Квантовая (атомная) электроника

Основы квантовой теории заложил М. Планк своим открытием дискретности излучения и поглощения света веществом. В декабре 1975 г. исполнилось 75 лет со дня открытия Планком кванта действия. Это открытие наряду с теорией относительности ознаменовало конец эпохи классической физики и начало новой эры в развитии физики.

"Уже греки поняли атомистическую природу материи, и эта концепция была возведена до высокой степени вероятности учеными XIX столетия, - писал А.Эйнштейн. - Но именно закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных величин атомов, независимо от других предложений. Больше того, он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной, введенной Планком.

Это открытие стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Без этого открытия было бы невозможно установить действенную теорию молекул и атомов и энергетических процессов, управляющих их превращениями. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики".

Позже создалось представление о двойственности природы электромагнитной радиации. В 1924 г. Л. де Бройль высказал смелое предположение, что природа частиц материи тоже двойственна, т. е. волновые свойства присущи и частицам вещества. В работах Д. Шредингера, В. Гейзенберга, П. Дирака и Н. Бора волновая механика и квантовая электродинамика объединяют эти, казалось бы, непримиримые представления.

П. Дирак подвел под концепцию квантовой теории прочную математическую основу. Он создал релятивистское волновое уравнение, предсказав существование маг-кмтного момента у электрона, установил новую физическую величину - спин.

В основе работы квантовых генераторов лежит предсказанное в 1916 г. Л. Эйнштейном физическое явление - принцип индуцированного излучения. Ом в равной мере распространяется на излучение молекул, атомов и атомных ядер.

До 1950 г. перед специалистами, занимавшимися электроникой, казалось, стояла неприступная крепость. Электронные приборы, успешно покорившие сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн, не могли овладеть наиболее короткими волнами - субмиллиметровыми. Под силу это стало лишь атомной, или квантовой, электронике, в основу которой легли открытия и изобретения ученых нашей Родины.

В квантовой электронике роль радиопередатчиков выполняют атомы, причем они излучают не радиоволны, а еще более короткие волны - световые. Речь идет не об обычном - спонтанном - свете, излучаемом атомами во всех направлениях, например таком, который дарит нам Солнце или электрическая лампочка. На службу человеку пришел направленный пучок волн - нерассеивающийся остронаправленный луч. Это так называемое когерентное излучение, т. е. излучение, упорядоченное в пространстве и времени.

С помощью квантового генератора обычный свет можно преобразовать в когерентное излучение, в тысячи ра,з более концентрированное и одноцветное (монохроматическое). Мощный луч квантового генератора очень слабо рассеивается. В таком луче фотоны движутся в одном направлении. Если хорошо сфокусировать, "сжать" такой луч, можно получить температуру в несколько миллионов градусов и давление в миллионы атмосфер. Понятно, какие фантастические возможности таит в себе когерентное излучение.

Явление усиления электромагнитных волн (когерентное излучение)

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). Оно внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 12 с приоритетом от 18 июня 1951 г. Авторам его вручены дипломы со следующей формулой 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 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.

В 1951 г. авторы открытия получили авторские свидетельства на два изобретения: "Способ усиления электромагнитных волн" и "Использование многократных прохождений усиливаемой электромагнитной волны в неравновесных средах".

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 нашего 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, кибернетики и многое другое.

"Работы по квантовым генераторам академиков А. М. Прохорова и Н. Г. Басова,- отмечал в своей речи на XXV съезде КПСС президент АН СССР А. П. Александров,- открыли новые возможности в целом ряде отраслей... Лазерным лучом делают отверстия в камнях для часов, заживляют раны. Лазеры применяются для сварки, резки металлов, для локации, посадки самолетов в сложных условиях и т. д. Вот что дает фундаментальная наука. Много получается таких "боковых выходов", которые часто совершенно невозможно предсказать" ("Правда", 1976, 27 февраля).

В начале 60-х гг. за научные исследования и создание квантовых генераторов коротких, радиоволн советские ученые академик А. М. Прохоров, академик Н. Г. Басов и американский ученый Ч. Таунс получили Нобелевскую премию.

Не умаляя значения работ указанных физиков, следует отметить, что в некоторых зарубежных и советских 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.

Название "лазер" квантовому усилителю дано в 60-е гг. 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.

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 годы в СССР и в других странах.

На основе методов квантовой электроники будут созданы новые способы космической локации и навигации, новые процессы обработки необычных материалов. Использование квантовых генераторов в оптическом диапазоне позволит 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 неоди-мового 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. Топок пучок сиета, но перед ним не устоит и алмаз: луч просверливает ото oза доли миллисекунды.

"С появлением квантовых генераторов, - рассказывал Р. В. 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 собственны з 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 АН СССР создан газовый электроиоинзаЦионный 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.

Тот, кто побывает в павильоне ВДНХ "Электроника" и др., может увидеть многочисленное семейство квантовых оптических приборов с официальными маловыразительными названиями, например ГОР-10, ГОР-100, ГОР-300 или ГОС-300, ГОС-1000. Начальные буквы названий открывают путь к "сердцу" прибора: "генератор оптический на рубине", "генератор оптический на стекле". А цифры обозначают энергию, которая возникает при каждой вспышке такого устройства: 10, 100, 300, 1000 Дж. Названия генераторов, дающих одиночные мощные импульсы, таких, как ОГМ-20, ОГМ-40 - "оптический генератор моноимпульсный", - означают, что в их импульсах сконцентрирована огромная мощность в 20 и 40 МВт.

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 АН БССР Б. И. Степанова создан лазер на красителях с настраиваемой частотой в широкой области спектра. Он получил название "Радуга".

Идею нового - газодинамического - лазера предложили академик А. М. Прохоров и доктор физико-математических наук В. К. Конюхов. Представьте себе ракетный двигатель, 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 советским 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, предсказанное теоретически академиком Г. И. Будкером еще в 50-х гг., 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" есть еще и много других.

Важные работы по мощным пучкам проводятся под руководством профессора, доктора технических наук Г. А. Месяца в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР. Здесь было создано несколько новых генераторов, которые демонстрировались на выставке приборов Сибирского отделения АН СССР в Новосибирске. Некоторые из них уже внедрены в институтах Москвы, Ленинграда, Томска. На изобретенные Г. А. Месяцем и сотрудниками этого института приборы и их элементы получен ряд авторских свидетельств.

Когерентный луч - средство связи, исследователь космоса и земной атмосферы

"Для техники связи, - рассказывает академик А. М. Прохоров, - очень существенно увеличение частоты колебаний волны, несущей информацию. Если при длине волны 10 м можно с трудом осуществить один телевизионный канал, а при длине волны 1 м может существовать 5-10 каналов, то длина волны 1 мк расширяет передающий диапазон до 5-10 млн. каналов".

В настоящее время количество телефонов на нашей планете значительно превысило 200 млн. Телефонные разговоры передаются по воздушным проводам, подземным кабелям, радиорелейным линиям и посредством спутников связи. Ученые и конструкторы ищут новые средства, позволяющие увеличить пропускную способность линий связи. Создание квантовых генераторов оптического диапазона волн вызвало большой интерес специалистов, разрабатывающих средства связи. Ведь, по теоретическим расчетам, один луч квантового генератора может обеспечить передачу около 10 млн. телеграмм и телефонных разговоров. Подсчитано, что линия телефонной связи Земли с Марсом, протяженность которой составит 100 млн. км, может надежно работать на квантовых генераторах мощностью излучения всего 10 Вт.

Несколько лет назад на глазах у многих москвичей красный световой луч прорезал воздушное пространство от Ленинских гор до Зубовской площади. Впервые в мире ученые и инженеры, специалисты из Центрального научно-исследовательского института связи, проверяли, как будет действовать дотоле невиданная телефонная связь, осуществляемая не по проводам, а по лучу, испускаемому оптическим квантовым генератором. Наблюдавшие опыт отметили, что при разговоре по телефону не было неприятных потрескиваний и шумов, какие случаются при обычном способе связи. Казалось, абонент находится рядом с говорящим.

Преимущества связи с помощью луча квантового генератора очевидны: квантовый генератор обладает достаточно высокой частотой излучения. И чем она выше (а это зависит от рабочего вещества генератора), тем больше, как уже упоминалось, сеть каналов для одновременной передачи. Особенностью такого луча является его параллельность, чрезвычайно малый угол расхождения, отличная монохроматичность. Передачу телепрограмм по такому лучу можно вести на значительном расстоянии.

