close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Golovkina Istoriya i metodologiya fotoniki i optoinformatiki

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
Кафедра физики
М.В. Головкина
ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ФОТОНИКИ
И ОПТОИНФОРМАТИКИ
Учебное пособие
Самара - 2017
1
ББК 22.37
Г24
УДК 167
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ,
протокол № от 17.02.2017 г.
Головкина, М.В. История и методология фотоники и
оптоинформатики: учебное пособие / М.В. Головкина. –
Самара: ПГУТИ, 2017. -100 с.
Книга представляет собой учебное пособие по дисциплине
«История и методология фотоники и оптоинформатики». Учебное
пособие рассчитано на магистрантов первого года обучения
направления 12.04.03 "Фотоника и оптоинформатика" и разработано в
соответствии с федеральным государственным образовательным
стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03
Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014.
В книге на высоком уровне рассматриваются вопросы роли
науки в современном обществе, методологические проблемы
конкретной отрасли науки - фотоники и оптоинформатики,
практические вопросы особенностей методологии решения научных и
инженерных задач в области фотоники и оптоинформатики, изучается
история фотоники. Особое внимание уделяется вкладу советских и
российских ученых в развитие фотоники.
Для магистрантов, аспирантов, изучающих вопросы фотоники,
оптики, оптоинформатики и оптической связи, а также для инженернотехнических работников.
 Головкина М.В., 2017
2
Содержание
Введение
5
Глава 1. Влияние науки на развитие общества. Проблема
демаркации
6
1.1 Научные революции
6
1.2 Научно-техническая революция
8
1.3 Социально-экономические последствия
использования научно-технических достижений
11
1.5 Социально-исторические последствия
информатизации общества
13
Глава 2 Логико-методологические аспекты фотоники
15
2.1 Фотоника как наука
15
2.2 Предмет логики и методологии фотоники
18
2.3 Что такое наука
21
2.4 Проблема демаркации
23
Глава 3 Этические аспекты научного прогресса
30
3.1 Этика науки
30
3.2 Этика и социальная ответственность ученого
34
Глава 4 Методология научного познания
36
4.1 Методы научного познания
36
4.2 Уровни научного знания
38
4.3 Моделирование
39
4.4 Компьютерное моделирование в фотонике
43
Глава 5 История фотоники и оптоинформатики
49
5.1 История возникновения термина "фотоника"
49
5.2 Хронология развития фотоники
50
5.3 История создания лазера
54
5.3.1 Как работает лазер
55
5.3.2 Вклад Валентина Фабриканта
57
5.4 Басов, Прохоров и Таунс
59
5.5 Какие ученые внесли вклад в создание лазера
60
5.6 Александр Михайлович Прохоров
66
5.7 Николай Геннадиевич Басов
71
5.8 Молекулярный генератор Басова и Прохорова
73
Глава 7 Создание полупроводникового лазера на
двойной гетероструктуре
77
3
7.1 Жорес Алферов. История создания гетероструктур
7.2 Новые полупроводниковые материалы
7.3 Будущее гетероструктур
Глава 8 Метаматериалы
8.1 Предшественники современных метаматериалов
и их создатели
8.2 Сергей Александрович Щелкунов
8.3 Виктор Георгиевич Веселаго
8.4 Среды с отрицательным показателем преломления
Заключение
Глоссарий
Литература
77
81
83
88
86
89
90
92
96
97
99
4
Введение
В настоящее время наука развивается все более бурными
темпами, оказывая влияние практически на все сферы
человеческой жизни. В эпоху научно-технического прогресса и
технологической революции, произошедшей в 80-е годы
20 века, наука становится не просто непосредственной
производительной силой человеческого общества, она
полностью в некоторых отраслях сращивается с производством
и технологиями. К такой наукоемкой отрасли можно отнести
фотонику и оптоинформатику, которая развивается на основе
последних научных достижений и сама оказывает влияние на
развитие науки, не просто требуя в своем развитии решения
определенных насущных задач, стоящих перед фотоникой, но и
создавая на основе развитых технологий материальный базис
для научных исследований. Поэтому так важно современному
инженеру-исследователю, работающему в области фотоники и
оптоинформатики, знать и понимать общие методы
исследования, присущие науке вообще и специальные методы,
применяемые в данной конкретной области науки. Решению
этой проблемы и посвящено представляемое учебное пособие,
созданное для магистрантов направления "Фотоника и
оптоинформатика".
5
Глава 1 Влияние науки на развитие общества.
Проблема демаркации
1.1 Научные революции
Наука и техника могут развиваться как путѐм
постепенных количественных накоплений, так и путѐм довольно
радикальных изменений в самих исходных основаниях.
Первой технической революцией считается неолитическая
революция в орудиях труда, состоявшаяся примерно 10-8 тыс.
лет назад.
Вторая техническая революция произошла в Европе в
конце XVIII - начале XIX вв. Это промышленная революция:
появляются
первые
машины.
Машины
увеличивают
производительность труда и постепенно начинают проникать в
различные сферы жизни [8].
К области классического естествознания (с XVII в.)
относят две революции.
1 революция классического естествознания - XVII в.
(классическая механика Ньютона). Происходит становление
классического естествознания на базе господствовавших в то
время механистических представлений. Через все классическое
естествознание проходит мысль, в соответствии с которой
объективность и предметность научного исследования
достигается только в том случае, когда из описания и
объяснения исключается все, что относится к субъекту и
процедурам его познавательной деятельности. Процедуры
познавательной деятельности тогда понимались как раз навсегда
данные и неизменные. Идеалом научного познания было
построение абсолютно истинной картины мира. Главное
внимание
уделялось
поиску
очевидных,
наглядных,
«вытекающих из опыта» эмпирических принципов, которые
позволяли строить научные теории. В основе такого подхода
лежали
следующие
философские
основания:
человек
экспериментирует с объектами природы, которые в процессе
познавательной деятельности раскрывают ему свои тайны.
Разум исследователя рассматривался как посторонний
6
наблюдатель,
который
объективно
оценивает
объект
наблюдения, причем разум представлялся ничем не
детерминированным (ни социальными, ни культурными, ни
личностными особенностями).
2 революция классического естествознания – конец XVIII
– начало XIX в. Происходит переход к дисциплинарно
организованной
науке.
Наблюдается
усиленная
дифференциация наук. Появляются новые специфические
научные
картин
мира,
которые
не
сводятся
к
господствовавшему ранее механистическому мировоззрению.
Появляются эволюционные установки в геологии и биологии. В
философии разрабатывается проблема классификации наук,
исследуется проблема общих методов, поиск путей единства
знаний.
3 революция – конец XIX – начало XX вв. Эта революция
относится уже к неклассическому естествознанию. В это время
совершен ряд революционных открытий в разных областях. В
физике – открытие делимости атома, становление теории
относительности Эйнштейна, разработка квантовой теорий. В
космологии – нестанционарная теория Вселенной. В биологии –
генетика. Создается кибернетика и теория систем. В XX в.
состоялся процесс органического соединения науки и техники,
выхода науки на ведущее место в еѐ связке с техникой.
Можно
рассмотреть
и
другую
классификацию.
Французский социолог Ж.П. Кантен выделяет три волны в
развитии общественного научно-технического прогресса:
 Первая волна - это промышленная революция 18-19 века.
 Вторая волна – хорошо известная нам научно-техническая
революция 20 в.
 Третья волна – это технологическая революция,
начавшаяся в 80-е годы 20 века.
Понятие
технологической
волны
стало широко
применяться в научном обществе после выхода в свет работы А.
Тоффлера «Третья волна». Третья волна научно-технического
прогресса – это технологическая революция, которая завершает
аграрную революцию («первая волна») и промышленную
революцию («вторая волна») [12]. А. Тоффлер считает, что
7
технологическая революция приведѐт к возвращению к
временам доиндустриального развития общества на новой
основе – на основе биоиндустрии, космической и электронной
техники [6].
Рассмотрим
тенденции
общественного
развития,
наблюдающиеся в условиях развертывания «третьей волны»
научно-технического прогресса. Нужно отметить, что не следует
ожидать прекращения бурного научно-технического развития,
которое неразрывно связано с самим существованием человека.
