Алферов и лазеры. Как это было

В Париже, в особняке, построенном еще по указанию кардинала Мазарини, представители Академий наук Франции и России провели совместное заседание, посвященное 50-летию создания первого в мире лазера. А в Институте Франции состоялась торжественная церемония вручения российскому физику, лауреату Нобелевской премии, одному из пионеров создания лазеров, академику Жоресу Алферову высшей награды французского Национального центра научных исследований. По окончании церемонии Алферов выступил с докладом «Лазеры и их применение», в котором подробно остановился на истории создания этого важнейшего для современной науки инструмента и на перспективах его дальнейшего использования.

Что такое LAZER? По-научному — усилитель света с помощью вынужденного излучения. Презентация первого в мире лазера состоялась летом 1960 года. Его создателем был инженер Теодор Мейман. Используя в качестве активной среды рубин, он первым создал источник излучения, теоретические основы которого были разработаны еще в 1917 году Альбертом Эйнштейном.

А в марте 1963 года свой первый патент в области гетеропереходов получил никому тогда не известный инженер из Ленинграда Жорес Алфёров. Изобретение мало кто мог оценить. Рассказывают, что для демонстрации работы лазера в патентной комиссии СССР Алферову и его коллегам пришлось «окрасить» прибор в красный цвет. И тогда «пролетарский» лазер был утвержден. Ученые добились того, что заработал полупроводниковый лазер, который теперь применяется в оптико-волоконной связи и в проигрывателях компакт-дисков.

Гетеропереходы в полупроводниках – это когда в контакт приведены два или несколько различных по химическому составу полупроводников. Реализация полупроводниковых устройств на основе гетероструктур позволяла бы создавать чрезвычайно мощные и очень компактные конструкции. Загвоздка, которую очень долго не удавалось преодолеть экспериментаторам, была в малом: подобрать идеально подходящие по размерам кристаллической решетки различные полупроводники. Заслуга Алферова как раз в том, что ему первому удалось решить эту проблему.

В одном из своих интервью Алферов рассказывал о том, как это было. «Идеи использования гетероструктур возникли в начале 60-х годов у нас, в Физико-техническом институте, в моей группе. Мы показали, что для большинства полупроводниковых приборов необходимо строить полупроводниковые кристаллы из сложных химических композиций, когда он остается единым монокристаллом, но основные его свойства меняются внутри кристалла на расстояниях, исчисляемых долями микрона, а часто и на нескольких постоянных кристаллической решетки. Подобные идеи поначалу казались некоторым ученым противоречащими физическим принципам или, во всяком случае, совершенно нереальными практически», — пояснял Алферов.

Когда он впервые рассказал об этом в 1964 году на конференции в Париже, то один из крупнейших американских специалистов и хороший знакомый Алферова, доверительно сказал ему: «Это все бумажные патенты, Жорес, они никогда не будут реализованы». Однако в 1967 году Алферов и его коллеги все это реализовали. А в 1970 году был создан первый в мире полупроводниковый лазер, способный работать непрерывно при комнатной температуре. «Именно такой сложный «сэндвич» из самых различных материалов, представляющий собой единый кристалл, стал сердцем волоконно-оптической связи, он передает световыми сигналами десятки миллионов телефонных разговоров», — рассказывает Алферов. В 1970 году в СССР на основе гетероструктур были созданы уже солнечные батареи.

Интересен такой факт из жизни ученого и его изобретения, случившийся в 1969 году, во время его первой поездки в США. Там, на международной конференции он выступил с докладом, в котором перечислил параметры созданных лазеров на основе двойных гетероструктур. «Доклад произвел на американских коллег впечатление разорвавшейся бомбы», — вспоминает Алферов. До этого, за полчаса до доклада, американцы сообщили ему, что для его визита в одну из компаний у них нет разрешения, и визит не состоится. Но сразу после доклада, Алферову сообщили, что разрешение получено и в компании его ждут. «И тогда я не отказал себе в удовольствии ответить, что я занят, и для визита у меня нет времени», — рассказывает Алферов.

За фундаментальные исследования полупроводниковых гетероструктур и создание новых устройств на их основе в 1972 году Алферов с коллегами был удостоен самой высокой награды СССР в области науки – Ленинской премии.