Однако наладить массовую связь по световому лучу не так-то легко: на ее качество влияет атмосфера - мельчайшие капельки жидкости и твердые частички пыли, воздушные вихри, которые ослабляют и рассеивают луч.

Ученые и специалисты Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и некоторых других организаций работают над совершенствованием световодов, внутри которых можно будет "спрятать" когерентный луч, благодаря чему на его пути не будет препятствий. Сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством академика А. М. Прохорова создают световоды с малыми потерями. Отрабатывая технологию, пробуя различные легирующие присадки, они в содружестве с группой специалистов из Института химии АН СССР, работающих под руководством академика Г. Г. Девятых, создали сверхпрозрачное стекло, способное вытягиваться в длинные гибкие волокна. По одному лазерному лучу могут одновременно говорить до 4 тыс. абонентов. А по пучку стеклянных трубок общей толщиной не более карандаша с помощью лазерного луча можно будет передавать сотни тысяч телефонных разговоров.

Огромные перспективы перед этой связью открываются в космосе, где нет атмосферных помех. В течение секунды с третью луч достигает Луны, проходя около 400 тыс. км. Короткий, длительностью всего в миллиардную долю секунды, световой импульс, посланный в атмосферу световым локатором, при отражении может доставить из ее глубины важные сведения о температуре воздуха, концентрации газов, скорости ветра на разных высотах. При помощи нескольких световых импульсов можно определить содержание воды в облаке и уточнить время, когда возможны осадки.

Зондирующие световые локаторы позволяют точно прогнозировать погоду. Первый метеорологический световой локатор был создан в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР. С помощью такого локатора путем дистанционного светового зондирования воздушной оболочки Земли получают ценную информацию из атмосферы, в частности сведения об оптической плотности облаков, об особенностях их развития с момента образования до исчезновения. Исследуются взаимосвязи^ отраженного эхо-сигнала с оптическими характеристиками облаков для выяснения микрофизических свойств облаков, их состава и структуры.

"Световое зондирование атмосферы, осуществляемое с целью более глубокого проникновения в "кухню погоды", весьма перспективно, - рассказывает член-корреспондент АН СССР директор Института оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР В. Е. Зуев. - Идея нового метода довольно проста. В метеорологическом световом локаторе используется следующее явление: короткий импульс света, направленный в атмосферу, встречается с молекулами газов, способными поглотить его энергию, и с частицами атмосферных аэрозолей, которые рассеивают свет. Часть излучения возвращается на Землю и регистрируется специальными устройствами. Расшифрованная запись светового "эха" позволяет в принципе получить данные о самых разных характеристиках атмосферы, которые определяют формирование погоды. Информация поступает в распоряжение специалистов практически мгновенно. А это обеспечивает исследование динамики быстропротекающих атмосферных процессов, например северного полярного сияния, ураганов, тайфунов".

Оптические локаторы малогабаритны и легко могут быть автоматизированы. Это позволяет устанавливать их в местах, непригодных или неудобных для длительного пребывания человека. Сейчас коллектив Института оптики атмосферы работает над созданием новых, более современных систем оптического зондирования.

В Центральной аэрологической обсерватории гидрометеослужбы СССР с помощью лазеров измерили плотность нижней земной атмосферы. Полученные данные хорошо согласуются с результатами одновременных измерений плотности с помощью радиозондов.

"Успешное прогнозирование,- рассказывает один из авторов открытия "Свойства атмосферы Земли" О. К. Костко, - нуждается в данных состояния атмосферы во многих точках Земли в разное время суток. В пределах территории нашей страны радиозондирование проводится более чем на 200 метеостанциях. Несколько раз в сутки радиозонды - шары-пилоты, наполненные водородом, - с подвешенными к ним приборами поднимаются на высоту до 30 км. С Земли принимается информация о состоянии атмосферы.

К сожалению, радиозонды и метеорологические ракеты - приборы однократного действия. Запущенная в земную атмосферу сложная и дорогая аппаратура не может быть использована для повторных измерений. При падении на земную поверхность приборы выходят из строя. К тому же поиск упавших приборов практически невозможен.

Поэтому стали искать дистанционные бесконтактные способы определения свойств атмосферы. Исследования были начаты в радиодиапазоне с помощью радиолокаторов, а с появлением лазеров - и в оптическом диапазоне частот.

Распространяясь в земной атмосфере, лазерный луч рассеивается аэрозолями - твердыми частицами или каплями. Выше 10 км загрязненность атмосферы уменьшается. Но существуют области повышенной концентрации частиц, например на высотах между 20 и 30 км.

Лазерный луч рассеивается и за счет колебаний молекулярной плотности в земной атмосфере. Такой вид рассеяния называют молекулярным или рэлеевским - по имени английского физика Джона Рэлея, установившего законы рассеяния света. Интенсивность молекулярного рассеяния пропорциональна общей плотности атмосферы. Прослеживая на разных высотах рассеяние лазерного луча и разделяя общее рассеяние на аэрозольное и молекулярное, можно определить профиль плотности атмосферы. Один из методов разделения типов рассеяния и определения плотности атмосферы с помощью лазерного локатора разработан в Центральной аэрологической обсерватории Главного управления гидрометеослужбы СССР".

Сотрудниками этой обсерватории создан локатор с двумя передатчиками-лазерами. "Лазеры посылали в атмосферу красные и невидимые инфракрасные лучи с длинами волн 0,7 и 1,06 мк. Эксперименты позволили узнать профиль концентрации аэрозолей на высотах 20-30 км. Основным результатом экспериментов стало определение плотности атмосферы до высоты 12 км.

Квантовая технология

Предприятия электронной промышленности изготовляют станки и автоматы и для технологических целей. Широкое распространение получили станки для обработки рубиновых подшипников для часовой промышленности и для изготовления алмазных фильер для протягивания проволоки. Применение этих станков дает значительный экономический эффект, точность изготовления деталей существенно повышается. Использование лазера для пробивания калиброванных отверстий в алмазе сократило трудовые затраты с 24 ч до 8 мин.

Внедряются станки с применением лазеров на углекислом газе для резки кварцевых и стеклянных труб, гравировки изделий из хрусталя и стекла. Лазеры начинают применяться и в полиграфической промышленности для изготовления типографских клише. Лазеры на углекислом газе используются для раскроя синтетических, шерстяных, шелковых и других материалов. При этом возможно электронное управление кроем, гибкое управление фасоном и размером изделий при массовом поточном характере производства.

Поистине неограниченны возможности использования лазеров в технологических операциях, требующих визуального контроля. Луч, работающий как миниатюрный локатор, с большой скоростью и точностью обнаруживает дефекты в изделиях. Автоматизация подобных работ существенно повышает производительность труда и освобождает людей от рутинной и утомительной деятельности.

Лазерная химия

Лазерная химия родилась в начале 70-х гг. в совместных работах Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и отраслевых химических институтов. В ее основе лежит идея стимулировать химическую активность веществ, ослабляя или разрывая атомные связи с помощью лазера.

"Каждый атом или группа атомов в сложной молекуле, - рассказывают академик Н. Г. Басов и доктор физико-математических наук О. Н. Крохин, - представляет собой сложную колебательную систему с характерными для нее частотами колебаний. Если частота лазерного луча попадает в резонанс с одним из этих колебаний, он способен "раскачать" или разорвать определенную атомную связь, даже самую прочную, создавая химически активные обломки молекул. Собственно говоря, то же происходит и при обычном нагреве химических веществ. Однако там в первую очередь рвутся наиболее слабые связи внутри молекул. Лазер же позволяет разрывать молекулы в наперед заданном месте. При этом активными становятся те группы атомов, которые при обычном нагреве никогда не вступают во взаимодействия. Таким образом, лазерный катализ можно применять по намеченному плану, обходя естественную химическую активность веществ, и получать заданные сочетания атомов. Такой метод позволит реализовать химические реакции, которые еще недавно казались немыслимыми. Перед наукой открываются удивительные горизонты - возможность управлять процессами на атомно-молекулярном уровне, активно вмешиваться в химико-биологические явления".