Научно-технический прогресс, по мнению исследователей,
будет идти постоянно со все нарастающей скоростью. Но он
потребует от человечества комплексного решения проблем
жизни в условиях современной технологической революции;
постепенного привлечения к научно-техническому прогрессу
всех слоев широкой мировой общественности, так как
информационно-технологические
преобразования
имеют
глобальный характер.
1.2 Научно-техническая революция
Неотъемлемыми
элементами
современного
промышленного производства являются результаты научнотехнических исследований, новые технологии, научные
программы, планы и прогнозы, автоматизированные системы
управления и научной организации труда. Постоянно и
неуклонно возрастает роль науки в современном производстве.
Наука при этом которая обеспечивает теоретическую сторону
практической
производственной
деятельности.
Непосредственным образом влияние науки проявляется в
научно-техническом прогрессе, который стал главным фактором
экономического прогресса. Современный этап научнотехнического
прогресса
называют
научно-технической
революцией (НТР). Уточним соотношение понятий научнотехнической революции и научно-технического прогресса.
Научно-техническая революция является более узким понятием.
Научно-техническая революция - это одна из стадий или форм
научно-технического прогресса. При этом темпы научно-
8
технического
прогресса
приобретают
ускоренный,
скачкообразный характер. Проявлением научно-технической
революции является коренная перестройка всей технической и
технологической базы производства, его организации и
управления, которые осуществляются на базе практического
использования фундаментальных открытий современной науки
[8]. При определении сущности НТР следует прежде всего
обратить внимание на органическое слияние науки и техники в
процессе их развития. Современная техника и технологии
невозможны без заключенных в них научных достижений. Если
в прошлом наука выступала как самостоятельная сфера
человеческой деятельности, независимая от других факторов
общественной жизни, то с некоторого момента она начинает
взаимодействовать с другими сферами деятельности человека.
Особенно усиливается еѐ взаимосвязь с производством и
техникой. При этом наука, влияя на развитие производства и
технологий, сама не может существовать без них. В
современном производстве чѐтко прослеживается тенденция
технологического применения науки и неуклонное превращение
науки в непосредственную производительную силу.
Процесс превращения науки в непосредственную
производительную
силу
имеет
два
взаимосвязанных
направления:
Во-первых,
результаты
научных
исследований
воплощаются в технике, технологии, в материальном
производстве вообще. Здесь наука выполняет материальнотехническую функцию.
Во-вторых, научные знания влияют не только на
производство, но и на самих людей, их мировоззрение,
творческие способности. В ходе дальнейшего развития научнотехнической революции эта тенденция проявляется всѐ
отчѐтливее, всѐ острее становится объективная необходимость
совершенствования творческих способностей личности, всѐ
больше возрастает значение духовного развития трудящихся как
решающего фактора материального производства [8].
Без интеллектуального развития производительных сил,
инженеров, техников, управляющих производством невозможно
9
и развитие техники, технологии, использование их в
производстве. На основании сказанного можно дать следующее
определение сущности научно-технической революции:
Научно-техническая революция – это коренное
преобразование производительных сил на базе превращения
науки в непосредственную производительную силу, изменение
места и роли человека в производстве [8].
Техническая ориентация науки стала чѐтко проявляться со
времени промышленной революции конца 18 – начала 20 вв. С
тех пор происходит бурное развитие комплекса естественных
наук, появляются прикладные исследования, технические
разработки, производственные исследования. Сама научнотехническая революция берѐт начало в середине 50-х годов XX
столетия с внедрением комплексной механизации, с появлением
космической техники, электронно-вычислительных машин.
Современный этап научно-технической революции связывают с
такими еѐ приоритетными направлениями, как автоматизация,
роботизация, кибернетизация, развитие микроэлектроники,
биотехнологии,
информатики,
наноиндустрии
и
нанотехнологий. Ядром, базой собственно автоматизации
является информатизация и компьютерная техника. Поэтому
современный этап научно- технической революции можно
назвать компьютерно-информационным. Развитие компьютеров
за последние десятилетия, ихминиатюризация, повышение
быстродействия привели к кардинальным изменениям в области
информационной техники и технологий. По мнению
исследователей, появились совершенно новые технологии
информационных процессов, которые привели к освобождению
мозга человека от нетворческой, механической, рутинной
работы, в результате передачи значительной части такой работы
компьютерам. При этом мозг человека освободился мозга для
более творческой деятельности различных видов, в том числе по
переработке информации и созданию нового знания.
Выяснив сущность и основные направления современного
этапа научно-технической революции, необходимо рассмотреть
еѐ социальные последствия. Развитие науки и техники само по
себе не зависит от того, в какой социально-экономической
10
системе оно происходит. Научно-технический прогресс влияет
на развитие общества, а способ использования научно технических достижений зависит от конкретного социальноэкономического строения общества.
1.3
Социально-экономические
последствия
использования научно-технических достижений
Бурное развитие научно-технической мысли, все более
тесное взаимодействие науки и технических приложений
привели к тому, что научно-технические достижения оказывают
все большее влияние на жизнь человечества. Все возрастающая
роль техники и оценки
последствий еѐ использования
обусловлена рядом причин, в том числе кризисом современной
инженерии. В настоящее время обозначились четыре области
такого кризиса [8]:
1) поглощение
инженерии
новым
современным
проектированием,
2) поглощение инженерных знаний технологиями,
3) осознание отрицательных последствий инженерной
деятельности,
4) кризис традиционной научно-инженерной картины
мира.
Традиционное инженерное (техническое) проектирование
имеет дело с разработкой процессов, описанных в естественных
или технических науках. Но сейчас в
инженерном
проектировании не все задается и рассчитывается на основе
знаний естественных наук. Например, при проектировании
автомашин, самолѐтов, ракет, сложных устройств фотоники до
последнего времени не учитывались и не рассчитывались
следующие параметры: загрязнение воздушной среды
вследствие работы механизмов и транспорта, тепловые
выбросы,
уровень
шума,
изменение
инфраструктуры
(требования к изменению коммуникаций, технологии
изготовления, образованию работников сложных наукоемких
производств).
11
В настоящее время область проектирования различных
устройств подверглась экспансии проектного мышления.
Многие проектировщики, создающие новые технологии или
устройства, разделяют следующий подход: всѐ, что задумано в
проекте, можно реализовать. Это так называемый проектный
фетишизм, развивающийся в рамках проектного подхода.
Проектный подход в инженерии привѐл к резкому расширению
той области процессов и изменений, которая не требует знаний
и расчѐтов, описанных в рамках естественных или технических
наук. Эта область содержит процессы следующих видов:
1. Учет влияния на природные процессы (например,
расчет загрязнения воздушной среды, изменения
почвы, оценка разрушения озонового слоя, тепловых
выбросов и т.п.),
2. Исследование инфраструктурных изменений
3. Воздействие научно-технических достижений на
человека и общество в целом (например, влияние
скоростного
транспорта
или
всеобщей
компьютеризации на образ жизни, сознание,
поведение человека.
Современный научно-технический работник, ученый,
инженер – это не просто высокопрофессиональный специалист,
решающий узкие профессиональные задачи. Его деятельность
неразрывно связана с окружающей средой, экономическими и
социальными институтами и самим человеком. Решая свои узко
профессиональные задачи, современный инженер-исследователь
активно влияет на общество, человека, природу, что не всегда
приводит к улучшению, например, экологической обстановки
или другим последствиям. Эта социально-экономическая
направленность работы современного ученого и инженера
становится совершенно очевидной в рамках рыночной
экономики – когда высокообразованный специалист вынужден
учитывать в своих разработках требования рынка и желания
потребителей.
