История лазера - Марио Бертолотти

Гордон Гоулд был студентом Колумбийского университета и обладал практичным и интуитивным менталитетом изобретателя. Он сосредоточивался исключительно на получении патента и не стремился распространить свои идеи в научной литературе и публиковать свои результаты традиционным образом в научных журналах. Вместо этого он сделал официальный запрос на серию патентов, что породило ряд судебных процессов, касающихся изобретения лазера и продолжавшихся несколько лет.

В возрасте 21 года Гоулд в 1941 г. получил степень бакалавра физики в Юнион Колледже, а в 1943 г. и степень магистра по оптической спектроскопии в Йельском университете. Там он научился использовать интерферометр Фабри—Перо. После военной службы он решил посвятить себя изобретательству и найти работу с неполным рабочим днем. Он начал с проектирования контактных линз и других вещей, включая попытки получить искусственный алмаз. Однако он решил, что для продолжения работ ему нужна более солидная научная основа. В 1949 г. он поступил в Колумбийский университет, где с 1951 г. стал работать над диссертацией под руководством профессора Поликарпа Куша. Диссертация была посвящена использованию атомного пучка таллия с целью изучения возбужденных энергетических уровней. Освещая атомы таллия светом подходящей лампы, он сперва возбуждал их на желаемый уровень, а затем исследовал, как они распадаются с этого состояния, т.е. какова эффективность заселения этого состояния и т.д. Но работа продвигалась очень медленно, даже к ноябрю 1957 г. Гоулд не написал диссертацию.

На самом деле он заинтересовался проектом построить оптический мазер, который он переименовал в лазер, заменив «m» в слове мазер, обозначающее микроволны, на «l», обозначающее свет. Когда первые лазеры были созданы, компании Bell Telephone не понравилось это название, и они отказались его использовать, предпочитая оптический мазер. Это не имело успеха, и устройство стало известным как лазер.

Эту историю можно восстановить на основе показаний, в ряде судебных процессов о приоритетах изобретения этого устройства, начиная с октября 1957 г., когда Гордон Гоулд, согласно его собственным заявлениям, рассматривал возможность использования устройства типа Фабри—Перо в качестве резонатора лазера. В один из дней ему домой позвонил Таунс. Его кабинет был рядом с кабинетом Гоулда, на десятом этаже здания физического факультета Колумбийского университета. Таунс хотел получить информацию об очень ярких таллиевых лампах, которые Гоулд использовал в своей диссертационной работе. Таунс зарегистрировал этот телефонный разговор в своей записной книжке. После этого разговора Гоулд пришел в возбуждение, и бросился заканчивать свои исследования как можно быстрее. В пятницу 16 ноября 1957 г. Гоулд и его жена, которая также работала в Колумбийском университете, пошли к владельцу кондитерской лавки (он был публичным нотариусом, приятелем жены Гоулда и его семьи). Там тот заверил своей печатью первые девять страниц лабораторного журнала Гоулда, которые содержали работу «Некоторые грубые расчеты возможности лазерного усиления света с помощью вынужденного испускания излучения».

В заметках на более чем сотни страниц Гоулд предполагал заключить активную среду в трубку, длиной 1 м с двумя отражающими зеркалами (т.е. типичный резонатор Фабри—Перо). Он также рассматривал возможность помещения стеклянных окошек с точно обработанными, до долей длины волны, поверхностями, ориентированными под определенным углом, известным, как угол Брюстера. Стеклянная пластина, наклоненная по отношению к оси трубки под углом Брюстера, позволяет свету с определенной поляризацией проходить внутри трубки с отражениями от зеркал, но без ослабления. Это очень важно для лазера, поскольку стараются минимизировать потери внутри резонатора. Гоулд вывел условия генерации и получил правильный результат. Он упомянул об оптической накачке как о возможном методе возбуждения, который он обсуждал с Таунсом. Как возможную среду, он упоминал пары щелочных металлов, приводя в качестве примера пары калия, а затем рубин и некоторые редкие земли. Он ссылался также на накачку за счет столкновений в газовом разряде, упоминая смесь гелия и неона как одну из возможных газовых сред, которую можно возбудить. Затем он стал обсуждать большую серию применений в спектрометрии, интерферометрии и фотохимии, а также для усиления света в радарах, в системах связи и для термоядерного синтеза. На этой же странице он говорил о стандартах частоты и длины, которые можно будет сделать с помощью лазеров, о системах измерения профиля, об обработке материалов, технологиях сверления и резки, об активации химических реакций. Все это можно сделать с помощью лазерного света.