Новый метод разделения изотопов впервые в мире разработан в лаборатории квантовой радиофизики Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством академика Н. Г. Басова.

Лазеры предоставляют уникальную возможность проникать в смесь, состоящую из многих соединений, и избирательно осуществлять только одну реакцию. Это способно революционизировать химию.

Еще одна область применения лазеров - контроль эа сохранением окружающей среды, в частности за степенью загрязнения атмосферы. Непрерывную информацию о составе воздуха можно получать, используя ЭВМ для анализа светового луча, проходящего через камеру, заполняемую пробами воздуха.

Когерентный луч - помощник строителя и маркшейдера

Впервые под землей газовый квантовый генератор был применен в московском строительстве несколько лет назад при прокладке тоннеля для коллектора реки Неглинки от Зарядья до площади Революции. Луч квантового генератора становится верным помощником строителей. По "вертикальному направлению луча можно устанавливать и выверять каркасы высотных зданий, центровать колонны, поднимать вышки телебашен. По горизонтально направленному лучу строители прокладывают траншеи для трубопроводов, тоннели. С его помощью укладывают стальные рельсы железных дорог. Луч, как натянутый шнур, указывает направление и уклон при землеройных работах. Такой "шнур" не мешает экскаваторщикам, не рвется, дает возможность работать с высокой точностью.

Когерентный луч стал использоваться в штреках вместо горняцкого теодолита. Он оказался незаменимым при прокладке магистральных конвейеров в горизонтальных выработках. Лазерный указатель направлений "Лун-3" создан учеными Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела. Он успешно выдержал испытания на шахте "Эстония".

Лазерная агротехника

В Восточноказахстанской области сотни гектаров засеяны необычными семенами - зернами пшеницы и ячменя, обработанными лучом лазера. Опыт такого масштаба ставится впервые.

"Исследование биоэнергетических процессов у растений, животных и человека мы ведем давно, - рассказывает заведующий кафедрой биофизики Казахского государственного университета, доктор биологических наук В. М. Инюшин. - В результате многочисленных экспериментов нам удалось разработать новые приемы резонансной биостимуляции этих процессов. Установлено, что даже кратковременное воздействие лазерным лучом на живые организмы вызывает значительный эффект. В частности, предпосевная обработка семян монохроматическим светом дает заметную прибавку урожая, повышает качество сельскохозяйственной продукции. Так, содержание сахара в свекле увеличивается на 0,5-1%, в овощах накапливается больше витамина G. Луч лазера эффективен в борьбе с вредителями растений, например с головней. Опыты, которые мы проводили на полях Алма-Атинской области, показали, что резонансная стимуляция увеличивает доход с каждого гектара угодий в среднем на 8-10 тыс. руб. Вот почему решено было перейти к более широким испытаниям в различных почвенно-климатиче-ских зонах.

На кафедре созданы разные варианты лазерных установок - некоторые из них способны обрабатывать по 50 т зерна в час. Это значит, что уже сегодня можно обеспечить "активированными" семенами сотни тысяч гектаров. Так что распространение нового метода зависит не столько от технической базы, сколько от поддержки нового метода работниками сельского хозяйства. А интерес к лазерной агротехнике проявляется немалый".

В теплично-парниковом хозяйстве совхоза имени XXIII съезда партии лазерный луч используется при выращивании огурцов. Плоды становятся крепче, ровнее, на растениях гораздо больше завязей. Решено проверить, как влияет лазерное облучение на молодые всходы.

Луч квантового генератора в медицине

Когерентный луч можно сфокусировать до толщины волоса. Он абсолютно стерилен и обладает очень важным для медицины свойством - избирательностью действия. Свойство избирательности по цвету наглядно демонстрируется на простейшем опыте с двойным воздушным шариком. Если вложить, например, зеленую резиновую оболочку внутрь бесцветной и надуть их, то при действии луча квантового генератора на шар разрывается лишь его внутренняя оболочка. Зеленый цвет способствует поглощению излучения рубинового луча. Прозрачная наружная оболочка остается невредимой.

Всему миру известны успехи окулистов-хирургов Одессы, Москвы и Ленинграда, научившихся возвращать зрение в случаях отслоения сетчатки глаза. Прежде люди с таким заболеванием были обречены на слепоту. Теперь тонкий направленный луч квантового генератора за тысячную долю секунды как бы приваривает сетчатку к глазному дну, и человек снова становится зрячим. Попадая в глаз, когерентный луч небольшой энергетической плотности проходит через прозрачные среды, не повреждая их, и, лишь достигнув глазного дна, поглощается темноокрашенными клетками сетчатой оболочки. Строго дозированный ожог глазного дна лучом квантового Генератора используется советскими офтальмологами не только для "приваривания" отслоившейся сетчатки, но и для разрушения внутриглазных опухолей. Способностью луча избирательно поглощаться окрашенными тканями пользуются и в дерматологии. С его помощью удаляют разного рода пигментные пятна и т. п.

Врачи ищут эффективный способ борьбы с глаукомой - одним из самых грозных глазных заболеваний. Новейшая методика лечения глаукомы разработана в проблемной лаборатории микрохирургии глаза 2-го Московского медицинского института. Суть операции, предложенной членом-корреспондентом АМН СССР, профессором М. М. Красновым, состоит в том, что когерентный луч направляется в угол передней камеры глаза. Образующийся при этом микроскопический канал открывает отток для внутриглазной жидкости. Внутриглазное давление уменьшается.

В Институте хирургии имени А. В. Вишневского разработан специальный электронный прибор для операций желудка, сердца и других внутренних- органов. Эксперименты, проведенные на животных, дали обнадеживающие результаты. Новая установка появилась также в операционной Московского научно-исследовательского онкологического института имени П. А. Герцена. Она оборудована механооптической системой управления когерентным лучом. Через гибкий зеркальный световод инфракрасный луч попадает в наконечник, снабженный линзой. В ходе операции хирург может фокусировать луч и свободно перемещать наконечник.

Прямое действие световых лучей используется для уничтожения предраковых кожных опухолей. Генератор настраивается на определенную частоту, при которой луч поглощается темной тканью и отражается светлой - ведь предраковые и раковые кожные опухоли зачастую бывают темного цвета (в противном случае они могут быть специально окрашены в. этот цвет). Мощный луч быстро разрушает потенциально злокачественную ткань, а его тепло "спаивает" порванные кровеносные сосуды.

От хирургов и онкологов когерентный луч, словно эстафету, приняли терапевты. В Казахском государственном университете создана специальная аппаратура для облучения больного человека красными лучами маломощного газового квантового генератора. При действии этих лучей на солнечное сплетение повышается артериальное давление. Когерентный свет стимулирует функцию щитовидной железы, укрепляет нервную систему и улучшает состав крови. Оказалось, что когерентный луч может с успехом заменить бормашину. В Центральном НИИ стоматологии в Москве проведены первые опыты по удалению с помощью "световой иглы" поврежденной кариесом эмали зуба. Луч выбирает темные, пораженные участки зуба. Обработка эмали происходит настолько быстро, что пациент не чувствует боли. Целостность зубного нерва не нарушается.

Академик Р. Е. Кавецкий и Н. Д. Гамалея, рассказывая об экспериментах, проведенных в Институте проблем онкологии АИ УССР, отмечают широкие хирургические возможности квантовых генераторов. "Наряду с установками, генерирующими энергию в виде коротких мощных вспышек, - говорят они, - существуют и такие, что излучают свет непрерывным потоком. Их луч способен рассекать ткани, выполняя функции скальпеля. Первые образцы своеобразного советского скальпеля уже созданы и испытываются в Московском научно-исследовательском онкологическом институте имени П. А. Герцена, на кафедре оперативной хирургии Ленинградского института усовершенствования врачей и в "Институте проблем онкологии АН УССР. Когерентный луч не только отсекает пораженные ткани, но и как бы заплавляет встречающиеся по ходу разреза сосуды, сводя кровотечение к минимуму. Эта его особенность может иметь большое значение для операций "а внутренних органах с интенсивным кровоснабжением. Она зарождает у хирургов надежду на осуществление их давней мечты о бескровных операциях".

Специалисты стремятся использовать когерентный луч для ряда бескровных хирургических операций, начиная с удаления миндалин и злокачественных опухолей и кончая лечением кровоточащих язв.