Современный
этап
развития
научно-технической
деятельности и развития инженерной мысли отличается
системным подходом к решению сложных научно-технических
12
задач,
использование
всего
комплекса
социальных
гуманитарных, естественных и технических наук. Однако был
этап развития человечества, на котором инженерная
деятельность существовала ещѐ в «чистом» виде: сначала лишь
как чистое изобретательство, затем в ней выделились проектноконструкторская
деятельность,
а
также
организация
производства. Обособление проектирования и проникновение
его в соседние области, переплетенные с решением сложных
научно-технических и социальных проблем, привели к кризису
традиционного инженерного мышления и развитию новых форм
инженерной и проектной культуры, а также к появлению новых
системных и методологических подходов, к использованию
гуманитарных методов познания и освоение окружающей
действительности.
1.5
Социально-исторические
информатизации общества
последствия
Изменение характера человеческого труда является одним
из важных социальных последствий информатизации общества.
Следствием
глобальных
процессов
компьютеризации,
информатизации и проникновения интернета во все сферы
человеческой жизни явилось кардинальное изменение не только
содержания знаний о мире, но и способов получения этих
знаний, воспроизведения и распространения, что в конечном
счете существенно повлияло на формирование внутренней
структуры человеческой личности. Многие современные
исследователи отмечают, что человек, сформировавшийся в
условиях традиционной школы и вуза, по своим внутренним
психологическим характеристикам отличается от того, который
уже в детском саду играл в компьютерные игры, занимался в
школе в компьютерном классе, работает на компьютеризованном рабочем месте и общается с друзьями посредством
социальных сетей. Под воздействием новых информационных
технологий меняются сам человек, стиль его мышления,
способы взаимодействия между людьми, методы и критерии
оценки окружающих и самооценки. Весьма важной становится
13
проблема зависимости человека от компьютеров и современных
гаджетов. Появление и распространение сети интернет может
привести к тому, что в ближайшие годы основными
источниками информации для человека станет интернет и
средства массовой информации, которые также проникли во
всемирную паутину.
Вопросы для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Что такое научная революция?
Назовите революции классического естествознания.
Что такое научно-техническая революция?
Назовите основные направления современного этапа
научно-технической революции.
Назовите три волны в развитии научно-технического
прогресса.
Как научные знания влияют на мировоззрение людей?
Что такое "технологическая" революция?
В чем состоит так называемый кризис современной
инженерии?
Что такое проектный подход?
Какие последствия информатизации общества вы
можете назвать?
14
Глава 2
фотоники
Логико-методологические
аспекты
2.1 Фотоника как наука
Наука – это сфера человеческой деятельности,
направленная на получение новых знаний о природе, обществе и
мышлении. Наука является важнейшей составляющей духовной
культуры. Наука также рассматривается как социальный
институт.
Наука
характеризуется
следующими
взаимосвязанными признаками:
 Наука – это
совокупность объективных и
обоснованных знаний о природе, человеке, обществе;
 Наука – это также деятельность, направленная на
получение новых достоверных знаний;
 Наука – совокупность социальных институтов, которые
обеспечивают существование, функционирование,
хранение и развитие познания и знания.
Термин «наука» употребляется также для обозначения
различных областей научного познания: математики, физики,
биологии и т.д [7].
Целью науки является получение объективных знаний о
субъективном и объективном мире. Можно отметить
следующие задачи науки:
1. Сбор, описание, анализ, обобщение и объяснение научных
фактов.
2. Обнаружение законов природы, общества, мышления и
познания.
3. Систематизация и обобщение полученных знаний.
4. Создание теорий и прогнозирование событий, явлений и
процессов.
5. Описание
направлений
и
форм
практического
использования полученных знаний.
Функции науки.
Можно выделить три основные
15

Важнейшая функция науки – быть производительной
силой общества.
 Наука
имеет
культурно–мировоззренческую
функцию
 Наука проявляет функцию социальной силы.
Мировоззренческая функция науки является одной из
самых древнейших, она существовала всегда. Но в
доиндустриальном обществе мировоззренческая функция науки
подчинялась господствующим в то время в обществе
мифологическим или религиозным воззрениям. Выделение
науки в качестве самостоятельного образования, независимого
от религиозных взглядов, происходит лишь в период
становления современного промышленного общества с
развитием прогресса. Сейчас стало ясно, что крупные научные
открытия, создание
новых научных теорий оказывают
серьезное воздействие на само общество, ведут к изменениям в
социальном мире. В современной техногенной цивилизации,
когда техника, выросшая на базе последних достижений науки,
развивается стремительными темпами, научно-технический
прогресс постоянно изменяет формы коммуникации между
людьми их образ жизни. На протяжении жизни одного
поколения под влиянием развития технических достижений и
стремительной информатизации образ жизни и стиль общения
людей
меняется
так
существенно,
что
обостряет
взаимонепонимание между поколениями.
Функция
науки
как
непосредственной
производительной силы человеческого общества проявляется в
создании новых технологий, принципов организации труда,
новых технических средств и оборудования. И эта функция
науки приобретает все более важную роль в современных
условиях убыстряющегося научно-технического прогресса и
информационной революции. И фотоника как наука является
одной из отраслей знаний, в которой наиболее ярко проявляется
неразрывная связь между научными достижениями и их
внедрением в практическую область.
16
Фотоника
Оптика
Электроника
Фотоника – это совершенно новое направление, которое
возникло на стыке науки оптики и электроники, как нельзя
лучше показывает тенденции развития техногенного общества.
Наука
не
просто
становится
непосредственной
производительной силой человеческого общества, а проникает
во все сферы человеческого существования. И фотоника
является движущей силой инновационного развития. Основные
тенденции мирового рынка показывают быстрое наращивание
числа технологий и методик фотоники, которые имеют чисто
экономическое применение. При этом происходит как
увеличение объемов производства продукции фотоники в тех
областях, где она уже активно применяется, так и
проникновение продукции фотоники в новые области
применения, что связано как с развитием технологий, так и с
развитием новых материалов и оборудования. О том, как
лазерные фотонные технологии влияют на инновации, говорит
следующий пример. В настоящее время в микроэлектронике
одной из важнейших проблем является уменьшение размеров
устройств фотоники и компьютерных чипов. Счет идет на
нанометры. Сделать это без фотоники невозможно. В процессе
производства
наночипов
используется
литография,
коротковолновая или ионная. И если затратить 10 миллионов
рублей на внедрение нанолитографии, то это позволит
выпустить чипов на 1000 миллионов рублей, которые,
внедренные в устройства конечно продукции, смогут принести
еще большую прибыль. Вот перспективы использования
фотоники: вложения 1 миллиона долларов могут принести на
выходе 1,5 миллиарда.
17
Другой аспект применения достижений фотоники
наглядно демонстрирует светотехника, а именно, освещение с
помощью светодиодов. Сейчас около 15 процентов мирового
производства электроэнергии тратится на освещение. Эта цифра
по прогнозам специалистов может удвоиться в ближайшие 20
лет, что приведет к существенному загрязнению природы
отходами, которые возникают при выработке энергии. Выходом
является использование для освещения источников с высоким
КПД, а именно светодиодов, что позволит уменьшить расходы
электроэнергии в несколько раз.
Научный прогресс неуклонно требует того, чтобы система
научных знаний была не только обязательным условием
успешного развития экономико-технологической сферы, но и
обязательным элементом грамотности и образования любого
человека.
2.2 Предмет логики и методологии фотоники
Жизнь современного технологического общества тесно
переплетена с наукой и в значительной мере зависит от ее
успехов. В наших квартирах находятся холодильники с
подключением к интернету и автоматические стиральные
машины, телевизоры и компьютеры; мы с вами ездим не на
лошадях, как это было еще в начале ХХ в., а на современных
автомобилях, летаем на самолетах; человечество победило
холеру и оспу, которые когда-то опустошали целые страны;
люди покоряют космическое пространство и посылают
космические зонды к другим планетам. Земной шар, громадный
и почти еще неизведанный во времена Колумба, к настоящему
времени полностью изучен от полюса до полюса и уже
становится тесен для деятельности человека. Колумб, как
известно, добирался до Америки на кораблях больше месяца,
сейчас самолет доставляет вас из Москвы до Нью-Йорка всего
лишь за несколько часов. Сеть интернет позволяет общаться без
помех с человеком, который находится в другом полушарии.
