Первый лазер появился всего пятьдесят лет назад, в 1960 году. И за это короткое время стал неотъемлемой частью нашей жизни. Медицина, бытовая техника, обработка материалов, связь — везде сегодня широко используются лазеры. Одна из основных сфер применения — передача информации на расстояние через световоды. Об истории создания лазера и о сегодняшних проблемах российских лазерщиков мы беседуем с директором Научного центра волоконной оптики РАН академиком РАН Евгением Диановым — учеником академика Прохорова, получившего вместе с академиком Басовым и американским физиком Таунсом Нобелевскую премию за разработку квантовых генераторов.
Лазерная история
— Расскажите немного о создании лазера и о том, что это вообще такое. Ведь начиналось все вроде с мазеров?
— Басов и Прохоров, как и Таунс в Америке, сначала занимались мазерами, то есть квантовыми генераторами, излучающими когерентные радиоволны. По физическим принципам лазеры и мазеры — это одно и то же, усиление излучения с помощью вынужденного излучения. Только работают в разных спектральных диапазонах.
Важнейший элемент любого квантового генератора — резонатор, который создает положительную обратную связь. В микроволновом диапазоне, в котором работают мазеры, легко было сделать резонатор, потому что его размеры соизмеримы с длиной волны излучения. Но при традиционных подходах к созданию лазеров, длина волны излучения которых составляет микроны, резонатор должен был бы тоже измеряться микронами. Ясно, что технически это неосуществимо. Но эту проблему удалось обойти: Прохоров предложил — это опубликовано, и Таунс на него ссылался — сделать резонатор из двух параллельных зеркал. Это было очень важным шагом к созданию лазеров. Дальше надо было найти материал, способный быть средой для создания инверсной населенности, найти способ возбуждения электронных уровней.
Провели фундаментальные исследования материалов. Оказалось, что самый подходящий материал для этого — рубин, на котором и был сделан первый лазер. Как это часто бывает, помогло везение. Сотрудник Института общей физики РАН Александр Алексеевич Маненков как раз занимался рубином и много чего про него знал. Он приехал из Казани в аспирантуру к Прохорову. «Хорошо, что не один, а привез с собой рубин» — это стало у нас в институте расхожей шуткой. Они подробно исследовали рубин. Но, к сожалению, сделать лазер первыми удалось американцам.
— В литературе часто пишут о роли советского ученого Валентина Фабриканта в создании лазеров…
— Он все понимал, но не смог реализовать.
— Понимал — в каком смысле?
— Понимал идею, что можно получить усиление света с помощью вынужденного излучения.
— А почему не смог, технических возможностей еще не было?
— Трудно сказать. Он ведь работал в вузе, а для такой деятельности должна быть школа, должен быть коллектив, включающий в себя, кроме физиков, спектроскопистов, материаловедов, многих других специалистов. Сейчас нельзя сделать крупное техническое открытие, находясь в одиночестве. А ФИАН, где вначале вместе работали Басов и Прохоров, — это было прекрасное учреждение, в котором имелись научные сотрудники всех специальностей. То же самое было у американцев. Все-таки одно дело — понимать, другое — сделать. Это две большие разницы. Но потом многие удивлялись и спрашивали Фабриканта: что ж ты не сделал, ведь знал, как надо.
— Вы рассказали о создании твердотельных лазеров. А как развивались другие лазерные направления?
— Появление полупроводниковых лазеров — это тоже очень интересная история. Впервые возможность создания полупроводниковых лазеров была теоретически предсказана Басовым, Вулом, Поповым в 1959 году. В 1961 году Басов, Крохин и Попов предложили использовать для лазеров p-n-переход. В 1963 году Алферов предложил использовать гетероструктуры для полупроводниковых лазеров. Но первыми и здесь были американцы. Свою роль тут сыграло то, что финансирование науки в Америке и тогда было значительно большим, чем у нас. Но в чем Советский Союз не уступал, так это, конечно, в крупных физиках, которые обладали очень глубоким пониманием предмета.
Цена решений
— Как появилась волоконно-оптическая связь?
— В 1970 году Алферов одновременно с американцами показал, что полупроводниковые лазеры могут работать при комнатной температуре. В это же время в фирме Corning Glass был создан первый волоконный световод с низкими потерями. Эти два события, по существу, обусловили возникновение волоконно-оптической связи, которая стала полем для самого, наверное, массового применения лазеров.