По иронии судьбы, именно Таунс надоумил Гоулда использовать подписанную записную книжку в качестве способа отстаивания приоритета изобретения! Одержимость Гоулда идеей лазера уже стоила ему многого. Его руководитель профессор П. Куш, по словам Гоулда, никогда не позволял ему отвлекаться от темы и заменять ее другой работой. Так что в марте 1958 г. Гоулд покинул Колумбию, не закончив диссертацию. Он поступил в Technical Research Group (TRG) Inc.

TRG была одной из тех американских компаний, которые возникли в период холодной войны и чьи интересы были сосредоточены на контрактах с военными ведомствами. Эту компанию организовали в 1953 г. три человека, имеющих докторские степени: один в области электроники, другой по физике и третий в прикладной математике. Сначала эта компания действовала как консультирующее агентство. В 1955 г. добавились лаборатории и мастерские. Главная работа касалась антенн и радаров, физики ядерных реакторов и управляемых снарядов. Но был также маленький контракт по мазерам и программе атомных стандартов частоты. Гоулд был принят для работы по этому последнему проекту. Поскольку он не закончил диссертации, компания предоставила ему некоторое свободное время до июля 1958 г. для завершения работы. Однако Гоулд использовал это время не для работы над диссертацией, а для работы над своим лазерным проектом.

Он исследовал большое число лазерных сред и методов возбуждения: оптическую накачку, возбуждение столкновениями с быстрыми электронами в газовом разряде, передачу возбуждение от одних атомов к другим (столкновение второго рода). В качестве среды он рассматривал пары калия, смесь калия с ртутью и гелием, цинк и таллий, возбуждаемых передачей энергии от криптона и ксенона, молекулы йода, накачиваемые светом от калиевой лампы, и сульфат европия в водном растворе, возбуждаемый оптически. Многие из его подходов были простыми предположениями, и он не работал глубоко над физикой процесса. Он также совершал много ошибок.

На судебном процессе 8 декабря 1965 г. в Вашингтоне д-р Алан Берман, физик, друг и партнер Гоулда по бриджу, свидетельствовал о разговоре, который он имел с Гоулдом в августе 1958 г., когда он был вместе с ним на пляже. Гоулд в то время работал в TRG. Берман обратил внимание, что Гоулд работает над лазером в ущерб диссертации. Он беспокоился о нем, видя, что он не делает никакой попытки опубликовать свои результаты нормальным образом, как это делают все физики, и добавил, что, по его мнению, это ненаучный путь. Стоит отметить, что если бы Гоулд последовал совету Бермана, он мог бы послать статью в Physical Review, которая была бы опубликована одновременно со статьей Шавлова и Таунса!

В сентябре 1958 г. Лоуренс Голмунц, президент TRG, узнал, что Гоулд тратит время, работая над частным проектом. Гоулд и Голмунц обсудили исследования по лазеру, и TRG забрала проект Гоулда в свою собственность. 16 декабря 1958 г. Голмунц запросил $ 200 000 от компании, которая владела 18% TRG. Еще $ 300 000 были запрошены от Агентства прогрессивных исследовательских проектов Пентагона, чтобы обеспечить работу Гоулда над лазером, который обещали использовать для оптического радара, определителя расстояний и систем связи.

По стечении обстоятельств, и Гоулд и Таунс, каждый держал в своих руках, в одно и то же время, работу другого. Гоулд получил копию работы Шавлова и Таунса от одного из сотрудников компании, а Таунс как правительственный консультант прочел 200-страничное предложение Агентства Пентагона. Другие эксперты также видели это предложение и дали положительный отзыв. В результате TRG получила $ 998 000 для проекта. Увеличение запрашиваемого финансирования было (и все еще есть) очень редким, если не сказать уникальным. Но Агентство было очень заинтересовано проблемой обороны с помощью противоракет, и лазер, хотя он еще и не существовал, был одним из тех средств, с помощью которых думали решить проблему. В результате было4 выделено повышенное финансирование с указанием ускоренной разработки всех видов предлагаемых лазеров, но работа была засекречена. Это было большой неудачей для Гоулда, поскольку он не обладал допуском и не мог работать над проектом. Дело в том, что в период Второй мировой войны он был членом марксистской группы, и на основание этого ему было отказано в допуске к закрытым работам. В результате он не мог вести проект, не мог читать отчеты и непосредственно участвовать в экспериментах. Он был лишь внешним консультантом исследовательской команды.