Светогидравлический эффект

Инженерам хорошо известен так называемый электрогидравлический эффект, впервые примененный изобретателем Л. А. Юткиным. Если в сосуд, наполненный водой, опустить два электрода и образовать между ними электрическую искру, возникнет мощный гидравлический импульс. Удар будет настолько силен, что сосуд может не выдержать и разорваться. Такие гидравлические импульсы используются для упрочнения материалов, штамповки и т. п. До сих пор источниками создания этих импульсов были либо электрическая искра, либо подводный взрыв, либо удар быстро летящего тела.

Советские физики установили, что мощные гидравлические волны можно получать, используя луч квантового генератора. Открытие было сделано учеными Физического института АН СССР имени П. Н. Лебедева академиком А. М. Прохоровым и. кандидатами физико-математических наук Г. А. Аскарьяном и Г. П. Шипуло. Они обнаружили, что, если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, возникнет еветогидрав-лический удар. Для того чтобы усилить взаимодействие луча света с жидкостью, ученые фокусировали луч в жидкости, погружали в нее тела, поглощающие свет, подкрашивали ее. Все это значительно увеличивало интенсивность гидравлических импульсов. Даже при средних мощностях квантовых генераторов были получены сильные гидравлические удары с выбросом жидкости на большие расстояния. Погруженные в жидкость тела при этом оказывались сильно деформированными. Характерно, что резкое выделение энергии приходилось на очень короткий промежуток времени. Ведь длительность импульсов у современных квантовых генераторов в тысячи раз меньше, чем у всех известных источников возбуждения гидравлических волн.

Пока еще не удалось полностью объяснить механизма поглощения светя. Однако с помощью светогидравлического эффекта получены ударные волны с давлением, доходящим до миллиона атмосфер, и это имеет большое практическое значение. По-видимому, открытие даст возможность получать мощные гидравлические ударные импульсы и использовать их, например, для штамповки, обработки и упрочнения материалов, для ударной сварки и т. д. Светогидравлический эффект очень важен для микроэлектроники, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают применение электродов, и т. д. Используя Светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать гидравлические и ультразвуковые импульсы лучом света, падающим на поверхность воды.

Описанное открытие зарегистрировано под № 65 с приоритетом от 28 февраля 1963 г. Авторам открытия вручены дипломы со следующей его формулой:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения гидравлического ударного импульса при поглощении внутри жидкости светового луча квантового генератора (Светогидравлический эффект)".

Эффект самофокусировки

Давно сложилось представление о том, что луч света, проходя через воздух, воду или любое другое вещество, расширяется и образует тем большее "расплывчатое пятно", чем большее расстояние он прошел. Однако в 1961 г. молодой советский ученый Г. А. Аскарьян теоретически доказал, что, если мощность луча достаточно велика, он может изменить свойства среды и перестает расходиться (расширяться), фокусируя сам себя. При этом луч распространяется по созданному им световоду. Такой световод уменьшает сечение луча. Открытое им явление автор назвал эффектом самофокусировки луча.

Экспериментально этот эффект подтвердили физики МГУ Н. Ф. Пилипецкий и другие, которые пропускали луч квантового генератора через кюветы с различными органическими жидкостями и во всех случаях наблюдали описанное явление.

Исследуя эффект самофокусировки, Г. А. Аскарьян совместно с сотрудниками горьковского Научно-исследовательского радиофизического института В. И. Талановым и А. Г. Литваком пришел к выводу, что можно так увязать между собой оптические свойства среды и энергию луча, что поток энергии либо создаст собственный канал распространения - волновод, либо сфокусируется в точку, мгновенно высвобождая свою энергию.

Аналогичные теоретические работы в других странах, в том числе и в США, появились лишь в конце 1964 г. В 1965 г. автор первой зарубежной статьи по самофокусировке луча лауреат Нобелевской премии Ч. Таунс признал в печати приоритет работ советских ученых в данной области. Поэтому представляется странным тот факт, что Таунсу был выдан патент США на самофокусирующийся волновод, хотя заявка на патент (1965 г.) подана им на четыре года позже первых советских работ по самофокусировке.

В 1965 г. Г. А. Аскарьян доказал, что самофокусироваться могут не только свет, радиоволны и другие электромагнитные излучения, но и звуковые и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными лучами квантовых генераторов или другими источниками в плотной среде. Это связано с волноводным самосжатием луча.

Практическое значение эффекта самофокусировки состоит в том, что с его помощью можно передавать концентрированную лучевую энергию на большое расстояние, фокусировать излучение на удаленном объекте, получать излучение большой концентрации и, следовательно, уменьшать или увеличивать разрушающее действие луча. С помощью эффекта самофокусировки были объяснены многие прежде непонятные аномалии в процессах, протекающих под воздействием мощного когерентного луча на вещество.

В последнее время в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР и в горьковском Научно-исследовательском радиофизическом институте проведены экспериментальные исследования по самофокусировке мощных радиоволн в плазме и смоделированы процессы самофокусировки, которые могут протекать в ионосфере.

Открытый эффект положил начало новому направлению в нелинейной оптике и нелинейной акустике.

Открытие зарегистрировано под № 67 по двум датам: 22 декабря 1961 г. (фокусировка электромагнитных лучей) и 8 июня 1966 г. (самофокусировка звуковых, ультра- и гиперзвуковых лучей). Г. А. Аскарьяну вручен диплом со следующей формулой открытия:

"Теоретически установлено неизвестное ранее явление самофокусировки электромагнитных и звуковых лучей, заключающееся в уменьшении расходимости (или увеличении сходимости) лучей из-за появления поперечного градиента нелинейного показателя преломления и возникновения нелинейного волновода, уменьшающего сечение пучка".

Явление многофокусности волнового пучка в нелинейной среде

Кандидат физико-математических наук А. Л. Дыщко (Вычислительный центр АН СССР), кандидат физико-математических наук В. А. Коробкин, доктор физико-математических наук В. Н. Луговой и академик А. М. Прохоров (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР) открыли явление многофокусности волнового пучка в нелинейной среде.

"Создание мощных оптических квантовых генераторов, генерирующих гигантские световые импульсы с длительностью 10^-8 с и меньше и интенсивностью в пике, превышающей 10⁸ Вт/см², - рассказывает А. М. Прохоров, - поставило в науке новую проблему - проблему распространения мощных световых пучков малой длительности в материальных средах. Для света с низким уровнем мощности решение подобной проблемы известно давно. Распространение света малой мощности в веществе определяется законами обычной оптики - световые лучи в первоначально параллельном пучке распространяются и дальше параллельно вдоль прямой линии до тех пор, пока не проявится дифракция, приводящая к постепенному расплыванию пучка.

Эти законы, в свою очередь, базируются на том, что показатель преломления среды практически не зависит от интенсивности пучка. Такие среды называют линейными. С увеличением напряженности электрического поля световой волны (т. е. интенсивности света) появляется заметная зависимость от него показателя преломления - явление, известное под названием эффекта Керра. Принимая во внимание высокий уровень мощности света импульсных оптических квантовых генераторов, для описания распространения этого света в среде необходимо учитывать зависимость показателя преломления от интенсивности~светового пучка.

Проблема распространения мощных световых пучков в средах с показателями преломления, зависящими от этой интенсивности (в нелинейных средах), привлекла к себе особое внимание после создания в начале 60-х гг. оптических квантовых генераторов. Ею в течение ряда лет занималось несколько научных лабораторий в СССР, США и в других странах. Решение вопроса о картине распространения мощного светового пучка в нелинейных средах играет фундаментальную роль в развитии оптики больших мощностей".

В 1967 г. А. М. Прохоров, В. Н. Луговой и А. Л. Дышко впервые теоретически обосновали проблему распространения мощного светового пучка в материальной среде. При мощности больше пороговой в нем возникает многофокусная структура. Она представляет собой конечный ряд отдельных фокусов - областей со сверхвысокой плотностью энергии - на его оси, образованных в результате последовательной фокусировки кольцевых зон пучка. Число фокусов зависит от мощности падающего на среду излучения. Оно тем больше, чем больше эта мощность. Впервые экспериментальное подтверждение многофокусная структура получила в исследованиях В. В. Коробкина.