Первой попыткой использовать лазеры для связи была передача информации через свободную атмосферу. Между высотным зданием Московского университета и зданием на Зубовской площади, где сидели связисты, была проложена лазерная воздушная линия для изучения передачи информации через атмосферу. Но очень скоро стало понятно, что свободная атмосфера — слишком капризная среда для оптического излучения. Пыль, осадки, турбулентность атмосферы затрудняли надежную передачу информации. Казалось бы, идея использовать лазер для передачи информации зашла в тупик. Выйти из него как раз и позволили стеклянные, волоконные световоды.
Сейчас все континенты соединены подводными волоконно-оптическими системами связи. В наземных системах связи в развитых странах уложен миллиард километров волоконных световодов — в России, к сожалению, существенно меньше. Волоконно-оптическая связь стала основным, самым главным типом связи, позволившим резко увеличить скорости передаваемой информации по сравнению с радио и проводной связью. Специалистам известно, что чем больше частота несущего излучения, тем с большей скоростью с его помощью можно передавать информацию.
Но и современных волоконно-оптических систем связи становится недостаточно. Экономика, образование, инфраструктура государственного управления требуют значительно больших скоростей передачи информации. Сейчас это где-то один терабит в секунду по одному волоконному световоду. А ставится задача передавать по одному световоду 50–100 терабит в секунду. Один из путей достижения таких результатов — расширить спектральный диапазон, через который можно передавать информацию. Но пока в диапазоне от 1,3 до 1,5 микрона нет подходящих лазеров и усилителей.
Сегодня существуют лазеры, генерирующие излучение от ультрафиолета до средней ИК-области спектра. Но на самом деле эффективных лазеров, которые имеют хорошую длину волны, возможности для широкого применения, не так уж и много, может быть, десяток.
Есть области, в которых пока не получено лазерного излучения, но которые очень нужны. Дело в том, что волоконно-оптическая связь использует очень узкий спектральный диапазон — от 1,53 до 1,61 микрона. И то лишь потому, что там существует эрбиевый волоконный усилитель, который идеально соответствует области малых оптических потерь как раз в этом диапазоне, он хорошо отработан, эффективен. Но область низких оптических потерь световодов значительно шире. Ее полное использование могло бы позволить резко увеличить скорость передачи информации. Однако до недавнего времени в диапазоне от 1,3 до 1,5 микрона не было ни лазеров, ни усилителей. Так вот, именно нам, буквально в последние годы, удалось создать новый тип волоконного световода, легированного висмутом, и новый тип лазера, который люминисцирует в области 1,3–1,5 мкм.
— Удалось создать здесь, в вашем институте?
— Здесь, в этом институте, совместно с химиками из Института химии высокочистых веществ РАН из Нижнего Новгорода. Но идея была не наша. Ее высказали японцы, Фудзимото с соавторами, еще в 1999-м и 2001 годах. Когда ко мне попала их статья где-то в 2003 году, я удивился: а почему же они волоконный световод не сделали? А мы сделаем. И создали волоконный световод, легированный висмутом, доложили на конференции, и тут же сделали лазер на основе вот этого волоконного световода с висмутом. Это колоссальное достижение, которое сулит новый подъем волоконно-оптической связи, — ведь можно использовать для передачи информации спектральный диапазон 1,3–1,5 микрона.
— А какова дальнейшая логика развития, от создания образца к серийному производству? Вам с вашим новым световодом это тоже сейчас предстоит.
— В России все делается непросто. В советское время, конечно, с внедрением тоже были проблемы. Но там было понимание сверху, что надо развивать науку, наукоемкие отрасли промышленности, и возможность принимать волевые решения, которые подкреплялись серьезными финансовыми вложениями. Была Военно-промышленная комиссия, оборонный отдел ЦК, куда можно было прийти со своими проблемами. И они с пониманием относились — там сидели очень умные, заинтересованные и грамотные люди.
Хотя и в советское время уже были свои проблемы. В семидесятые годы Прохоров настоял на организации производства волоконных световодов. Я принимал участие в подготовке постановления ВПК. Мы разработали световоды с потерями 10 децибел на километр. Министерство электронной промышленности начало разработку оборудования, приборов. Были затрачены большие средства. Если бы работа продолжалась, мы бы сейчас были на передовых позициях. Но в ВПК вдруг решили, что самим разрабатывать — это терять время: купим завод «под ключ» за границей, благо, что появились нефтяные деньги. Запретили МЭПу этим заниматься, выделили деньги на покупку завода.
