100 знаменитых ученых

В лаборатории Александра Михайловича вели свои научные исследования лучшие физики СССР. Поскольку число направлений все время расширялось, в лабораторию стремились попасть многие молодые перспективные ученые. Используя передовые методики, команда Прохорова провела ряд важных фундаментальных исследований, в результате чего лаборатория колебаний стала «пилотной» лабораторией в СССР в области радиоспектроскопии. С помощью точных приборов Прохоров с сотрудниками изучил вращательные и колебательные спектры молекул, в частности так называемых асимметричных волчков, обладающих тремя различными моментами инерции.

Кроме спектроскопических исследований Александр Михайлович занимался различными теоретическими вопросами, среди которых можно выделить задачу стабилизации частоты источников излучения СВЧ-диапазона. Он исследовал применение микроволновых спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени. В это время ученый начал свое сотрудничество с Николаем Геннадиевичем Басовым.

Можно с уверенностью сказать, что эта работа стала первым шагом в создании новой области физики – квантовой электроники.

Совместное сотрудничество ученые вели в течение десяти лет, совершив одно из самых важных открытий физики XX века – создав лазер. Предыстория этого открытия описана в очерке «Николай Геннадиевич Басов».

Детально проанализировав работы Эйнштейна и других ученых, посвященные исследованию испускания и поглощения излучения молекулами, Прохоров и Басов изобрели метод усиления поступающего излучения. В своих опытах советские физики использовали неоднородные электрические и магнитные поля, с помощью которых выделяли возбужденные молекулы. После этого облучали вещество излучением специальной частоты, фотоны которого имели энергию, равную разности возбужденного и основного состояния молекулы. В итоге возникало индуцированное излучение той же частоты, которое усиливало подающий сигнал.

В начале 1952 года Прохоров вместе с Басовым начал разработку молекулярного генератора, который не только усиливал возбудимость молекул, но и генерировал излучение с частотой, которая точно определялась энергетическими уровнями молекул.

На Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 года ученые представили первые результаты своих теоретических исследований и разработанную на их основе конструкцию оптического квантового генератора (ОКГ).

В своей первой научной статье на эту тему в октябре 1954 года Прохоров и Басов предложили эффективный и универсальный метод перевода вещества в состояние, необходимое для усиления излучения. Они разработали трехуровневую схему перевода атомов из основного состояния на наиболее высокий из трех энергетических уровней, при котором на промежуточном уровне размещалось больше молекул, чем на нижнем. В результате можно было получить индуцированное излучение с частотой, которая соответствовала разности энергий между двумя более низкими уровнями.

Но еще в 1953 году, за десять месяцев до известной статьи Прохорова и Басова по молекулярным генераторам, американский физик Чарлз Таунс создал работающий молекулярный осциллятор, который назвал мазером (по начальным буквам английского выражения «microwave amplification by stimulated emisson of radiation» – микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения). В результате своих экспериментов он достиг огромного усиления микроволн с частотой в 24 000 мегагерц.

Позже, в период с 1955 по 1956 год, советским физикам удалось создать принципиально новые малошумные квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона (мазеры), первым из которых стал мазер на основе молекул аммиака.

После успешного завершения цикла работ по созданию мазеров ученые начали интересоваться вопросами создания лазеров оптического диапазона. Основной проблемой при распространении принципов и методов радиофизики и квантовой электроники на оптический диапазон частот была резко возрастающая вероятность спонтанных переходов. Еще в 1955 году ученые предложили использовать так называемый метод трех уровней, который сейчас лежит в основе работы всех лазеров с оптической накачкой. Этот метод подходил для любых многоуровневых систем, независимо от величины энергии кванта.

В 1958 году Прохорову удалось решить вторую проблему, стоящую на пути создания лазера. Ученые никак не могли подобрать подходящий резонатор для оптического диапазона, так как его размеры должны были быть соизмеримы с длиной волны генерируемого им излучения. Александр Михайлович решил проблему следующим способом: он предложил использовать так называемый открытый резонатор – пару плоских параллельных пластин-зеркал.