Согласно теории, развитой в 1968 г. В.. Н. Луговым и А. М. Прохоровым, вследствие импульсного характера излучения оптического квантового генератора фокусы могут двигаться вдоль оси пучка со скоростями порядка 10⁹ см/с и больше. В некоторых случаях скорость движения фокусов многофокусной структуры заметно превышает скорость света в вакууме. Движение фокусов многофокусной структуры как с досветовыми, так и со сверхсветовыми скоростями было экспериментально зарегистрировано В. В. Коробкиным и позднее американскими физиками Лоем и Шеном.

Ввиду сверхвысокой (10¹⁰-10¹³ Вт/см²) интенсивности света в фокусах многофокусной структуры нередко протекает ряд дополнительных физических процессов, таких, как ионизация вещества, оптическое разрушение и т. д. Более поздние исследования авторов открытия, а также других ученых в СССР и за рубежом показали, что многофокусная структура светового пучка возникает и при одновременном протекании некоторых дополнительных физических процессов в веществе. Таким образом, эта структура весьма универсальна.

Открытие позволило дать правильную интерпретацию многим эффектам нелинейной оптики, таким, как вынужденные рассеяния разных видов, оптический пробой в газах и диэлектриках, расширение спектра импульсов оптических квантовых генераторов при распространении в веществе и т. д. Открытие играет важную роль в решении многих практических задач (создание сверхмощных оптических квантовых генераторов, получение сверхвысоких плотностей энергий в фокусах, преобразование излучения оптических квантовых генераторов при вынужденных рассеяниях, измерение некоторых констант вещества и др.). Оно может иметь значение при создании систем передачи света больших мощностей, систем оптической локации, оптической связи и т. д.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 147 с приоритетом от 19 июня 1967 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление возникновения в распространяющемся в нелинейной среде волновом пучке последовательности фокальных областей вдоль его направления, обусловленное нелинейной рефракцией, при мощности больше пороговой".

Явление взрывной электронной эмиссии

Группа ученых Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники, Института автоматики и электроники и Института оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР, а также Ленинградского государственного университета имени А. А. Жданова в составе кандидата технических наук С. П. Бугаева, кандидатов физико-математических наук П. Н. Воронцова-Вельяминова и А. М. Искольдского, доктора технических наук Г. А. Месяца, кандидата технических наук Д. И. Проскуровского и доктора физико-математических наук Г. Н. Фурсея открыла неизвестное ранее явление взрывной электронной эмиссии.

Хорошо известно, какую важную роль играют в технике электронные пучки. С ними связана работа всех электровакуумных приборов. Без них не существовало бы телевизионных трубок, рентгеновских аппаратов, электронных ламп и микроскопов, ускорителей. Потоки электронов в приборах чаще всего возникают от раскаленных катодов - это так называемая термоэлектронная эмиссия. Существуют и другие виды эмиссии, например автоэлектронная, когда электроны извлекают из холодного катода с помощью сильного электрического поля. Однако все эти виды дают возможность получать сравнительно слабые электронные токи.

Рассказывает заместитель директора Института оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР Г. А. Месяц:

"Работы, проведенные коллективами физиков Томска, Новосибирска и Ленинграда, позволили обнаружить неизвестную ранее форму эмиссии - ее назвали взрывной. Мы наблюдали образование мощных потоков электронов в процессе взрывообразного превращения вещества. Сверхсильные электрические поля создают высокую концентрацию энергии на поверхности катода, происходит взрыв. В это мгновение образуется поток электронов. Интенсивностью он в тысячи раз превосходит потоки, получаемые от самых эффективных термоэмиссионных катодов. Расход вещества ничтожно мал, поэтому катод, излучающий пучки, может действовать долго.

В Томске мы изучали образование электрической искры в вакууме. Искра вспыхивала на очень короткое время - от одной десятимиллиардной до одной стомиллиардной доли секунды. Пришлось создать генераторы импульсов высокого напряжения длительностью в миллиардную долю секунды. Были применены способы скоростной регистрации тока, напряжения и оптического излучения искры. Комплексные исследования позволили доказать, что при определенных условиях вакуумная искра связана с явлением, которое мы и назвали взрывной эмиссией. К аналогичным выводам пришли физики Ленинградского университета, работающие под руководством доктора физико-математических наук Г. Н. Фурсея.

Мы установили, что взрывная эмиссия ответственна за извлечение больших кратковременных токов - от тысяч до миллионов ампер - в так называемых импульсных сильноточных ускорителях электронов. Сейчас электронные пучки, рожденные взрывом, применяются в термоядерных исследованиях, для новых типов квантовых генераторов и источников рентгеновских лучей. Взрывная эмиссия способна внести изменения в технологию обработки металлов".

Открытие послужит дальнейшему развитию новой отрасли науки и техники - сильноточной электроники. На основе открытия его авторы сделали ряд изобретений.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 176 с приоритетом от 2 июля 1966 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление взрывной электронной эмиссии, обусловленное взрывным перекодом конденсированного вещества катода в плотную плазму при разогреве локальных областей катода собственным эмиссионным током".

Оптика, оптоэлектроника, спектроскопия

Известно, что оптика изучает свойства света и его взаимодействие с веществом. Вначале она была чисто прикладной наукой. Она усиливала зрение человека, позволяла ему глубже изучать законы природы, проникать в космос и микромир.

Огромный вклад в развитие оптики внес академик С. И. Вавилов. Начало его научной деятельности совпало с появлением классических работ М. Планка и Н. Бара, заставивших пересмотреть общепринятую точку зрения на природу световых явлений как на чисто волновые электромагнитные процессы. С. И. Вавилов серьезно заинтересовался природой света, на протяжении многих лет возвращался к рассмотрению этого вопроса. Ему принадлежит заслуга открытия квантовых свойств многих явлений, считавшихся ранее волновыми.

В 20-е гг. С. И. Вавилов вводит в науку понятие "нелинейная оптика". Совместно с В. А. Левшиным он обнаружил, что при распространении световых лучей сквозь среду могут наблюдаться отступления от линейности поглощения вследствие квантовой природы света и вещества. Особенно наглядно эти эффекты проявляются у сложных люминесцирующих веществ, так называемых кристаллофосфоров, обладающих продолжительным послесвечением. Ученые увидели в этих эффектах совершенно новую ветвь физической науки. Их предвидение оказалось пророческим - линейная оптика и связанные с ней удивительные явления имеют огромное значение. В настоящее время нелинейные оптические эффекты широко используются для создания оптических затворов, применяемых для получения гигантских импульсов в оптических квантовых генераторах и в других областях.

С 1932 по 1941 г. под руководством С. И. Вавилова в Ленинградском государственном оптическом институте были проведены важнейшие исследования в области квантовых флюктуации света. Открытый им флюктуационный принцип С. И. Вавилов сформулировал так: "Каждый изолированный каким угодно способом световой пучок при достаточно малой мощности проявляет флюктуации интенсивности, происходящие совершенно самостоятельно и независимо от колебаний в каком-либо другом пучке". Работы С. И. Вавилова по изучению квантовых флюктуации света по праву считаются классическими. Мировое признание С. И. Вавилову принесли также его заслуги в другом разделе физической оптики - люминесценции.

"Первые попытки исследовать это явление, - рассказывает Л. В. Левшин, - относятся еще к началу XVII в. Его изучением занимались Г. Галилей, И. Ньютон, а в середине прошлого столетия англичанин Д. Стоке и француз А. Беккерель. Значительный вклад в учение о люминесценции внес русский академик В. В. Петров, который указал на различия между явлениями люминесценции и хемиолюминесценции (свечение, возбуждаемое энергией, выделяющейся за счет химических реакций).

Изучая природу фотохимических реакций, академик П. П. Лазарев установил, что отношение количества вещества, разложенного под воздействием падающего света, к поглощенной при этом световой энергии не зависит от длины волны падающего света и остается постоянным в пределах одной полосы поглощения. Эти результаты противоречили закону фотохимического действия А. Эйнштейна, согласно которому при достаточной величине падающих световых квантов должна быть прямо пропорциональная зависимость между произведенным фотохимическим разложением и длиной волны падающего света.

