Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
Научные открытия в области квантовой (атомной) электроники.



Научное открытие "Явление усиления электромагнитных волн (когерентное излучение)".

Формула открытия: "Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии".
Авторы: В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский, Ф. А. Бутаева.
Номер и дата приоритета: № 12 от 18 июня 1951 г.
Дата регистрации: 1962 г.
Дата выдачи Диплома: 1964 г.


Описание открытия (или о «Краже века»).
Основополагающее открытие в области квантовой электроники сделано доктором физико-математических наук, профессором В. А. Фабрикантом (Московский энергетический институт), профессором М. М. Вудынским (Московский автомеханический институт) и кандидатом технических наук Ф. А. Бутаевой (Всесоюзный светотехнический институт).

Авторы открытия дали четкую формулировку квантового способа усиления электромагнитных волн в средах, находящихся в неравновесном состоянии, изложили теорию квантового усиления, сформулировали закон усиления в средах с отрицательным коэффициентом усиления. Ими было доказано, что для увеличения усиления необходимо многократное прохождение электромагнитной волны в среде с отрицательным коэффициентом поглощения, предложено три метода приведения сред в неравновесное состояние, рекомендовано три способа получения активных сред, подчеркнута направленность усиленной волны, отмечено, что квантовый способ усиления электромагнитных волн пригоден для радиоволн, инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых лучей и т. д.

Открытие явления усиления электромагнитных волн и изобретенный способ их усиления лежат в основе действия всех квантовых усилителей и генераторов (десять лет спустя названных американскими физиками мазерами и лазерами) и являются основой квантовой электроники. Это одно из крупнейших открытий двадцатого века. На его основе создаются новые виды сверхдальней связи, телевидения, сигнализации, прогрессивные технологические способы обработки материалов, новейшие приборы для разного рода технических и научных целей, средства автоматики. В каждом компьютере и видеопроигрывателе находится малогабаритный лазер, а информация в высокоскоростном интернете передаётся с помощью лазерного излучения, распространяющегося по световодам. В нанотехнологиях управление атомами стало возможным только с помощью лазерного луча.


Приоритеты и премии.
В 1951 г. авторы открытия оформили два изобретения, которые являются основным доказательствами в споре о приоритетах: "Способ усиления электромагнитных волн" (Авторское свидетельство № 123 209) и "Использование многократных прохождений усиливаемой электромагнитной волны в неравновесных средах" (Авторское свидетельство № 148 441).

В 1964 году за “фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа лазера-мазера” советские ученые академики А. М. Прохоров и Н. Г. Басов (ФИАН) и американский ученый Ч. Таунс получили Нобелевскую премию. Не умаляя значения работ указанного американского физика, следует отметить, что в некоторых зарубежных изданиях безосновательно приписывают приоритет в создании квантовой электроники только им. Это дало повод не знающим истории вопроса делить приоритет первооткрывателей между советскими и американскими учеными, в то время как документально доказано, что основополагающими работами в создании квантовой электроники послужили открытия и изобретения, сделанные в 1951 г. В. А. Фабрикантом, М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой, и что абсолютный приоритет в этой области принадлежит Советскому государству.

Однако, по какой же причине не включили в нобелевский список главных авторов открытия – Фабриканта и Бутаеву? Дело в том, что заявку в Нобелевский комитет подаёт только организация и ФИАН из репутационных соображений был заинтересован в продвижении своих сотрудников. А в отраслевом институте ВЭИ, (позднее – ВНИСИ – Всесоюзный научно-исследовательский светотехнический институт), а тем более в МЭИ важность работ Фабриканта и Бутаевой для мировой науки никто оценить не мог.

Что примечательно! При награждении от имени лауреатов нобелевскую лекцию прочел академик А. М. Прохоров. Текст лекции снабжен списком цитируемой литературы и среди пятнадцати ссылок приводится работа Ф. А. Бутаевой и В. А. Фабриканта “О среде с отрицательным коэффициентом поглощения”.

И ещё несколько примечательных дат.
В 1951 году (18 июня) Российскими учеными подается заявка на изобретение оптического усилителя.
В 1951 году (осенью) заявка отнесена к категории секретных после доклада о ней в ФИАНе.
В 1959 году (через восемь лет!) на него было выдано Авторское свидетельство № 123209.
В 1960 году первый газовый лазер (по-русски – оптический усилитель) был создан в США компанией “Bell Lab.” Их прибор на базе гелий-неоновой среды низкого давления практически полностью повторял установку Фабриканта — Бутаевой. Отличие было только конструкционное и состояло только в двух зеркалах–резонаторах у торцов трубки с газовой смесью.
«Кража века» удалась.