Все эти достижения человечества, которыми мы пользуемся в
обыденной жизни, связаны с развитием науки и были бы
18
немыслимы без использования научных открытий. В настоящее
время трудно найти хотя бы одну сферу человеческой
деятельности, в которой можно было бы обойтись без
использования достижений и рекомендаций научного и
технического знания. И дальнейший прогресс человеческого
общества неизменно связывают с новыми научными и научнотехническими достижениями.
Огромное влияние науки на жизнь и деятельность
человечества заставляет людей обратить внимание на саму
науку и сделать ее предметом изучения. Рассматриваются
вопросы: что такое наука? Чем отличается научное знание от
ненаучного знания? От мифа или религии? В чем состоит
ценность науки? Как развивается наука? Какими методами
пользуются современные исследователи? Поиск ответов на эти
и другие вопросы, связанные с пониманием науки как особой
сферы человеческой деятельности, привел к возникновению
особой дисциплины, которая называется логика и методология
научного познания (или философии науки). Логика и
методология научного познания сформировалась на стыке трех
областей:
 самой науки,
 ее истории и
 философии.
Логика и методология науки - это дисциплина, которая
изучает, что такое наука, в чем состоит специфика научного
познания и методов науки, какова структура и функции
научного знания, в каком направлении развивается наука.
Философия изучает ответы на вопросы: что такое
человеческое познание вообще, какова его природа и
социальные функции, какова его связь с практикой.
Современный ученый должен изучить ответы на эти вопросы,
перед тем, как приступать к исследованию науки и пытаться
отвечать на какие-то вопросы относительно научного знания.
Однако разные философские направления предлагают
различные ответы. Поэтому каждый ученый и методолог науки
с самого начала обязательно опирается на ту или иную
философскую систему. И эту философскую систему приходится
19
применять в рамках конкретной дисциплины: физики, химии,
фотоники или ее составляющей, например, в рамках фотоники
можно изучать электродинамику устройств фотоники,
квантовомеханические
принципы
работы
лазеров,
вычислительные методы и компьютерное проектирование
оптоэлектронных устройств и многое другое. Поэтому каждый
методолог науки избирает для изучения и анализа какие-то
отдельные научные дисциплины или даже отдельные научные
теории. Обычно этот выбор определяется его философскими
предпочтениями или особенностями его образования и
практической деятельности. Если принять во внимание то
обстоятельство, что представители методологии науки могут
ориентироваться на разные философские направления и
работать в рамках разных научных дисциплин, то становится
ясным, что они часто будут приходить к выработке очень
разных представлений о науке.
Это выражается в том факте, что в методологии науки
существует множество различных методологических концепций
или теорий науки, которые дают систематизированные и
логически согласованные ответы на поставленные выше
вопросы.
Предметом изучения методологии фотоники являются все
процессы и явления, связанные с распространением световых
квантов или фотонов в различных средах, с передачей, приемом
и хранением информации при помощи световых квантов, а
также технологии создания устройств, использующих в основе
своей конструкции распространение квантов электромагнитных
волн и их взаимодействие с различными средами. Поэтому
предмет изучения методологии фотоники в некотором смысле
оказывается даже более широким, чем предмет изучения
методологии оптики, потому что фотоника включает в себя не
только законы оптики, но и техническое реализации различных
устройств, применение лазеров в различных отраслях, создание
высокочувствительных биологических сенсоров на основе
плазмонного резонанса для медицинских и биологических
исследований, вопросы получения изображения в цифровой
20
фотографии и
приложений.
световой
рекламе
и
множество
других
2.3 Что такое наука
Наука - это сфера человеческой деятельности, которая
направлена на получение, обоснование и систематизацию
истинного знания о мире. Наука – это и сама деятельность по
приобретению знаний, и вся сумма полученных знаний.
Непосредственными целями науки является
 описание,
 объяснение,
 предсказание
процессов
и
явлений
действительности, которые составляют предмет еѐ
изучения.
Наука проводит описание и объяснение на основе открываемых
ею законов и широком смысле наука дает теоретическое
отражение действительности [1].
Главной целью науки является получение истины. Чтобы
точнее понять смысл этой цели, нужно вспомнить о том, что
такое истина. Истина – это верное отражение объективной
действительности в сознании человека, воспроизведение еѐ
такой, какой она существует сама по себе, вне и независимо от
человека и его сознания [1].
Как известно, ответ на вопрос, что такое истина, пытались
найти еще мыслители древности. В IУ веке до н.э. великий
греческий философ и ученый Аристотель отмечал следующее:
"Истина есть соответствие вещи и интеллекта". То есть
истинной является та мысль, которая соответствует своему
предмету, т.е. представляет его нашему сознанию таким, каков
он есть на самом деле, в реальности. Высказывание "Козы не
едят мяса" истинно, ибо козы действительно не питаются мясом.
А вот высказывание "Рыбы живут на деревьях" искажает
реальное положение дел, поэтому является ложным.
21
Истина
объективна
Истинное
особенностями.
общезначима
знание
обладает
двумя
важными
Во-первых, истина объективна. Это означает, что она не
зависит от воли и желания людей. Будет ли истинной та или
иная мысль, зависит не от воли человека, а от окружающего
мира, от реального положения вещей. Даже если все люди будут
искренне верить, что рыбы живут на деревьях, эта вера не
сделает данную мысль истинной.
Во-вторых, истина общезначима. Это означает, что
истину обязан принимать каждый человек, независимо от своей
профессии,
социального
положения,
национальности,
гражданства и т.п. С тем, что вода замерзает при нормальном
давлении при 0 градусов Цельсия, вынужден согласиться
миллионер и обычный человек, африканец и европеец,
школьник или профессор. Конечно, с истиной можно иногда не
соглашаться, ее можно не принимать, но в тогда оказывается
невозможным действовать практически. Представьте себе
человека, который не признает научных истин и не принимает
закон всемирного тяготения. Пока такой человек просто
рассуждает, это еще не страшно. Но если он попытается
действовать, скажем, прыгнет из окна с 5-ого этажа, не
учитывая закон тяготения, история может закончиться печально.
Наука ищет объективную и общезначимую истину, которая
верна для всех. Поэтому результаты науки интерсубъективны,
то есть принадлежат в равной мере представителям всех стран и
народов.
22
2.4 Проблема демаркации
Цель науки – получение истины. Однако тем же вопросом
занимаются и другие сферы духовной деятельности человека,
также претендующих на обладание истиной, начиная от мифа,
магии, религии, и заканчивая многообразными псевдонауками.
Поэтому одного указания на цель научной деятельности еще
недостаточно для того, чтобы отличить науку от других сфер.
Для этого нужно попытаться отметить еще какие-то черты
научного знания, которые были бы присущи только науке и
отсутствовали у других форм и результатов духовной
деятельности. Проблема нахождения четких критериев, которые
позволяют отличить науку от других видов духовной
деятельности человека, называется проблемой демаркации.
Более столетия ученые и философы пытались найти решение
этой проблемы.
Долгое время отличительную особенность научного
знания
видели
в
его
обоснованности
фактами,
экспериментальными
данными
или
наблюдениями,
а
специфическим методом науки считали индукцию – переход от
отдельных фактов к обобщениям. Считалось, что сначала
ученый собирает факты, накапливает наблюдения, затем
обобщает их в законах или теориях. Например, датский
астроном Тихо де Браге более 20 лет наблюдал движение планет
и фиксировал их положение на небосводе. Он накопил
громадный эмпирический материал.
Не соглашаясь ни с теорией Птолемея, ни с теорией
Коперника, Тихо Браге решил создать собственную систему
мира. Против теории Коперника он выдвинул возражения не
только теологического, но и чисто астрономического характера.
Так, из его наблюдений, во время которых он достиг точности
угловых измерений до одной минуты, не следовало, что в
положениях звезд имеются годичные смещения, как это должно
было быть в соответствии с теорией Коперника в результате
движения Земли вокруг Солнца. Тихо Браге не мог тогда
предполагать,
что
даже
ближайшие
звезды
дают
23
соответствующие смещения менее одной секунды, ибо
параллаксы звезд впервые были измерены лишь в XIX веке.