Заинтересовавшись результатами П. П. Лазарева, С. И. Вавилов решил заняться изучением процесса преобразования возбуждающего света с разными длинами волн в люминесценцию растворов красителей. Он ввел понятие удельной люминесценции, под которой понимал отношение величины энергии люминесценции к величине энергии вызывающего ее поглощенного возбуждающего света. Удельная люминесценция - своеобразный коэффициент полезного действия, она указывает, насколько эффективно происходит преобразование возбуждающего света в свет люминесценции в исследуемом веществе. Впоследствии эта величина получила новое название - энергетический выход люминесценции.

Кроме понятия энергетического выхода часто пользуются понятием квантового выхода люминесценции, под которым понимают отношение числа излученных веществом квантов люминесценции к числу поглощенных квантов возбуждающего света, вызывающих свечение. В настоящее время выход люминесценции принято обозначать буквой В в честь С. И. Вавилова.

С. И. Вавилов сделал важное научное открытие. Он установил зависимость энергетического выхода люминесценции от длины волны возбуждающего света. Эта зависимость, отражающая одну из основных закономерностей молекулярной люминесценции, получила название закона Вавилова. Закон Вавилова является типично квантовой закономерностью и может быть объяснен исходя из квантовых представлений о природе световых явлений.

Наряду с исследованием поляризационных свойств и выхода люминесценции молекулярных систем С. И. Вавилов уделял большое внимание изучению длительности их послесвечения. Вместе с В. Л. Левшиным он установил природу кратковременного и длительного свечения у сложных органических веществ.

В 1933-1934 гг. С. И. Вавилов и аспирант, ныне академик П. А. Черенков открыли новое явление свечения, названное впоследствии излучением Вавилова - Черенкова. Еще в 1929 г. С. И. Вавилов обнаружил своеобразное явление универсальной синей люминесценции, которое наблюдалось у чистых растворителей самой разной природы. Вместе с П. А. Черенковым С. И. Вавилов детально изучил голубое свечение ураниловых солей и установил, что оно обладает оригинальными свойствами. Оказалось, что под действием гамма-лучей голубое свечение возникает в любых прозрачных жидкостях и твердых телах. С. И. Вавилов пришел к выводу, что голубое свечение не является люминесценцией, что оно вызывается свободными электронами, обладающими большими скоростями и возникающими при прохождении гамма-лучей через вещество. Это предположение было экспериментально доказано П. А. Черенковым. Излучение Вавилова - Черепкова широко используется для исследования свойств элементарных частиц высоких энергий. Для этих целей созданы специальные счетчики элементарных частиц (счетчики Черепкова).

С помощью излучения Вавилова - Черепкова была открыта элементарная частица антипротон. Сейчас че-ренковскими счетчиками широко пользуются для изучения космических лучей. Кроме того, созданы черенков-ские спектрометры, позволяющие с большой точностью и в широком диапазоне устанавливать энергию гамма-лучей при проведении опытов на ускорителях. Излучение Вавилова - Черепкова используется также для генерации миллиметровых радиоволн и т. д.".

В последние годы на стыке радиоэлектроники и физической оптики родилась исключительно важная и перспективная наука - оптоэлектроника (совокупность устройств, содержащих электронные и фотонные элементы, называют оптроникой). Основной элемент оптоэлектроники - оптрон или оптронная пара: миниатюрные светоизлучатель и фотоприемник, связанные либо электрически, либо оптически, либо тем и другим способом.

Из-за прямолинейности распространения света и кривизны земной поверхности область, обозреваемая нами, ничтожно мала. А жизнь общества, особенно в наш век, стала немыслимой без глобальной информации. Эта величайшая проблема была решена с рождением радиоэлектроники, которая дала технике радиоволны и создала электронные датчики, позволившие получать широкую информацию об окружающем нас мире. Свет, звук, тепло, давление, присутствующие в атмосфере ничтожные количества летучих примесей, электрические и магнитные поля, излучение атомных ядер и приходящие из глубин Вселенной космические лучи - все может быть преобразовано в электрические сигналы и мгновенно передано на пункты наблюдения.

Радиоэлектроника, как уже было сказано, проникла во все сферы человеческой деятельности. Основными же направлениями оптики длительное время было лишь изучение законов природы, а не решение проблем связи.

С рождением союза оптики и электроники положение коренным образом изменилось.

Анализируя следствия этого союза, академик Академии наук Узбекской ССР Э. И. Адирович рассказывает:

"Три причины определили этот процесс. Во-первых, стремление охватить все богатство информации, поступающей по оптическим каналам. Во-вторых, стремление сделать видимой любую информацию, а не только те события, которые сопровождаются испусканием, поглощением или отражением света. И в-третьих, необходимость обрабатывать большие и всевозрастающие массивы информации за короткие и все сокращающиеся промежутки времени.

Частицы света - фотоны могут вырывать электроны из металлов и разрывать электронные связи в полупроводниках. Частицы вещества - электроны вызывают эмиссию фотонов из некоторых специальных материалов, называемых люминофорами. Это позволило создать электронно-оптические преобразователи световых сигналов в электрические и электрических в световые - фотоэлементы, люминесцентные экраны и многие другие.

Необходимость получения, обработки, хранения, передачи и воспроизведения колоссальных потоков информации, многообразие задач и высокие скорости операций, выполняемых техникой, автоматизация и дистанционное управление на Земле и в космическом пространстве - все это неотвратимо, как уже отмечалось, влечет радиоэлектронику в область все более коротких волн. Чем короче длина волны, тем выше ее частота и тем больший объем информации она может перенести за то же время. А длина световых волн в 10 тысяч раз меньше, чем длина самых коротких радиоволн!"

Пути продвижения радиоэлектроники в оптическую область и использования света как транспорта для передачи информации проложены квантовой радиоэлектроникой. Прямолинейность распространения света перестала быть принципиальным препятствием для связи на дальние расстояния. Отражение и преломление света в верхних слоях атмосферы, создание систем искусственных спутников, действующих как космические зеркала, делают возможной, как уже упоминалось ранее, дальнюю связь с помощью новых источников света - когерентных излучателей.

Теперь световой сигнал можно передавать по любому криволинейному пути. В начале 60-х гг. появилась новая отрасль оптики - волоконная оптика. Очень гибкие и тонкие стеклянные нити выполняют роль световодов. Они передают свет подобно тому, как металлические провода передают электрический ток.

Волоконная интроскопия гораздо эффективнее рентгеновских методов. Особенно перспективна она в биологии и медицине - науках, имеющих дело с живыми организмами. Тонкий длинный жгут из миллионов стеклянных волокон вводят, к примеру, в желудок больному. По одной группе волокон подается свет, по другой - передается изображение в увеличенном виде и натуральном цвете. Врач превращается как бы в микрочеловека, который с помощью лампы изнутри осматривает больной орган.

С рождением волоконной оптики и появлением миниатюрных излучателей и приемников света стало возможно обрабатывать информацию, поступающую не только по электрическим, но и по оптическим каналам. Прежде электронно-оптические преобразователи служили только устройствами ввода и вывода информации, обработка ее производилась лишь в электрических трактах с помощью средств вакуумной или полупроводниковой электроники. Теперь кибернетика использует для обработки информации не только электричество, но и свет, не только электроны, но и фотоны.

В отличие от электрона фотон - электрически нейтральная частица. Это его свойство, а также высокая скорость передачи световых сигналов, бесконтактность оптических связей, возможность непосредственного визуального контроля информации на любой стадии ее обработки и ряд других достоинств способствовали интенсивному развитию нового направления технической кибернетики - на базе систем обработки информации, содержащих наряду с электронными также и фотонные звенья.

В последнее время понятие "оптоэлектроника" значительно расширилось. Теперь к ней относят и многие приборы, издавна применявшиеся в радиоэлектронике,- фотоэлементы, фотоумножители, знаковые индикаторы на основе люминофоров, электронно-лучевые трубки и т. п. К оптоэлектронике причисляются и недавно возникшие направления, имеющие самостоятельное значение, такие, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и др. Оптоэлектроника оформляется в самостоятельную отрасль электронной техники.

Явление резонансного комбинационного рассеяния света

Доктор химических наук профессор П. П. Шорыгин и кандидат физико-математических наук Т. М. Иванова (Институт органической химии АН СССР) открыли неизвестное ранее явление резонансного комбинационного рассеяния света.