Прохоров пытался убедить их, что эта технология только начинает развиваться: «Как можно покупать завод? Через несколько лет будет уже другая технология». Несмотря на наши протесты, подписали контракт с английской фирмой на строительство завода в Гусь-Хрустальном. Купили почти все. Но дальше началась перестройка. Что-то не заплатили фирме, и завод так и не запустили. Хотя станки уже стояли, все было подготовлено. Потом завод акционировали, станки распродали. Я сам купил для нашего центра. Таковы издержки принятия непродуманных волевых решений, которые не учитывают мнение ученых.
— А сегодня?
— Сегодня вроде бы рыночная экономика. Не надо принимать волевых решений, рынок должен востребовать все самое современное. Но наш опыт показывает, что, скажем, наша работа по созданию новых типов волоконных световодов в стране никому не нужна. Фирмы Corning Glass, Bell Telephone ко мне обращаются, просят что-то разработать, предлагают контракты. Мы с ними сотрудничаем.
Недавно я делал доклад в Министерстве связи, пытаясь как-то инициировать промышленное производство новых световодов и на его основе внедрить их новое поколение. Они говорят: мы покупаем готовые волоконные световоды, а новое производство — это не к нам, это уже к Министерству экономического развития. Но ведь это и есть сырьевая экономика: продаем газ, нефть, имеем деньги и покупаем продукты высокотехнологичного производства.
Я дважды беседовал с Грефом. Он говорит: поймите, ко мне никто не приходит со словами, что нам нужны волоконные световоды. Я спрашиваю в Минсвязи: а почему вы-то не скажете, что нам нужны волоконные световоды? Отвечают: а нам они не нужны. Мы не создаем средства связи. Получается тупик, и в стране нет механизма, способного его преодолеть.
— А частных фирм, которые этим интересуются, в России нет? Которые могут это сделать?
— У нас ведь лабораторная технология. Наши фирмы не имеют таких средств, чтобы разработать серийную технологию. Без государственной поддержки этого не сделать. А государственной поддержки нет — до сих пор в силе концепция, что рынок все расставит по своим местам. Но даже в Америке он не все расставляет. В свое время, когда развивалась волоконная оптика, государство помогало фирмам Bell Telephone, Corning Glass — налоговые скидки им делало, способствовало выгодному кредитованию. А у нас еще и сырьевая экономика парализует все усилия, поскольку кажется, что на деньги, которые от этого идут, можно все купить. Это проблема, которая меня сильно мучает.
А пока ко мне обращаются зарубежные компании: дайте нам ваши световоды, мы попробуем. И вопрос стоит так: они либо будут покупать их у нас, либо организуют собственное производство, потому что секретов особых нет на самом деле. Уже многие фирмы пытаются этим заняться. Пока у них не получилось. Но они все равно это дело освоят. Моя следующая задача — запатентовать. Но кому это надо в России, пока непонятно.
Проблема инноваций в нашей стране по-прежнему не решается. Хотя руководители много говорят: надо, надо.
Тем не менее сейчас мы пытаемся организовать производство волоконных световодов в стране. Мы рассчитываем, что на этом заводе сможем наладить выпуск новых световодов, разработанных нами. Вместе с Газпромбанком и правительством Мордовии мы подготовили проект: покупаем завод «под ключ», действительно как в советское время, но тогда это была сырая технология, которая только отрабатывалась, а сейчас — современная, с современным оборудованием из Швейцарии. Стоит все это порядка 50 миллионов евро. Но государство не поддерживает. А Газпромбанк говорит: «Пусть хотя бы одну треть затрат кто-то еще возьмет на себя». Обратились в Роснано, поскольку новые световоды имеют наноструктуру. Проходим сейчас экспертизу. Но Министерство связи даже в моральной поддержке отказывает. «Не нужно, купим мы волоконные световоды за границей».
В феврале президент Медведев проводил Совет по информатизации общества в России, на котором сказал, что мы находимся где-то на пятидесятом месте в мире. Но я не увидел в материалах заседания совета анализа, почему же мы отстаем. И поэтому никак не могу определить, понимают наверху важность организации в стране наукоемкого производства или не понимают. Если да, почему не помогают? Если нет, почему не спросят ученых и не посмотрят, что в мире делается? Мы же не за железным занавесом. Вы об этом напишете?