Однако наблюдения положений планет показали, что
система Птолемея находится в противоречии с наблюдаемыми
фактами. Поэтому Тихо Браге разработал собственную систему,
в которой неподвижная Земля находилась в центре мира, а
вокруг нее обращались Луна и Солнце, планеты же Меркурий,
Венера, Марс, Юпитер и Сатурн обращались вокруг Солнца.
Эта идея не была абсолютно новой, ибо уже в IV веке до н.э.
Гераклид Понтийский высказал мысль, что Меркурий и Венера
обращаются вокруг Солнца. Новым было лишь то, что Тихо
Браге такое же движение приписал верхним планетам - Марсу,
Юпитеру и Сатурну.
Теория Тихо Браге была в известной мере соединением
теорий Птолемея и Коперника, хотя Браге категорически
отрицал, будто он взял что-то из гелиоцентрической системы
Коперника.
В 1600 году в Прагу прибыл молодой 29-летний Иоганн
Кеплер (1571-1630) и стал главным помощником Тихо Браге.
Тот поручил молодому ученому разработать теорию движения
Марса на основе наблюдений, осуществленных в обсерватории
на острове Хвен. Кеплер взялся за выполнение этой задачи,
однако прежде чем ему удалось получить какие-либо
результаты, Тихо Браге умер (в 1601 году), оставив Кеплеру
свои богатые материалы наблюдений с рекомендацией
разработать теорию движения планет в соответствии с его
теорией, а не теорией Коперника. Кеплер должным образом
использовал оставленные ему материалы, однако совсем не так,
как этого хотел его учитель, ибо итоги астрономических
наблюдений, особенно наблюдений Марса, послужили как раз
доказательством правильности гениальной теории Коперника.
Итак, вопреки своей воле, Тихо Браге, выступавший
против теории Коперника, явился первым астрономом, который
своими наблюдениями серьезно способствовал обоснованию
гелиоцентрической системы мира.
Опираясь на материал Тихо Браге и собственные
наблюдения, И.Кеплер вывел законы движения планет вокруг
24
Солнца. В свою очередь, И.Ньютон обобщил результаты
Галилея и Кеплера, создав классическую механику. Будучи
обобщением эмпирических данных, научная теория находит
свое подтверждение в этих данных. И вот именно
подтверждаемость научного знания – теорий, законов – фактами
или эмпирическими данными и считалась его отличительной
особенностью. Наука ищет – и находит – подтверждение своих
теорий, и этим она отличается от других форм духовной
деятельности. Почему же теории и законы науки находят столь
широкое подтверждение? Потому, что эти теории и законы
истинны: они описывают реальный мир таким, каков он есть на
самом деле. Опираясь на научную истину, мы избегнем ошибок
и добьемся успеха в своей деятельности. Практическое
приложение научных результатов – еще одно важное
подтверждение истинности ее теорий.
Все это в значительной мере справедливо. С
достижениями науки связаны громадные технические
завоевания прошедшего столетия. Однако подтверждаемость
эмпирическими данными или успешными техническими
применениями не решает проблемы демаркации – не позволяет
четко отделить науку от ненауки. Как показывает история
познания, многие ложные, ненаучные идеи и концепции
находили подтверждения. Скажем, учение Птолемея ежедневно
подтверждается наблюдением всех людей: мы видим, что
именно Солнце ходит вокруг Земли. Астрология и алхимия
опирались на громадный эмпирический материал. Считать ли их
науками? Хиромантия находит многочисленные подтверждения.
Паровая машина была создана на основе ложной теории
теплорода. Да что далеко ходить: рассуждения о «летающих
тарелках» (НЛО) ныне опираются на тысячи наблюдений. Но
можно ли на этом основании считать их научными? Нет,
простое эмпирическое подтверждение некоторых идей или
концепций еще не дает нам права считать их научными.
Известный британский философ ХХ в. К.Поппер
предложил другое решение проблемы демаркации. Научное
знание говорит о мире, об отдельных его областях или сторонах,
оно стремится описать мир так, как он существует сам по себе.
25
Но в своих попытках дать истинное описание мира наука может
ошибаться, ибо слишком невероятно, чтобы мы могли сразу и
без труда узнать, каков мир на самом деле. Если бы истина
давалась нам без труда, наука была бы попросту не нужна. В
том-то и дело, что путь к истине труден и длинен, поэтому
ученые затрачивают много сил, прежде чем получат истину. Но
если наука говорит о мире и далеко не сразу приходит к истине,
то отсюда вытекает, что в каждой научной теории, в каждом
научном утверждении содержится элемент риска: они могут
оказаться неверны, и опыт, эксперимент, наблюдение могут их
опровергнуть. Вот этот элемент риска, способность в принципе
опровергаться эмпирическими данными и является, по мнению
Поппера, отличительной особенностью научного знания.
Любая, даже самая абсурдная идея способна найти
подтверждение. Вспомним, что в свое время учение о ведьмах
находило многочисленные подтверждения: многие женщины
искренне признавались в том, что они ведьмы. По-видимому,
нынешние астрологические прогнозы также подтверждаются.
Но если некоторая идея или концепция находит одни лишь
подтверждения, то возникает подозрение: а говорит ли она о
мире, пытается ли описать реальное положение дел, т.е.
является ли она научной? Может быть, эта идея выражает лишь
наше отношение к миру, наши вкусы, оценки, является
системой взаимосвязанных определений, а вовсе не описанием
мира, претендующим на истинность? Если так, то идея лежит
вне науки, т.к. наука стремится к истинному описанию мира. Но
если нам все-таки удастся сказать, какие факты,
экспериментальные
данные,
наблюдения
способны
опровергнуть нашу идею, то тем самым мы дадим обоснование
ее научности. Например, вы утверждаете, что в этом мире жизнь
идет чем дальше, тем хуже. И этому вы найдете
многочисленные подтверждения. Но если вы хотите, чтобы
ваше утверждение считали научным, вы должны сказать, при
наличии каких событий вы готовы от нее отказаться.
Способность быть опровергнутой опытом – вот что отличает
научную концепцию от ненаучной.
26
Увы, опровержимость, как и подтверждаемость, также не
дает нам возможности провести четкую демаркационную линию
между наукой и ненаукой. Дело в том, что многие научные
теории нельзя опровергнуть с помощью опыта или
эксперимента. Прежде всего, конечно, это относится к
математическому знанию. Когда мы утверждаем, что два плюс
два равно четырем, нам и в голову не придет обращаться к
опыту за подтверждением или опровержением этого
арифметического равенства. И даже если кто-то укажет нам, что
сложение двух кроликов с двумя волками вовсе не дает четырех
животных, мы не сочтем наше равенство опровергнутым. Мы
скажем, что утверждения математики непосредственно
относятся к числам, линиям, точкам, функциям, структурам и
лишь опосредованно – к реальности. Поэтому их нельзя
непосредственно опровергнуть опытом. Но многие научные
теории таковы: они непосредственно говорят не о самой
реальности, а о некоторых абстрактных, идеальных объектах.
Поэтому их нельзя прямо столкнуть с опытом, с экспериментом.
Попытка опереться на экспериментальное подтверждение
или опровержение не дает нам возможности отделить науку от
ненауки. Тем не менее, эмпирическая проверяемость, дающая
подтверждение или опровержение наших концепций, является
важнейшей чертой научного знания. Конечно, в науке есть идеи
и теории, которые нельзя проверить опытом, экспериментом. В
то же время за пределами науки можно встретить такие
интеллектуальные построения, которые подтверждаются или
даже опровергаются опытом. Эмпирическая проверяемость не
дает нам возможности провести четкую границу. Однако во
многих случаях этот критерий все-таки позволяет отделить
научные построения от идеологических, политических,
религиозных спекуляций. Если вы никак не можете подтвердить
свою концепцию фактами, то правомерно усомниться в ее
научности. Если все вокруг подтверждает вашу идею и не
видно, что могло бы ее опровергнуть, то скорее всего она лежит
вне науки.