Открытие Алферовым идеальных гетеропереходов и ряда новых физических явлений позволило не только улучшить параметры известных полупроводниковых приборов, но и создать принципиально новые приборы, перспективные для применения в оптической и квантовой электронике. Именно за пионерские работы по гетероструктурам начала 1960-х годов, приведшие к получению вышеупомянутых результатов, Жорес Иванович стал нобелевским лауреатом.

В 2000 году ему, совместно с американскими учеными Гербертом Кремером и Джеком Килби была присуждена Нобелевская премия по физике за разработки в области современной информационной технологии («за исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерные диоды и сверхбыстрые транзисторы»).

Благодаря открытию Алферова, Кремера и Килби, были созданы быстрые транзисторы, которые используются в радиоспутниковой связи и мобильных телефонах. Лазерные диоды, сконструированные на основе новой технологии, передают информационные потоки посредством оптических сетей.

Итоги исследований Жореса Алферова легли в основу ряда новых научных и технических направлений. Некоторые из них продолжают развиваться под его научным руководством в отраслевых институтах или переданы в производство. Быстрые транзисторы, использующие полупроводниковые гетероструктуры, и лазерные диоды, построенные на тех же принципах в оптоволоконных линиях связи, применяются в СD-плеерах и сканерах. Пригодились гетеропереходы и в космонавтике. С использованием разработанной Алферовым в 1970- х годах технологии, в НПО «Квант» впервые в мире было создано крупномасштабное производство гетероструктурных радиационно-стойких солнечных элементов для космических батарей. Установленные в 1986 году на базовом модуле орбитальной станции «Мир», они успешно проработали весь срок эксплуатации.

Сегодня без лазера невозможно представить практически ни один вид деятельности человека. Специалисты насчитали 50 отраслей знаний, в которых применяется лазер. Это медицина, безопасность, в том числе — компьютерная, экология, в частности — воспроизводство энергии, воды, чистого воздуха. Лазеры обрели популярность не только среди ученых и инженеров. Они появились на страницах комиксов и рассказов писателей-фантастов. Например, Джеймса Бонда его враги пытались распилить на части мощным лазером.

В производстве лазеры стали использоваться для резки самых разных материалов, сверления отверстий, гравировки. Они незаменимы при работе с очень твердыми металлами, например, алмазами, и при работе со сверхмягкими материалами, например, с такими, из которых изготавливают детские соски. Лазеры помогают сваривать и резать различные пластмассы. Лазеры широко используются в медицине. Наиболее известно их применение при операциях, в частности – при операциях на глазах, когда офтальмолог избавлен от необходимости разрезать глазное яблоко. Медицинские лазеры используются для коррекции зрения, обесцвечивания родимых пятен, и даже — нанесения татуировок.
Лазеры могут быть применены в решении такой проблемы, как ядерный синтез. Они продолжат завоевывать свое место и в изготовлении, распространении массовой информации. Сегодняшний рынок лазерных технологий специалисты оценивает в миллиардах долларов.

Наконец, по мнению специалистов, одной из целей развития лазерных технологий может стать лазерный синтез. Другое направление развития — супермощные лазеры. Сейчас идет работа над Ultra лазером высокой пиковой мощности импульса — с одного миллиарда гигаватт. Одним из возможных приложений таких лазеров является поддержка ускорителей частиц. Еще одной интересной точкой развития является самый большой лазер в мире в Ливерморской национальной лаборатории размером в три футбольных поля.

Казалось бы, хватит. Но Алферов, по его признанию, мечтает не о гигантских лазерах, а о компактном лазерном телевизоре. «Мне с самого начала, еще почти 50 лет тому назад, хотелось сделать телевизор на полупроводниковых лазерах. Но прошло 50 лет, а его так и не сделали. Но я все-таки надеюсь…» — признается ученый.

По его словам, будущий аппарат, если его сделают, будет дешевым и компактным. Его можно будет носить как мобильный телефон в кармане.

«Нужно иметь три (лазерных) источника — красный, зеленый и синий. Красный есть — все в порядке! Синий — близко, а с зеленым за эти почти 50 лет так и не получается», — признается Алферов. Согласитесь, в таком признании звучит надежда на то, что все получится.