Комбинационное рассеяние - один из видов преобразования света веществом. Оно было открыто еще в 1928 г. Суть его в том, что при прохождении через прозрачное вещество небольшая часть пучка света рассеивается с изменением длины волны, которое определяется частотой колебаний атомов рассеивающего вещества. У каждого химического соединения свой набор частот колебаний атомов и свой спектр комбинационного рассеяния. Благодаря ему можно судить о строении молекул, о составе сложных смесей. Метод спектрального анализа широко используется в нефтяной, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Однако возможности спектроскопии комбинационного рассеяния были ограничены. Она применялась лишь при исследовании прозрачных и бесцветных веществ, таких, как вода, спирт, бензин. Химические соединения могли обнаруживаться и изучаться только при достаточно больших концентрациях. Важно было найти способ получения спектров непрозрачных веществ.

В процессе облучения вещества рассеивается лишь малая доля падающего света. А комбинационное рассеяние, в свою очередь, составляет небольшую часть рассеянного света. Прохождение света через окрашенное вещество сопровождается большими потерями на поглощение, а также флюоресценцией, которое маскирует спектр рассеяния.

Развивая теорию комбинационного рассеяния света, П. П. Шорыгин пришел к выводу о возможности получения эффекта комбинационного рассеяния света в условиях, когда падающий свет почти полностью поглощается веществом. Благодаря многочисленным экспериментам П. П. Шорыгину и Т. М. Ивановой удалось получить четкие спектры при возбуждении в области почти полной непрозрачности вещества. В этом случае способность молекул давать комбинационное рассеяние оказалась в сотни раз большей, чем обычно.

"Открытому явлению, - рассказывают авторы открытия, - было дано название резонансного комбинационного рассеяния света, так как полученные спектры рассеяния возбуждались в области резонанса (в той части спектра, где вещество непрозрачно). Исследования показали, что это явление можно наблюдать у очень широкого круга химических соединений, в том числе у таких, которые раньше казались совершенно недоступными для спектроскопии рассеяния. К ним, в частности, относятся графит, сажа, металлические сплавы, мономолекулярные слои адсорбированных соединений.

Чрезвычайно большая интенсивность резонансного комбинационного рассеяния света позволяет использовать крайне низкие концентрации вещества - порядка десятитысячных долей процента. Теперь удается получать спектры, например, каротина, не только в растворах, но и в корнеплодах и фруктах, линий хлорофилла - в зеленых листьях живых растений, линий бактерий, имеющих собственную окраску, линий неповрежденных эритроцитов и т. д. Открылась реальная возможность поручать спектры некоторых нестойких свободных радикалов и оценивать механические свойства химических связей в них. В перспективе - использование явления резонансного комбинационного рассеяния света для оценки биологической продуктивности океана (измерения могут проводиться с самолета) и для изучения атмосферы других планет".

На основе открытия удалось сделать крупный шаг в развитии представлений о взаимоотношениях и связях между такими явлениями, как рассеяние и поглощение света и флюоресценция. Продемонстрирована возможность получения вторичного излучения промежуточных типов, сочетающих признаки рассеяния и флюоресценции. Цикл работ в этом направлении способствовал появлению новой области оптики.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 151 с приоритетом от 18 июня 1952 г. и сформулировано так:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление резонансного увеличения интенсивности комбинационного рассеяния при приближении частоты падающего света к зоне максимума поглощения (резонансное комбинационное рассеяние)".

Явление возникновения линейчатых спектров вещества

Доктор физико-математических наук Э. В. Шпольский, кандидат физико-математических наук Л. А. Климова (Московский государственный педагогический институт имени В. И. Ленина) и кандидат физико-математических наук А. А. Ильина (Всесоюзный научно-исследовательский геологоразведочный нефтяной институт) открыли явление возникновения линейчатых спектров вещества при его матричной изоляции в растворах при низких температурах.

"Оптические спектры поглощения и излучения атомов и молекул, - рассказывает Л. А. Климова, - возникают при переходах между состояниями с разными энергиями. При поглощении энергия атома или молекулы увеличивается, при излучении уменьшается. В случае с атомом единственная возможность изменения энергии состоит в изменении состояния электронной оболочки. В случае с молекулой дело обстоит сложнее. В состав молекулы входят ядра атомов, которые могут совершать колебательные движения относительно друг друга, и, кроме того, молекула может вращаться как целое. Всякое изменение электронной оболочки влечет за собой возникновение колебаний ядер. Поэтому электронный спектр молекулы всегда электронно-колебательный спектр. Если вещество находится в газообразном состоянии, то спектр осложняется еще вращением молекул.

Для изменения электронной оболочки требуется значительно большая энергия, чем для колебаний ядер и вращательного движения молекул, поэтому колебательные и вращательные спектры молекулы можно изучать, не изменяя ее электронной оболочки методами инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния света. Однако среди молекулярных спектров разных видов наибольший интерес представляют электронно-колебательные спектры - они сильнее всего выявляют свойства молекул. До недавнего времени использование электронных спектров было ограничено их сильно размытой структурой. Размытость не исчезала даже при 4° К (температура кипения жидкого гелия). В oлучшем случае спектры состояли из нескольких широких полос, что делало их похожими. Считалось, что размытость обусловлена внутримолекулярными причинами и что никакими изменениями внешних условий нельзя добиться большей резкости спектров.

Если использовать в качестве растворителей вещества, образующие при замораживании поликристаллическую массу (в основном это нормальные парафины н-гексан, н-гептан и др.), то электронно-колебательные спектры даже очень сложных молекул будут состоять из чрезвычайно узких линий. Оказалось, что линейчатые спектры молекул по специфичности не уступают атомным спектрам. Поликристаллический растворитель служит своего рода матрицей, в которую вещество внедряется без искажений и без излишней свободы, распределяясь молекулярно-дисперсно.

Теоретически было показано, что явление возникновения линейчатых молекулярных спектров - следствие особого рода квантовых процессов, при которых электронное возбуждение в молекуле не сопровождается изменением состояния кристаллической решетки растворителя, и что причина возникновения линейчатых электронно-колебательных спектров та же, что причина возникновения эффекта Мессбауэра, наблюдаемого в спектре радиоактивного гамма-излучения".

Открытие дало начало новому направлению в молекулярной спектроскопии. На основе открытия был создан метод линейчатых спектров, который получил широкое применение в науке и технике. В настоящее время этим методом исследовано более 300 соединений, принадлежащих к различным классам. Издательством Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова издан атлас линейчатых спектров люминесценции.

Открытое явление широко используется для высокочувствительного и селективного качественного и количественного спектрального анализа. Метод линейчатых спектров дает возможность определять сверхмалые (до 10^-11 граммов на грамм образца) количества индивидуальных веществ, одновременно присутствующих в сложной смеси, что ставит его вне конкуренции с другими спектральными методами.

С помощью метода линейчатых спектров в лаборатории люминесцентных исследований природных углеродистых веществ МГУ разработан новый люминесцентный способ, позволяющий фиксировать аномалии углеводородов над месторождениями нефти и газа и разломами земной коры. Этот способ был применен для поиска нефти и газа на Камчатке и дал положительные результаты. Он может быть использован и для поиска рудных месторождений. Он поможет также в решении такой важной народнохозяйственной задачи, как изучение условий появления углеродистых веществ в горных выработках рудных месторождений с целью предотвращения аварий.

Метод линейчатых спектров широко применяется для обнаружения канцерогенных веществ. Санитарно-эпидемиологические станции нашей страны, используют его как основной для определения биологически активных веществ. Применение метода линейчатых спектров люминесценции при разработке технологических процессов позволяет получать продукты, безопасные для здоровья человека.

Вопросам развития спектроскопии была посвящена первая Всесоюзная конференция по спектроскопии, проводившаяся в 1975 г. в Киеве.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 152 с приоритетом от 28 сентября 1952 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление возникновения линейчатых молекулярных спектров вещества в условиях матричной изоляции молекул или их групп в растворителе при низкой температуре".

Явление кооперативной сенсибилизации люминесценции

Кандидат физико-математических наук В. В. Овсянкин и член-корреспондент АН СССР П. П. Феофилов (Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова) открыли явление преобразования длинноволнового оптического излучения в коротковолновое при взаимодействии излучения со сложными системами (кристаллы с двумя сортами активизирующих ионов, полупроводники с поверхностно адсорбированными молекулами органических красителей, фотосинтезирующие системы).

