Развитие лазерной физики в Беларуси

Среди открытий второй половины XX в. особое место принадлежит лазерам. В 1954 г. в СССР был создан первый в мире мазер — квантовый генератор радиоволн, использующийся в настоящее время в космической связи и физических исследованиях. Рождение мазера послужило толчком к разработке квантового генератора электромагнитного излучения в оптическом диапазоне — лазера. И хотя первенство в его появлении принадлежит американскому исследователю Теодору Мейману, которому в августе 1960 г. удалось запустить лазер на искусственном кристалле рубина, ученые Беларуси внесли весомый вклад в развитие лазерной индустрии.

Развитие лазерной физики в Беларуси
Исследования в области лазерной физики начали развиваться в Беларуси практически сразу после создания в 1960 г. первого лазера. Они были инициированы директором Института физики АН БССР Б.И. Степановым и выполнялись при активном его участии. Уже в 1961 г. были опубликованы его статьи с сотрудниками по теории лазерной генерации, а в 1962 г. В.А. Пилиповичем запущен первый в республике лазер и начаты экспериментальные изыскания. В течение 2—3 лет проблемы лазерной физики и нелинейной оптики заняли ведущее место в тематике института. Этому в немалой мере способствовало то, что еще в «долазерный период» были развиты методы и подходы, которые оказались полностью пригодными для расчета энергетических и временных характеристик многих типов лазеров.
С самого начала научные исследования и разработки в области лазерной физики в БССР развивались весьма интенсивно, быстро рос их объем, расширялась тематика, был накоплен большой научно-технический потенциал в области лазерной физики и технологий, подготовлены высококвалифицированные научные кадры — не только для белорусских организаций, но и для других республик. Наши ученые и инженеры внесли большой вклад как в решение многочисленных задач лазерной физики, создание и практическое применение лазерной техники и технологий, так и в формирование ряда принципиальных положений, основ этой быстро развивающейся области знаний. Их достижения отмечены тремя Государственными премиями СССР, девятью Государственными премиями БССР и Республики Беларусь, многими другими наградами.
Свидетельством высокого уровня работ и активности белорусских ученых в области лазерной физики и нелинейной оптики служит также проведение в республике или с участием белорусских организаций многих всесоюзных и международных конференций, а также выездных сессий Совета по когерентной и нелинейной оптике АН СССР — координатора научных исследований по лазерной физике и нелинейной оптике в СССР. Общепризнано, что эти конференции, первая из которых была проведена в Беларуси по инициативе Института физики АН БССР, сыграли важную роль в развитии научных исследований и разработок в этой области. Четыре из них состоялись в Минске (1972, 1988, 2001, 2007 гг.). Традиция их проведения сохранилась и после распада СССР. Последняя конференция собрала ученых в Казани.
В Беларуси были также организованы 3 всесоюзные конференции по лазерам на красителях, 6 конференций-школ по динамической голографии, международные конференции по спектроскопии сверхбыстрых процессов (UРS-1983) и по применению лазеров в науках о жизни (LALS-1994), 12 конференций по квантовой оптике и квантовой информатике.
В 1960-е гг. исследования и разработки по лазерной физике в Беларуси были практически полностью сосредоточены в Институте физики. Позже они стали проводиться и в других институтах Академии наук и университетах. В 70-е гг. на БелОМО начался серийный выпуск лазерной техники, правда, по разработкам Государственного оптического института — ведущей организации страны в области оптики. До этого лазеры и элементы лазерной техники в Беларуси изготовлялись только в СКТБ с ОП Института физики, в основном для нужд самого института. В 1979 г. при
ЦКБ БелОМО «Пеленг» был организован Межведомственный конструкторский отдел (ныне предприятие «ЛЭМТ»), призванный внедрять результаты научных исследований и разработок белорусских организаций в изделия БелОМО. В 1984 г. вступило в строй действующих крупное Минское опытно-промышленное предприятие АН СССР, одной из задач которого было тиражирование лазерных систем и приборов, разрабатываемых в институтах и КБ АН БССР и других организациях СССР. На этом предприятии сразу же был налажен выпуск лазеров, компонент и систем лазерной техники, разработанных в Институтах физики и электроники АН БССР. Следует отметить, что в организации производства лазерной техники в Беларуси очень важную роль сыграли Н.А. Борисевич (в то время Президент АН БССР) и В.С. Бураков (заместитель директора Института физики, позже — директор МОПП АН СССР).
В начале 1990-х гг. производство лазеров, лазерных систем и элементов лазерной техники резко сократилось или прекратилось полностью, были нарушены деловые контакты между белорусскими организациями с другими республиками СССР. Но благодаря мерам, предпринятым руководством страны, и высокой активности специалистов-лазерщиков накопленный ранее потенциал в основном удалось сохранить и приспособить к работе в новых условиях. Прежде всего в этом деле важнейшую роль сыграли организация в Беларуси государственных научных и научно-технических программ, создание Республиканского фонда фундаментальных исследований, активное использование грантов международных фондов (INTAS, МНТЦ и др.) и расширение научных связей с организациями стран дальнего зарубежья. Способствовало этому и возникновение малых предприятий и фирм по разработкам и производству лазерной техники, таких, например, как «ЛЭМТ», «Лотис ТИИ», «СоларЛС», «Солар ТИИ», «Люзар», «Голографическая индустрия». Частичному восстановлению и активизации творческого сотрудничества между белорусскими и ставшими зарубежными организациями в области лазерной физики содействовало также выполнение российско-белорусской программы «Лазерные технологии XXI века» и других проектов, финансируемых из бюджета Союзного государства Беларуси и России, а также совместных грантов БРФФИ с различными фондами других стран.