К вопросу о терминах.
Название "лазер" квантовому усилителю дано в 1960-е годы американскими физиками. Оно состоит из начальных букв словосочетания "Light amplification by stimulated emission of radiation", что означает: "Усиление света посредством вынужденного испускания излучения". Учитывая более ранний приоритет Советского Союза по сравнению с американскими изобретениями, лучше вместо названий "мазер" и "лазер" употреблять название "квантовый генератор" и "квантовый усилитель", т. е. называть эти приборы так, как они названы в авторских свидетельствах, выданных советским первооткрывателям. В "Сборнике рекомендуемых терминов", утвержденных Комитетом научно-технической терминологии АН СССР и Министерством радиопромышленности СССР в 1968 г., было сказано: "В число рекомендуемых терминов не включены широко применяемые в современной литературе "мазер", "лазер", "празер" и их производные". Термин "мазер", как известно, возник в первой работе Ч. Таунса и его сотрудников о молекулярном генераторе на пучке молекул аммиака как акроним английского выражения "Microwave amplification by stimulated emission of''radiation" (MASER). Уже там этот термин оказался неточным, так как в нем содержится слово "усиление" (amplification), а не "генерация". Впоследствии, когда появились квантовые парамагнитные усилители СВЧ, термин "мазер" начали применять и к ним. Разработки оптических квантовых генераторов вызвали появление синонимов "оптический мазер" и "лазер". Легко заметить, что первый термин противоречив, так как в нем наряду со словом "оптический" сохранилась буква "м" от сокращения слова "микроволновой". Термины "лазер" и "празер" и в английской литературе признаются недостаточно удовлетворительными. Заимствование иноязычного термина–акронима следует считать неоправданным, так как его преимущество полностью теряется при переводе. "Квантовый генератор", "квантовый усилитель" составляют более естественную основу терминологии, позволяя удобно формировать непротиворечивые ряды производных терминов, например "оптический квантовый генератор" или "квантовый усилитель СВЧ". Однако слова "лазер", "лазерный луч", "лазерная техника" и т. д. вошли в наш язык и ныне узаконены официальными изданиями.
Вот так. С помощью подмены понятий и игры терминов маскируется воровство интеллектуальной собственности.


Дальнейшее развитие открытия.
Будущее квантовых генераторов света очень перспективно. Новое "чудо XX в." - мощное орудие прогресса. О самом разном применении квантовых генераторов свидетельствуют многие открытия и тысячи изобретений в этой области, сделанные за последние десятилетия в нашей стране и за рубежом.
На основе методов квантовой электроники созданы новые способы космической локации и навигации, новые процессы обработки необычных материалов. Использование квантовых генераторов в оптическом диапазоне позволило создать принципиально новые методы усиления сигналов радиодиапазона. На основании научных открытий в области квантовой электроники родилось множество изобретений, повлекших за собой коренные изменения в средствах связи, вычислительной технике, технологии многих производств, медицине и т. д.

Великий ученый и инженер древности Архимед сумел, по преданию, поджечь корабли противника, направив на них сконцентрированные солнечные лучи. Какой же мощности могло быть Архимедово устройство? Не большей, чем лупа в руках школьника, прожигающего лист бумаги, - всего лишь в несколько ватт. Современные физики, работающие со световым лучом квантового генератора, на одном сантиметре концентрируют мощность более миллиона миллионов ватт, причем температура светового пятна достигает сотен миллионов градусов.
Устройство квантового генератора не очень сложно. Рабочий стержень (например, рубиновый или из неодимового стекла) помещается рядом с мощной импульсной лампой. Параллельно торцам стержня поставлены зеркала. Под действием световых импульсов атомы хрома (если речь идет о рубине) возбуждаются и начинают излучать. Рожденный ими луч усиливается. Затем он проходит через полупрозрачное зеркало. Тонок пучок света, но перед ним не устоит и алмаз: луч просверливает его за доли миллисекунды.

"С появлением квантовых генераторов, - рассказывал Рем Викторович Хохлов, - физики смогли получить луч, для которого угол падения уже не равен углу отражения. Или луч, который изменяет свой цвет, пройдя через вещество. Попробуйте-ка выразить подобные процессы на языке линейных уравнений!
...При всем многообразии нелинейных оптических эффектов вызваны они, по сути дела, одним физическим процессом. Любая прозрачная среда под действием попавшего в нее света начинает излучать свои собственные волны: атомы возбуждаются и переизлучают полученную энергию. Если колебания электронов происходят в такт пришедшей волне, частота сигнала сохраняется. Так бывает, когда энергия волны сравнительно невелика. Но при очень сильных сигналах электроны занимаются "творчеством" - порождают свое собственное излучение уже иной интенсивности или иной частоты. А поскольку именно с частотой связано цветовое "одеяние" света, то, например, красный луч может превратиться в ультрафиолетовый. Ничего подобного до создания квантовых генераторов и усилителей оптика не знала".