Эмпирическая проверяемость является важнейшим
критерием научности. Но к нему добавляют еще некоторые
27
дополнительные признаки науки. В частности, американский
историк науки Т.Кун попытался обосновать мысль о том, что
наука отличается от других форм духовной деятельности
наличием «парадигмы» - фундаментальной теории, которую
принимает все сообщество ученых. Скажем, все физики
принимают законы сохранения и начала термодинамики,
специальную теорию относительности и квантовую теорию; все
биологи принимают теорию эволюции Дарвина и законы
Менделя; химики соглашаются с периодическим законом
Менделеева и т.п. А вот, скажем, в сфере искусства такого
единства нет. Если вдруг все художники начнут подражать
манере Модильяни или Пикассо, скульпторы примутся ваять как
Эрнст Неизвестный или Зураб Церетели, а писатели будут
стараться как можно более точно воспроизводить манеру и язык
Льва Толстого, искусство сразу же умрет. Отсюда можно
заключить, что если в некоторой области духовной
деятельности сложилось единство взглядов, выделилась
некоторая общепризнанная совокупность знаний и методов, то
эта область становится наукой.
Сюда же можно добавить наличие особого языка. Каждая
научная дисциплина в своем развитии вырабатывает систему
понятий, относящихся к изучаемому фрагменту или аспекту
реального мира. Термодинамика пользуется иными понятиями,
нежели механика; химия имеет свой словарь: химический
элемент, валентность, катализатор, основание, кислота и т.п.;
понятия биологических наук почти ничего общего не имеют с
понятиями экономики или лингвистики. Именно поэтому, для
того чтобы стать ученым, специалистом в некоторой области
науки, студент вынужден много сил затратить на усвоение
языка избранной им дисциплины. Этим объясняется также,
почему ученые разных областей науки редко собираются
вместе: они говорят на разных языках и не понимают друг
друга. Таким образом, наличие особого языка – одна из
характерных черт зрелой научной дисциплины.
28
Вопросы для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
29
Что такое наука?
В чем заключается цель науки?
Назовите задачи, которые решает наука.
Каковы функции науки?
Что такое истина?
Назовите особенности истинного знания.
Что такое фотоника?
Какова роль достижений фотоники?
Что такое логика?
Что такое методология?
Что такое методология науки?
В чем заключается предмет изучения методологии
фотоники?
В чем заключается проблема демаркации науки?
Что такое верификация?
Что такое фальсифицируемость по Попперу?
Что такое парадигма?
Назовите дополнительные признаки науки по Т. Куну.
Глава 3 Этические аспекты научного прогресса
3.1 Этика науки
Наука в жизни современного общества играет все
возрастающую роль. Постоянно увеличивается число людей,
занятых в сфере сложного научно-технического производства,
имеющих отношение к научной работе. С другой стороны,
сокращается промежуток времени, проходящий между
появлением результатов научных исследований и их
внедрением и практическими приложениями. Наука становится
производительной силой, поэтому растѐт и ответственность
учѐных перед обществом и человечеством. Учѐный работает в
обществе, чья история, чьѐ современное состояние оказывают на
него непрерывное воздействие. Существует также и обратная
связь — учѐные, также как и
другие мыслящие люди,
воздействуют на общество.
Типичная для современной науки ситуация возникающих
научных кризисов, результаты которых влияют на судьбы
крупных масс населения и представляют собой порой проблемы
подлинно
глобального
характера,
налагают
особую
ответственность на науку как силу, участвующую в
возникновении подобных ситуаций, и на творцов этой науки,
т.е. на учѐных [8]. Общеизвестно, что прогресс техники, еѐ
развитие и ее новые формы базируется на достижениях науки.
Наука стала не просто одной из производительных сил мировой
экономики, она, по существу, является самой главной и мощной
из этих сил, представляя собой универсальный источник новых
технических достижений, которые становятся основой развития
и технического прогресса.
В философской научной литературе понятия «мораль» и
«этика» часто употребляются как равнозначные (хотя они и
нетождественны друг другу). Например, говорят: существует
этика учѐного, нормы профессиональной этики. Это происходит
оттого, что сама мораль как совокупность общепринятых
традиций и негласных правил содержит в себе различные
элементы, тесно связанные между собой – сознание, отношения,
30
поступки (деятельность), то есть содержит и определѐнное
обоснование своих принципов и правил. Таким же образом,
этика как наука о морали не ограничивается лишь пассивным
теоретическим описанием моральной стороны человеческих
отношений, а сама имеет нормативное содержание,
обосновывает конкретные образцы поведения. То есть этика –
это сфера научного знания, а мораль – это предмет, который
изучает этика. Однако в обыденном языке разграничение между
моралью и этикой зачастую отсутствует. Более того, термин
этика часто используется для обозначения системы моральных и
нравственных норм определѐнной социальной группы,
например, говорят об этике ученого именно в этом смысле.
В широком смысле, этика науки — это совместный поиск
приемлемых решений, в котором принимают активное участие
и сами ученые, и общественность. Основным вопросом этики
науки является проблема соотношения научного познания и
ценностного подхода.
Существует распространенная точка зрения, которая
называемая тезисом ценностной нейтральности науки. С точки
зрения этого тезиса нейтральности научная деятельность сама
по себе безразлична ценностям, она только занимается поиском
истины. А все остальное касается различных внешних для науки
факторов, о которых наука не должна задумываться. С этой
точки зрения, например, ответственности за применение
результатов науки в деструктивных целях лежит не на самой
науке, а на других социальных институтах: власти,
промышленности, бизнесе.
Другой стороной тезиса ценностной нейтральности науки
является мысль о том, что наука занимается только способами
средствами добывания истины, а целью и смыслом
человеческих действий должны заниматься совершенно другие
области социальных отношений: религия, философия, этика и
т.п.
Если последовательно провести тезис ценностной
нейтральности науки, то наука будет полностью автономной, а
ученые не должны задумываться об этической стороне своей
деятельности. Однако наука не может быть изолированной от
31
общества. Занятия научными исследованиями определяют
особое ценностное отношение к окружающей действительности.
Самой главной ценностью в науке является истина. Но истина –
не единственная ценность ученого. В научном сообществе
ценятся теоретическое обоснование знания и его эмпирическая
верификация, то есть проверка, непротиворечивость новых
научных теорий и их связь с предшествующим научным
знанием, возможность высказывания критических суждений, а
также честность, порядочность, мужество в отстаивании своих
научных убеждений. "Итак, наука как область человеческой
деятельности глубоко насыщена ценностными измерениями.
Она не является ценностно нейтральной" [5].
Более сложным является вопрос об этическом содержании
науки. Понятно, что ученый как представитель человеческого
общества не может быть выключен из общественных
отношений, в том числе из этических отношений, в частности
отношений со своими коллегами, учениками. В своей научной
деятельности ученый следует парадигме, то есть той
совокупности фундаментальных установок, которая принята в
данный момент научным сообществом, благодаря которой
ученый способен получить объективное и достоверное знание.
Также в современном обществе, как и в научном сообществе
считается недопустимым присваивать чужие результаты,
выдавая их за свои. Борьбу с плагиатом ведут сами ученые,
придерживаясь этических норм при публикации результатов
своих исследований. Это одна сторона этики ученого.
С другой стороны, этика ученого затрагивает и его
отношения с обществом. Существует большое количество
ученых, которые считают, что их дело исчерпывается
добыванием истины и не задумываются о последствиях,
которые могут иметь научные открытия для человеческого
общества. Однако, существует мнение, что ученые должны
соизмерять свою активность с состоянием общества. Нельзя,
интересуясь только своей узкой научной областью, "передавать
в руки тех, в ком течет кровь холодного злодея, средства
массового уничтожения, манипулирования сознанием людей,
32
бесконтрольного вмешательства в их дела" [5]. В этой связи
обычно приводят в пример ядерное, биологическое и
химическое оружие, данные об успехах генной инженерии,
которые вызывают многочисленные этические коллизии,
возможность хранения в банках данных компьютеров
различных сведений о каждом члене общества.