За 50 лет интенсивной работы белорусскими физиками и инженерами получено немало результатов, ставших ценным вкладом в копилку достижений лазерной физики и ее практических применений. Отметим здесь наиболее значимые из них, в том числе те, за которые были получены высшие награды страны.
Первым в историческом плане из таких результатов, несомненно, является развитие методов инженерного расчета энергетических и временных характеристик пичковых и моноимпульсных лазеров.
Поиск новых генерирующих сред в середине 1960-х гг. увенчался созданием в Институте физики лазера на органических красителях. Важная особенность таких лазеров — возможность плавной перестройки длины волны генерируемого излучения, что очень ценно для их применения в спектроскопии, биологии, медицине и других областях.
В институте предсказан и практически реализован ое-е-синхронизм, весьма эффективный для генерации гармоник, сложения и вычитания частот лазерных пучков. На этой основе создан целый ряд новых методов и устройств эффективного преобразования частоты лазерного излучения разных пространственных структур.
Развиты физические основы динамической голографии. Открыто явление обращения волнового фронта световых пучков при четырехволновом взаимодействии, используемое в настоящее время для устранения искажений фазы лазерного луча и концентрации его энергии в заданную точку. Созданы высокочувствительные голографические измерители теплопроводности.
Разработаны методы и созданы установки лазерного зондирования атмосферы, в настоящее время входящие в лидарную систему стран СНГ и Евросоюза. Первый в СССР лазерный лидар был построен в Институте физики в 1965 г. В 1980-е гг. институт как головная организация участвовал в создании и организации работы сети лидарных станций мониторинга стратосферного аэрозоля, состоящей из станций в Минске, Обнинске, на озере Иссык-Куль, в Польше и на Кубе.
Изучены оптические и генерационные свойства многих полупроводниковых монокристаллов и квантовых гетероструктур, созданы образцы ряда полупроводниковых лазеров на их основе. Начало исследованиям этого направления было положено в 1966 г. созданием первого в Беларуси инжекционного лазера.
Установлены многие закономерности действия мощного лазерного излучения на спектры поглощения, испускания и рассеяния света атомами и молекулами. В частности, в 1963 г. предсказано расщепление на три компоненты спектров испускания и поглощения двухуровневых систем в поле мощного высокомонохроматичного излучения. В 1974 г. этот триплет наблюдался экспериментально, был объяснен на основе соотношений, полученных Моллоу в 1968 г., и в научной литературе именуется триплетом Моллоу.
Разработана теория анизотропных оптических волноводов, включая планарные и с неоднородным наполнением.
Установлены закономерности отражения света от усиливающих и нелинейных сред, открыто явление гистерезиса при таком отражении.
Обстоятельно изучены закономерности развития вынужденного комбинационного рассеяния в различных условиях и средах. На этой основе созданы методы и системы ВКР-преобразования лазерного излучения в различных временных режимах от непрерывного до фемтосекундного.
Проведено многогранное исследование нелинейно-оптических явлений и создание на этой основе новых высокоэффективных источников лазерного излучения в широком диапазоне длин волн (190—8100 нм).
Выполнен крупный цикл теоретических и экспериментальных исследований по проблемам лазерного гироскопа, что внесло существенный вклад в решение этой проблемы в СССР.
Изучены поляризационные характеристики вынужденного испускания растворов и генерации газовых лазеров с анизотропными элементами, развиты принципы поляризационной лазерной спектроскопии.
Разработан ряд новых материалов, эффективных для создания активных сред и пассивных затворов твердотельных лазеров.
Развиты новые методы нелинейной и лазерной спектроскопии, созданы уникальные спектрометры (пико- и фемтосекундные, когерентного антистоксового рассеяния, внутрирезонаторные и др.), позволяющие измерять параметры лазерных и нелинейно-оптических сред с высокими чувствительностью, спектральным и временным разрешением. С их помощью изучены также многие процессы энергообмена и взаимодействия в сложных молекулярных структурах, включая биологически важные, в плазменных образованиях, активированных кристаллах и т.п.
Новые направления получила теория непрерывных квантовых измерений, сжатых состояний и квантовых флуктуаций; предложены оригинальные способы квантовой криптографии и обработки информации.
Сотрудниками Института физики и ряда медицинских учреждений республики выполнен большой комплекс исследований по изучению терапевтического и биостимулирующего действия лазерного излучения различных длин волн и интенсивностей. На этой основе разработана и выпущена фирмой «Люзар» целая серия терапевтических лазерных установок, используемых для лечения желтухи у новорожденных, кожных, внутриполостных и других заболеваний во всех клиниках и больницах республики.
Белорусскими физиками и медиками совместно с российскими и украинскими коллегами выполнены глубокие исследования действия лазерного излучения на биоструктуры, включая ткани глаза. Полученные результаты легли в основу разработки ряда аппаратов для лечения глазных заболеваний и использованы при создании норм безопасности при работе с лазерами, принятых в СССР незадолго до его распада.
Приведенный перечень результатов в области лазерной физики убедительно свидетельствует о значительности вклада белорусских физиков и других специалистов в развитие этого весьма важного в инновационном плане направления. Накопленный ранее потенциал развивается и сравнительно эффективно работает в современных условиях, а проводимые в нашей стране исследования, научно-технические разработки и производство лазерной техники соответствуют мировому уровню.