вычислительной технике. Уже сейчас потери энергии в них сокращены до 30 процентов, а в некоторых случаях не превышают 20 процентов.

Полупроводниковые приборы старшего поколения — диоды и транзисторы — открыли путь к миниатюризации радиоприемников, электронных вычислительных машин и других приборов.

Полупроводниковые лазеры тоже несравненно миниатюрнее своих предшественников. Их размеры могут быть доведены до микронов, то есть до масштабов, соизмеримых с длиной волны генерируемых ими колебаний. Это позволяет создать сверхминиатюрные и очень чувствительные усилители света.

Теория показывает, что усилители света, как и усилители радиоволн, обладают вредными внутренними шумами. Величина этих шумов возрастает вместе с размерами усилителя. Чем больше световых волн укладывается внутри усилителя, тем сильнее его собственные шумы. Но и в газовых лазерах и в лазерах на кристаллах и стеклах усиление, достижимое на одном сантиметре длины усилителя, не велико, а ведь в этом сантиметре укладываются десятки тысяч световых волн. Самый прямой путь уменьшения внутренних шумов лазера-усилителя — увеличение усиления. Но опыт показывает, что достичь этого очень и очень трудно. Только применение полупроводников позволяет сейчас надеяться на создание оптических усилителей размером, приближающимся к длине световой волны, а значит, имеющих очень малые внутренние шумы.

Недавно Басов и Богданкевич предложили использовать высокий коэффициент усиления полупроводниковых усилителей света для создания нового типа лазера. Они назвали его генератором с излучающим зеркалом. Почему? Потому, что его основой является зеркало, покрытое тонкой пленкой полупроводника. Малая толщина пленки позволяет хорошо отводить из нее вредное тепло, и благодаря этому возникает возможность получить от такого лазера большую мощность.

Малые размеры полупроводниковых лазеров помогают получить сверхкороткие вспышки света, длящиеся всего одну тысячную от миллиардной доли секунды. Уже сейчас удается за такие короткие промежутки времени управлять работой полупроводниковых лазеров, что открывает возможность создания сверхбыстродействующих вычислительных машин.

В некоторых полупроводниках простым подбором их состава можно более чем в три раза изменять генерируемую длину волны.

Самое молодое направление квантовой электроники, еще недавно незаметное в тени блестящих старших сестер, все больше проявляет свои скрытые достоинства. Полупроводники, еще недавно бывшие за пределами науки и техники, вышли на самый передовой ее рубеж.

Теоретические и экспериментальные работы советских ученых, приведшие к созданию полупроводниковых лазеров, были в 1964 году удостоены Ленинской премии. Это вторая Ленинская премия за работы в области квантовой электроники. Ее получили сотрудники ФИАНа Б. Н. Вул, О. Н. Крохин, Ю. М. Попов и А. П. Шотов и сотрудники ЛФТИ Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев и С. М. Рыбкин.

В феврале 1963 года в Париже собралась третья Международная конференция по квантовой электронике. По числу участников она в семь раз превосходила первую конференцию. Одна американская делегация была численностью в полтысячи человек. Отчасти это побудило организаторов избрать для конференции здание ЮНЕСКО с большими залами, просторными коридорами и помещениями, специально приспособленными для многолюдных дискуссий. В отличие от предыдущих конференций теперь одновременно работали по две секции, заседавшие дважды в день. Но и этот напряженный режим не позволил включить в программу все поступившие доклады.

После долгих обсуждений оргкомитет решил ограничить конференцию фундаментальными физическими проблемами, перенеся доклады, посвященные применениям лазеров, на отдельную конференцию.

Пять дней с раннего утра до позднего вечера шли дискуссии. Теперь полупроводниковые лазеры заняли равноправную позицию, наряду с газовыми и теми, которые по традиции называют твердотелыми, как будто полупроводники не принадлежат к числу твердых тел. Специальное заседание пришлось посвятить совершенно новой области — нелинейной оптике, изучающей процессы, возникающие под действием гигантских импульсов света, даваемых особыми лазерами.

Самыми драматическими здесь были, пожалуй, доклады о когерентном комбинационном рассеянии, которое авторы по зарубежной традиции называют вынужденным рамановским излучением, или рамановским лазером.

Комбинационное рассеяние света, открытое в начале 1928 года Ландсбергом и Мандельштамом и независимо Раманом и Кришнаном, уже давно стало мощным средством изучения жидкостей и кристаллов. Применение лазерного света привлекало не только огромным ускорением исследований, но и возможностью обнаружения новых эффектов. Теория предсказывала, что лазерный свет при известных условиях должен рассеиваться совсем не так, как свет от обычных источников. Многие пытались это найти, но неудачно. Е. И. Вудбери из лаборатории Хеллворса рассказал о том, как почти случайно, изучая причины ошибок, обнаруженных во время обычной работы по исследованию некоторых жидкостей по комбинационному рассеянию в них света лазера, они наткнулись на неуловимый эффект. Теперь его без труда изучают во многих лабораториях.

Бурное развитие квантовой электроники отчасти отображается двумя цифрами — лишь оглавление трудов конференции занимает 13 страниц, а сами труды заполняют почти 2000 страниц большого формата.

Через три года специалисты по квантовой электронике подготовили свою четвертую международную встречу. Но то, что там было запланировано, могло выдержать только мужественные и тренированные люди. Им предстояло заседать уже трижды в день с восьми часов утра до вечера. Иначе невозможно за отведенное время охватить все богатство, накопленное квантовой электроникой за минувшие три года.