В последние годы все больше сторонников среди ученых
находит точка зрения, которая отмечает, наука является не
только деятельностью по добыванию истины, следует
учитывать и ее широкие общественные взаимосвязи и ее
влияние на общество. А это означает, что ученые должны взять
на себя ответственность, если не полностью, то по крайней мере
в существенной степени, за результаты своих научных
исследований. Ученые должны думать об этике научного
исследования и нести ответственность за последствия научнотехнического прогресса. Прежде чем создать новую теорию,
новую технологию или новое устройство, могущее угрожать
безопасности людей, следует тысячу раз подумать, оценить
последствия и обсудить свое мнение с другими. А приняв
решение, следует полностью отвечать за него.
Следует помнить, что применение научных знаний не
является нейтральным ни в политическом, ни в экономическом,
ни в экологическом, ни в моральном отношениях.
Ответственность за применение достижений науки несут не
только производители наукоемкой продукции, а в первую
очередь сами ученые. Никто не в состоянии лучше самих
ученых оценить различные стороны и перспективы применения
результатов научных исследований. Развитие науки должно
способствовать всемерному развитию человека улучшению
материальных условий его жизни и развитию творческих
способностей. Но будет ли наука действительно способствовать
прогрессу общества и человечества или же, наоборот, она будет
служить деструктивным элементом, это зависит от всех людей
данного общества, включая и самих ученых.
33
3.2 Этика и социальная ответственность ученого
Этические
принципы
в
науке
добровольно
поддерживаются всем научным сообществом, хотя в некоторых
случаях этические принципы регламентируются различными
правилами и инструкциями, например, такие правила записаны
в научных журналах для авторов научных публикаций, или
инструкции,
регламентирующие
деятельность
ученого,
работающего в какой-либо научной организации.
Рассмотрим некоторые принципы, на которых базируется
этика и социальная ответственность ученых.
1) Объективность. Здесь можно видеть прямое
совпадение научности и морали. Однако может ли ученый, как
субъект восприятия окружающей действительности, быть
полностью объективным и отрешиться от своего принципиально
субъективного взгляда? По всей видимости, это невозможно.
Однако стремиться к этому ученый должен. Объективность
выражается в стремлении быть непредвзятым и видеть
изучаемый предмет с разных сторон и с разных точек зрения.
2)
Объективность
тесно
связана
с
понятием
справедливости.
Часто
борьба
научных
концепций
трансформируется в борьбу личностей, и тогда в ход идут
совсем не этические средства, вплоть до прямой лжи и
подтасовки научных фактов. Используется замалчивание,
игнорирование данных, полученных научными соперниками,
насмешки над аргументацией противоположной стороны. Такой
стиль присущ не только представителям таких наук, как
социология и политология, но и представителям естественнонаучного сообщества.
И здесь важно отметить, какую роль играет культура
научного диалога. Быть объективным – это значит не только
отстраненно видеть предмет анализа, но и понимать и слышать
тех, кто мыслит иначе, это значит следовать в научном споре
всем принципам этикета. Мораль требует от учѐного достойного
поведения. Чрезмерная эмоциональность, также как и
избыточная самонадеянность, мешают трезвой оценке ситуации
и поиску истинного знания.
34
3) Критическое отношение к достигнутым результатам, а
также способность к самокритике. Ученый должен проверять
правильность собственных рассуждений, и корректно общаться
с представителями своего профессионального сообщества.
4) Честность и порядочность.
5) Смелость.
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает этика науки?
2. В чем заключается основной вопрос этики науки?
3. В чем заключается тезис ценностной нейтральности
науки?
4. Что такое парадигма?
5. В чем заключается этика современного ученого?
6. В чем заключается ответственность ученого перед
обществом?
7. Назовите принципы, на которых базируется
социальная ответственность ученых.
35
Глава 4 Методология научного познания
4.1 Методы научного познания
Существуют различные типы классификации методов, в
совокупности образующих методологию.
Остановимся лишь на одном, но важном, разделении всех
методов на две большие группы - на методы эмпирические и
теоретические. Эмпирические методы не вытекают из сущности
объекта, а поэтому содержат в себе много субъективных
моментов. Но они таковы только в том случае, если не входят
как необходимый момент в сферу действия системы методов
теоретических, которые построены на единстве предмета и
метода. Поскольку теоретические методы выступают способом
организации субъектом своей деятельности в соответствии с
сущностью предмета, то эмпирические методы, вовлеченные в
сферу действия теории, получают внутри нее направленность и
объективность.
Познание начинается с наблюдения. Наблюдение - это
метод направленного отражения характеристик предмета,
позволяющий составить определенное представление о
наблюдаемом явлении. В блок процедур наблюдения входят
описание, измерение, сравнение.
Эксперимент это
более
эффективный
метод,
отличающийся от наблюдения тем, что исследователь с
помощью эксперимента активно воздействует на предмет путем
создания искусственных условий, необходимых для выявления
ранее неизвестных свойств предмета.
Метод моделирования основан на создании модели,
которая является заместителем реального объекта в силу
определенного
сходства
с
ним.
Главная
функция
моделирования, если брать его в самом широком понимании,
состоит в материализации, опредмечивании идеального.
Построение и исследование модели равнозначно исследованию
и построению моделируемого объекта, с той лишь разницей, что
второе совершается материально, а первое - идеально, не
затрагивая самого моделируемого объекта. Из этого вытекает
36
вторая важная функция модели в научном познании - модель
выступает программой действия по предстоящему построению,
сооружению моделируемого объекта.
Более подробно
использование метода моделирования для фотоники рассмотрим
ниже.
Анализ и синтез. Эмпирический анализ - это просто
разложение целого на его составные, более простые
элементарные части. Синтез - это, наоборот, - соединение
компонентов сложного явления. Теоретический анализ
предусматривает выделение в объекте основного и
существенного,
незаметного
эмпирическому
зрению.
Аналитический метод при этом включает в себя результаты
абстрагирования, упрощения, формализации. Теоретический
синтез - это расширяющее знание, конструирующее нечто
новое, выходящее за рамки имеющейся основы.
Индукция и дедукция. Индукция может быть определена
как метод перехода от знания отдельных фактов к знанию
общего. Дедукция - это метод перехода от знания общих
закономерностей к частному их проявлению. Теоретическая
индукция и основанная на ней дедукция отличаются от
эмпирических индукции и дедукции тем, что они основаны не
на поисках абстрактно-общего, одинакового в разных предметах
и фактах ("Все лебеди - белы"), а на поисках конкретновсеобщего, на поисках закона существования и развития
исследуемой системы.
Интегрирующим научным методом, включающим в себя
все предыдущие методы как моменты, является метод
восхождения от абстрактного к конкретному. Это теоретический
системный метод, состоящий в таком движении мысли, которое
ведет исследователя ко все более полному, всестороннему
воспроизведению предмета. В процессе такого движения
теоретической мысли можно выделить три этапа: 1)
эмпирическое исследование непосредственно, чувственноконкретно данного предмета, 2) этап восхождения от
чувственно-конкретного к исходной абстракции, к познанию
сущности предмета, 3) этап возвращения к "покинутому" в
процессе абстрагирования предмету на основе знания его
37
собственной сущности, т. е. этап восхождения от исходной
абстракции к целостному теоретически-конкретному понятию
предмета; это путь к конкретному, сущностному научному
мышлению, способному опредметиться в практике.
4.2 Уровни научного знания
Эмпирический уровень – знание, получаемое в форме
множества высказываний об абстрактных эмпирических
объектах. Что это такое? Существуют три вида объектов:
1) вещи сами по себе (объекты);
2) их представления в чувственных данных (чувственные
объекты);
3) эмпирические (абстрактные) объекты.
Данные объекты пропускаются через научное мышление,
его «фильтры»: а) познавательная и практическая установка; б)
операциональные возможности мышления (рассудка); в)
требования языка; г) накопленный запас эмпирического знания;
д) интерпретативный потенциал существующих теорий.