Изучая кристаллы, содержащие в качестве примесей редкоземельные ионы двух сортов, одни из которых способны поглощать длинноволновые инфракрасные лучи, а другие - испускать коротковолновый видимый свет, авторы открытия обнаружили, что облучение такой системы потоком невидимых инфракрасных квантов вызывает видимое свечение. Это противоречило основному закону люминесценции, согласно которому в процессе преобразования излучения может происходить только увеличение длины волны.

Обнаруженное явление оказалось широко распространенным в природе и в различных технических системах. Но почему, например, окрашенная фотоэмульсия вдруг делается чувствительной к красному и инфракрасному свету, хотя известно, что для реакции разложения галоидного серебра, входящего в ее состав, необходим свет с меньшей длиной волны и большей энергией кванта? Почему под действием красного света, поглощаемого хлорофилловыми пигментами, в зеленых листьях протекает реакция фотохимического отщепления водорода от воды и присоединения его к углекислоте? Ведь фотосинтез требует энергии в 3-4 раза большей, чем та, которую несут кванты красного света.

"Исследование свойств наблюдаемого свечения, - рассказывает П. П. Феофилов, - показало суммирование энергии двух или более частиц одного сорта - ионов, поглотивших падающее длинноволновое излучение и перешедших в возбужденное состояние, и передачу энергии на более высокие возбужденные энергетические уровни частиц другого сорта, которые и испускают более крупные кванты - более коротковолновое излучение. Из двух или более малых квантов получается один большой.

Мы детально изучили возможные пути и механизмы суммирования энергии элементарных возбуждений в системе взаимодействующих частиц и установили широкую распространенность этого и родственных ему кооперативных явлений как в искусственно создаваемых, так и в природных системах.

Обнаруженное нами явление преобразования инфракрасного излучения в видимое в кристаллах с примесями двух сортов редкоземельных ионов быстро нашло практическое применение. В 1968 г. появились сообщения об успешном использовании таких кристаллов для визуализации невидимого инфракрасного излучения светодиодов на основе арсенида галлия, применяемых в индикаторных и других устройствах микроэлектроники. Кооперативные люминофоры все больше используются при создании миниатюрных излучателей, визуализаторов невидимых излучений и т. п. Над разработкой и совершенствованием таких люминофоров трудятся многочисленные коллективы физиков и инженеров в СССР, США, Франции, Японии, Голландии и в других странах".

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 166 с приоритетом от 23 сентября 1966 г. Формула открытия следующая:

"Установлено неизвестное ранее явление преобразования длин волн при фотолюминесценции, заключающееся в том, что при возбуждении оптическим излучением сложных систем, например, кристаллов, активированных редкоземельными элементами, возникает оптическое излучение, характеризующееся существенно меньшими длинами волн и обусловленное кооперативным суммированием энергии электронного возбуждения частиц одной подсистемы на частицах другой подсистемы с более высокими энергетическими состояниями (кооперативная сенсибилизация люминесценции)".

Явление стабилизации-лабилизации электронно-возбужденных многоатомных молекул

Член-корреспондент АН СССР, академик АН БССР Н. А. Борисевич (Институт физики АН БССР) и доктор физико-математических наук Б. С. Непорент (Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова) открыли неизвестное ранее в молекулярной физике явление стабилизации-лабилизации электронно-возбужденных многоатомных молекул.

"При поглощении света, - рассказывают авторы открытия, - молекулы переходят в возбужденное состояние. При этом изменяется энергия их внешних электронов. Такое состояние, как правило, неустойчиво, и возбужденные молекулы дезактивируются - через короткое время переходят в невозбужденное состояние с излучением кванта света - или разрушаются. Возбужденные молекулы могут образовываться в результате химических реакций даже в темноте, а также под действием радиоактивных или рентгеновских излучений.

Молекула служит тонким инструментом преобразования световой энергии в другие виды энергии. Возбужденная молекула может вовлекать в различные практически важные взаимодействия окружающие молекулы или атомы, образуя сложную последовательность физических, химических или биологических процессов. Без учета таких взаимодействий часто трудно понять процессы, происходящие в химических лазерах или в атмосфере, в факелах ракет или в зеленом листе растения. Поэтому важно было понять и описать механизмы процессов, протекающих в сложных молекулах после их возбуждения, механизмы преобразования энергии возбуждения взаимодействия электронно-возбужденных молекул с окружающей средой.

Обращали на себя внимание два решающих обстоятельства. В процессе возбуждения происходит изменение не только электронной, но и колебательной (тепловой) энергии молекул. Мы пришли к выводу, что нужно рассматривать прежде всего газовую фазу (пары), в которой создаются условия, когда молекулы практически не сталкиваются, не взаимодействуют в возбужденном состоянии и способны сохранять запас колебательной энергии. А этот запас существенно зависит от энергии падающего кванта и может быть настолько большим, что приводит к разрушению молекул. Нам удалось показать, что добавление к исследуемым парам других молекулярных или атомарных газов приводит к столкновениям молекул, что регулирует количество колебательной энергии в молекулах, изменяя вероятность их безызлучательной дезактивации.

В качестве чувствительного индикатора взаимодействий электронно-возбужденных молекул с другими частицами использована способность возбужденных молекул флюоресцировать. Такое явление можно наблюдать наглядно. На молекулы в газовой фазе в смеси с другими химически неактивными молекулами направляется пучок света с заданной энергией кванта. Если кванты света имеют большую частоту, то по мере увеличения давления постороннего газа свечение молекул значительно усиливается. Если же кванты света малой частоты, интенсивность свечения резко уменьшается. Достаточно сравнительно небольшого количества постороннего газа, чтобы изменить интенсивность флюоресценции во много раз.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что изменения свойств флюоресцирующих молекул при столкновениях с молекулами посторонних газов вызваны изменением безызлучательной дезактивации их электронно-возбужденных состояний. Безызлучатель-ные переходы сильно зависят от запаса, колебательной энергии. При возбуждении большими частотами избыточный запас колебательной энергии передается к молекулам постороннего газа, уменьшая вероятность безызлуча-тельного перехода. Такая стабилизация и приводит к "охлаждению" возбужденных молекул, к улучшению их фотостойкости.

При взаимодействии электронно-возбужденных молекул, у которых запас колебательной энергии меньше равновесного, с молекулами посторонних газов передача энергии идет в обратном направлении - от молекул постороннего газа к электронно-возбужденным молекулам. Увеличивается вероятность безызлучательного перехода, т. е. наступает лабилизация. Для каждого вещества существует своя частота, названная частотой инверсии, при возбуждении которой запас колебательной энергии в молекуле не изменяется, при этом не изменяется и интенсивность флюоресценции".

С открытием появилась возможность управлять устойчивостью электронно-возбужденных молекул, образовавшихся оптическим или химическим путем, регулировать химическую активность молекул в разных реакциях с помощью дозирования посторонних газов и т. д. Открытие имеет важное значение для дальнейшего развития теории и практики люминесценции и спектроскопии сложных молекул, фотохимии и кинетики химических реакций. Использование обнаруженного явления особенно перспективно для квантовой электроники.

Н. А. Борисевич и его ученики успешно решили проблему, над которой долгие годы работали ученые многих стран мира. В улучшении параметров лазера нового типа активную роль сыграла стабилизация перегретых мощным возбуждающим излучением органических молекул. Мощность генерируемого излучения повысилась в 15-20 раз, время работы лазера увеличилось. Обнаружено положительное влияние посторонних газов на сложные молекулы в разрядной плазме, на пары сложных молекул, подвергающиеся воздействию мощных электронных пучков. Созданы газовые модуляторы добротности лазеров - устройства, позволяющие с высокой эффективностью преобразовывать импульс лазерного излучения.

Открытие зарегистрировано под № 186 с приоритетом от 18 мая 1955 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление стабилизации-лабилизации электронно-возбужденных, многоатомных молекул, заключающееся в том, что в результате обмена электронно-возбужденных многоатомных молекул колебательной энергией с другими молекулами происходит изменение безызлучательной дезактивации электронно-возбужденных молекул, приводящее к усилению флюоресценции при возбуждении " молекул квантами частоты, большей частоты инверсии, или к ослаблению флюоресценции при возбуждении молекул квантами частоты, меньшей частоты инверсии".