В Физическом институте имени П. Н. Лебедева создан газовый электроионизационный генератор высокого давления, обеспечивающий высокий энергосъем и позволяющий плавно перестраивать частоту излучения в широких пределах, что важно для многих случаев практического применения. Физическим институтом, Институтом физики высоких давлений и Институтом спектроскопии создан полупроводниковый квантовый генератор, частота которого перестраивается под действием высокого гидростатического давления.

В качестве рабочего вещества сейчас применяют не только рубин и неодимовое стекло, но и самые разные материалы. Генерация получена уже более чем на 100 веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, полупроводниках, плазме. Рабочим веществом могут служить органические соединения, активированные ионами редкоземельных элементов. Разработаны так называемые ионные генераторы.

В Институте физики АН БССР под руководством члена-корреспондента АН БССР Н. А. Борисевича создан новый тип лазера, в котором в качестве рабочего тела используются пары сложных органических молекул. Под руководством академика Б. И. Степанова создан лазер на красителях с настраиваемой частотой в широкой области спектра. Он получил название "Радуга".

Идею нового – газодинамического – лазера предложили для ракетного двигателя, у которого выхлопные газы, прежде чем выйти в атмосферу, проходят между двумя металлическими зеркалами, строго параллельными друг другу.
Оказывается, такое устройство способно порождать непрерывное лазерное инфракрасное излучение мощностью около 100 кВт. Это в 10 раз больше того, что еще недавно казалось рекордным для лазеров непрерывного действия.
Еще создавались первые мазеры и лазеры, а ученые уже думали над тем, можно ли создать приборы, подобные лазеру, но работающие в других областях электромагнитных волн? Лазеры генерируют интенсивные пучки видимого света. А нельзя ли построить квантовые генераторы невидимого – рентгеновского или гамма-излучения? Такие генераторы сулят множество заманчивых применений в науке и технике. Работа над ними продолжается.

Квантовые генераторы способны давать колоссальные энергии. Их монохроматическое излучение может достигать мощности в сотни тысяч раз большей, чем излучение с одного квадратного сантиметра поверхности Солнца. Оно может нагреть тело до сотен миллионов градусов. Что в сравнении с ним наше светило, на поверхности которого лишь шесть тысяч градусов!
Главные свойства лучей таких генераторов – когерентность в пространстве и времени, монохроматичность, малая расходимость луча, высокая концентрация энергии. Именно эти свойства квантовых генераторов дают возможность использовать их лучи для тончайших исследований различных веществ, строения молекул, атомов, структуры живых клеток. С помощью одних квантовых генераторов можно ускорить химические реакции, с помощью других – диагностировать плазму, некоторые помогают геологам изучать структуру горных пород и минералов и т. д. Могучая сила луча квантового генератора "прощупала" поверхность Луны и помогла Российским ученым скорректировать карту Луны.

Бывало, что появление всего лишь одного прибора вызывало огромные сдвиги в науке и технике. Вспомним рентгеновские аппараты, электронные лампы, электронный микроскоп и многое другое. В этом ряду можно назвать и созданные недавно генераторы мощных наносекундных (наносекунда – одна миллиардная доля секунды) электронных пучков. Сейчас известны установки, которые генерируют электронные пучки с током в сотни тысяч ампер и имеют энергию электронов до нескольких миллионов электрон-вольт. Мощность, развиваемая такой установкой, сравнима с установленной мощностью всех электростанций мира. Правда, электростанция способна отдавать энергию долгое время, а электронный пучок такого генератора – очень короткое время, измеряемое десятками наносекунд. Первый советский генератор пучков появился в Томске, в НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте. Его созданию предшествовала серьезная, длительная и напряженная исследовательская работа большого научного коллектива.

Во многих лабораториях мира сейчас ведутся работы по применению мощных релятивистских электронных пучков для "поджога" управляемой термоядерной реакции. Электронный пучок, ударяясь о металлическую мишень, вызывает появление рентгеновских лучей и нейтронов. Импульсные рентгеновские аппараты становятся столь небольших размеров, что их можно будет использовать для дефектоскопии, для анализа полезных ископаемых прямо в полевых условиях, для еще более широкого применения в медицине и физических исследованиях.

При взаимодействии мощных электронных пучков с газом или плазмой наблюдается ряд эффектов, использование которых позволит создать новые квантовые генераторы, радиопередатчики, ускорители заряженных частиц невиданных до сих пор параметров. Электронные пучки, скорость электронов в которых близка к скорости света, при определенных условиях могут передаваться на большие расстояния. Это свойство пучков может быть использовано для передачи электрической энергии на большие расстояния прямо по подземным трубам, как передают сейчас газ и воду. У нового прибора кроме названных "профессий" будет ещё и много других.





Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МИРОЗДАНИЕ
Сайт создан в системе uCoz