Николай Басов – мастер когерентного излучения

14 декабря 2022 года выдающемуся российскому физику, одному их создателей лазера и нобелевскому лауреату Николаю Геннадиевичу Басову исполнилось бы 100 лет.

Политолог, публицист Александр Механик – о выдающемся советском и российском ученом, внесшем значительный вклад в развитие квантовой электроники и создание лазерных установок.

Николай Басов родился в городе Усмани Тамбовской губернии. Окончание средней школы в Воронеже совпало с началом Великой Отечественной войны, Басов был призван в армию и направлен в Куйбышевскую военно-медицинскую академию, откуда был переведен в Киевское военно-медицинское училище, по окончании которого служил ассистентом врача в батальоне химзащиты в составе 1-го Украинского фронта. Вплоть до демобилизации в конце 1945-го находился в рядах действующей армии.

В 1946 году Басов поступил и в 1950 году окончил Московский механический институт, преобразованный впоследствии в МИФИ.

В 1948-м начал работать лаборантом, а позже инженером в лаборатории колебаний Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР. В лаборатории колебаний, возглавляемой в эти годы Михаилом Леонтовичем, группа молодых физиков под руководством Александра Прохорова начала исследования на новом научном направлении — молекулярной радиоспектроскопии. Именно в эти годы началось плодотворное содружество Басова и Прохорова, результатом которых стали основополагающие работы в области квантовой электроники.

От мазера к лазеру

В начале 1950-х Прохоров и Басов разработали основные принципы усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами и предложили эффективный метод создания состояний с инверсной населенностью — метод селективной накачки электромагнитным излучением трехуровневой системы. Были созданы принципиально новые малошумящие квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона — мазеры, первым из которых стал мазер на молекулах аммиака (1955‒1956).

Еще в период работы над молекулярными генераторами Басов пришел к идее распространения принципов и методов радиофизики и квантовой электроники на оптический диапазон частот.

Работы по лазерам Басов начал в 1957 году с разработки физических идей и путей осуществления неравновесных состояний в полупроводниках. В работе Басова с сотрудниками, опубликованной в 1958 году, и в докладе на международной конференции по квантовой электронике в США в 1959-м было предложено создать инверсную населенность в полупроводниках путем лавинного размножения носителей тока в импульсном электрическом поле. В начале 1961 года Николай Басов обосновал возможность создания инжекционного лазера, показал возможность стационарного режима генерации, указывал на волноводный характер активной области и снижение пороговой плотности тока в случае, когда полупроводники, образующие р‒п-переход, имеют различную ширину запрещенной зоны. В результате инициированных этой работой исследований в 1962 году были созданы инжекционные полупроводниковые лазеры.

Еще в начале 1961 года Басов начал работы по возбуждению полупроводниковых лазеров мощными электронными пучками, и уже в 1963-м создаются первые лазеры такого типа. В 1964 году была впервые получена генерация на полупроводниках с оптическим возбуждением с одно- и двухквантовым возбуждением лазерным излучением. В этом же году Николаю Басову, Александру Прохорову и Чарльзу Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике.

В Нобелевской лекции 1964 года Басов наметил ряд путей использования полупроводниковых лазеров в науке и технике, и вскоре после этого на основе инжекционных лазеров он создает быстродействующие оптические логические элементы, а с помощью лазеров с электронным возбуждением — проекционное телевидение и адресный коммутатор.

Лазерный термояд

В 1962 году на заседании Президиума АН СССР, а затем на международной конференции по квантовой электронике в Париже в 1963-м Басов выдвинул идею получения термоядерных реакций при лазерном облучении мишеней. Эта идея и созданная в его лаборатории установка позволили в 1968 году получить первые термоядерные нейтроны при лазерном облучении мишени из дейтерида лития.

Результаты этой работы были доложены Басовым на международной конференции в США в том же году и послужили мощным стимулом развития работ по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС), который в настоящее время рассматривается как один из многообещающих подходов к созданию термоядерных реакторов.

В 1971 году в ФИАНе создается многоканальная лазерная установка «Кальмар» на неодимовом стекле, обеспечивающая сферическое облучение мишеней с плотностью мощности 1014 Вт/см2 (в США установка с тем же уровнем энергии была создана на несколько лет позже). На этой установке была показана эффективность вклада лазерной энергии в мишень, осуществлено сжатие до плотности 8 г/см3, зарегистрированы нейтроны d‒d- реакций и вторичных d‒t-реакций.

В отличие от концепции профилированного во времени короткого лазерного импульса для облучения мишеней, предложенной Эдвардом Теллером и его сотрудниками в начале 1970-х, группа, руководимая Басовым, разработала подход, в котором сравнительно длинные во времени импульсы облучали тонкие оболочечные мишени при умеренных потоках излучения. Эта концепция получила название низкоэнтропийного сжатия, и в настоящее время использование оболочечных мишеней считается наиболее перспективным.

Мегаджоульный импульс

Считая проблему создания мощных лазеров центральной в квантовой электронике, Басов с 1962 году возглавил цикл исследований по химическим лазерам, завершившийся созданием мощных фторводородных химических лазеров импульсного и непрерывного действия. В эти же годы Басовым с сотрудниками был создан мощный фотодиссоционный йодный лазер, разработан новый тип газовых лазеров высокого давления — электроионизационных, создан эксимерный лазер.

Басов развивает оптические методы обработки информации, создавая для этих целей лазерные логические элементы; выполняет обширный цикл исследований по стабилизации частоты лазеров, стандартам частоты, по лазерному и электроионизационному методам стимулирования химических реакций, упрочнению поверхности металлов, нанесению покрытий. Басов инициирует исследования по нелинейной оптике для разработки методов преобразования и суммирования лазерных пучков в процессах вынужденного рассеяния, применяет открытый в его отделе метод обращения волнового фронта для мощных многоканальных лазеров. Особое место в работах Басова занимают исследования взрывных фотохимических лазеров. В совместных работах коллективов ФИАНа и ВНИИЭФ был разработан йодный фотодиссоционный лазер взрывного типа, способный генерировать мегаджоульные импульсы.

Басов был заведующим кафедрой МИФИ, создателем и руководителем Высшей школы физики при МИФИ и ФИАНе. Многие ученики и сотрудники Басова стали докторами наук, их работы получили мировое признание.

Басову довелось возглавлять ФИАН, общество «Знание», журнал «Природа». Мировую известность получил созданный и руководимый им журнал «Квантовая электроника».

Николай Геннадиевич Басов скончался 1 июля 2001 года.

Использованы материалы журнала «Успехи физических наук».

Ранее опубликовано на: https://stimul.online/articles/science-and-technology/master-kogerentnogo-izlucheniya/