Главные методы получения информации – наблюдение и
эксперимент.
Структура эмпирического уровня:
1) единичные эмпирические высказывания (фиксация
результатов единичных наблюдений);
2) Факты – индуктивные обобщения данных наблюдений,
т.е. общие утверждения статистического или универсального
характера.
3) Законы – особый вид отношений между событиями, для
которых характерно постоянство. Устойчивая, повторяющаяся
связь явлений и вещей («Все металлы электропроводны». Закон
Архимеда: «тела, погруженные в жидкость, вытесняют объем
воды, тождественный их весу»).
Теоретический уровень. Задача теории – объяснение
реальности. Здесь отражается результат деятельности разума.
Средство познания – идеализация, цель которой –
конструирование особого типа предметов («идеальных
объектов»). Множество таких объектов образуют базу
38
теоретического уровня научного знания. Примеры идеальных
объектов: геометрическая точка, линия, плоскость (математика);
инерция, абсолютное пространство и время (физика); страты,
цивилизации,
общественно-историческая
формация
(социология).
Научная теория – логически организованное множество
высказываний о некотором классе идеальных объектов, их
свойствах и отношениях. Идеальные объекты получаются путем
абстрагирования от некоторых частных свойств реальных
объектов. Создание идеальных объектов контролируется
мышлением. Здесь кроме идеализации используется ряд иных
методов – мысленный эксперимент, математическая гипотеза,
теоретическое моделирование, математизация.
Результат
развития
теоретического
уровня
–
теоретическое знание. Это - множество организованных в
логически взаимосвязанную систему высказываний об
идеальных объектах.
Два вида теорий: 1) фундаментальные; 2) описывающие
конкретную
область
реальности,
базирующиеся
на
фундаментальных теориях. Они могут поменяться местами. До
ХХ в. фундаментальной была теория Ньютона, потом она стала
частным случаем теории относительности Эйнштейна.
Метатеоретический
уровень.
Базируется
на
общенаучном знании (метаматематика, металогика). 2 элемента:
а) частнонаучная и общенаучная картины мира; б)
частнонаучные
и
общенаучные
гносеологические,
методологические, логические, аксиологические принципы.
Философские основания науки. Средний между
философией и наукой уровень. Идет дискуссия: включать ли их
в структуру науки. Здесь содержатся философские предпосылки
науки.
4.3 Моделирование
Рассмотрим более подробно метод моделирования,
который очень часто применяется в современной науке, когда
тот или иной объект недоступен исследованию.
39
В случае, если тот или иной объект недоступен для
исследования (по причине размера, цены, структуры и т.д.), то
находят другой объект, сходный с интересующим нас
предметом или процессом в каком-либо существенном
отношении. Это — объект-заместитель. Если мы можем изучить
объект-заместитель, а потом полученные результаты с
соответствующими поправками и уточнениями применить к
интересующему нас объекту и использовать для его познания,
то данный объект-заместитель называют моделью. Процесс
создания или выбора модели, ее изучения и применения
полученных данных для познания основного объекта называется
процессом моделирования.
Особенности моделирования заключается в том, что оно
осуществляется на эмпирическом и теоретическом уровне
познания, при переходе одного уровня к другому.
Моделирование имеет своим объективным основанием принцип
отражения,
подобие,
аналогию
и
относительную
самостоятельность формы.
Модель- некоторая материальная или мысленная система,
которая сходна с объектом исследования и способна заменять
его в познавательном процессе.
Если модель имеет с оригиналом одинаковую
физическую природу, следует считать, что мы имеем дело с
физическим моделированием (физическая модель - сходство
физических свойств). Когда явление описывается той же
системой уравнений, что и моделируемый объект, то такое
моделирование называется математическим. Моделирование
называется знаково-логическим, если некоторые стороны
моделируемого объекта представляются в виде формальной
системы (знаков), которая впоследствии изучается с целью
переноса полученных сведений на сам моделируемый объект.
Кибернетическое моделирование является носителем
функционального характера - при различии вещественных
субстратов, энергетических процессов и внутренних причинных
механизмов модели и оригинала последние подобны по своей
функции, поведению.
40
Отношение модели и объекта - тождество.
Модель заменяет изучаемый объект в модельном
эксперименте. Основанием для такого переноса является именно
аналогия, подобия между моделью и объектом и, следовательно
- обеспечение подобия объектов.
При всем этом выводы модельного эксперимента
сохраняют определенную степень вероятности и при переходе
от знания к реально существующему объекту возможно
определенное расхождение.
При переходе к теоретическому знанию обычно строятся
разнообразные модели.
Модель -это не только идеализированный объект, но и
некоторое взаимодействие этих объектов.
В теоретическом познании особую роль играет
эксперимент (мысленный), который обычно строится на
мысленных моделях. Это существенно отличается от реального
эксперимента, т.к. в мысленном эксперименте свойства
изучаемых объектов должны быть доведены до максимума и
минимума, которые в принципе не достижимы.
Модель выполняет и эвристическую функцию, может
быть и источником нового знания. Моделирование нашло
применение не только в познании природы, но и в познании
общества, различных сторон жизни. К тому же оно является не
только средством получения знаний, но и средством
прогнозирования.
Модель является новым объектом, который отражает
существенные особенности изучаемого объекта, явления,
процесса.
Один и тот же объект иногда имеет множество моделей, а
разные объекты могут описываться одной моделью.
Существуют 3 классификации моделей:
1. По области применения (научные, учебные,
опытные, деловые игры и т.д.),
2. По
временному
фактору
(динамические,
статические),
3. По способу представления (материальные,
информационные).
41
Предметные модели служат для воспроизведения
геометрических, физических и других свойств объектов в
материальной форме (глобус, модель кристаллической решетки,
детские игрушки и др.).
Модели знаковые (информационные) представляют
объекты и процессы в форме рисунков, схем, таблиц, текстов и
т.д. Информационные же бывают компьютерные и
некомпьютерные.
Модели — представления объектов или процессов
реального или вымышленного мира.
Основные виды моделей:
1.
графические представления - графические
изображения объектов и процессов;
2.
натурные;
3.
математические
математические
описания
объектов,
выражаемые
с
помощью
математических формул и уравнений; это совокупность
математических объектов (данных) и отношений между
ними, отражающих некоторые свойства моделируемого
процесса; это система уравнений и неравенств,
описывающих поведение объекта с некоторой степенью
точности. На основе словесной формулировки задачи,
выбираются входные и выходные переменные,
записываются ограничения, образующие в совокупности
математическую модель решаемой задачи;
4.
информационно-логические
формальные описания объектов, допускающие их
представление и обработку на ЭВМ.
Свойства моделей: адекватность, полнота, детальность
и т.п.
Адекватность — степень соответствия модели
представляемым объектам.
Модели
движения
бывают
аналитические,
дифференциальные, разностные.
Примеры моделей в физики: материальная точка,
равномерное прямолинейное движение, равноускоренное
42
движение, абсолютно твердое тело, абсолютно черное тело,
абсолютно упругий удар, абсолютно неупругий удар, абсолютно
несжимаемая жидкость, идеальный газ, однородное магнитное
поле, однородное электрическое поле. Многие физические
законы справедливы только в рамках своих физических
моделей, например, уравнение Менделеева-Клайперона (верно
только для идеального газа).
4.4 Компьютерное моделирование в фотонике
1. Компьютерное моделирование - один из методов
научного
познания.
Компьютерное
моделирование
характеризуется сращиванием эмпирических и теоретических
исследований, образованием нового стиля мышления
(междисциплинарностью). Оно определяет новые подходы к
организации
исследований,
реализуемых
с
помощью
информационных и компьютерных технологий.
2.
Компьютерное
моделирование
как
метод
специфического научного познания реализуется через
построение моделей объектов познания и их использование как
инструментов познания реальных процессов и явлений. Его
можно рассматривать как техническую реализацию конкретной
формы знакового моделирования, осуществляемого в виде схем,
графиков, формул, графов, 3D объектов и т.п. Опытное
исследование заменяется логическим анализом, и новое знание
получается путем дедукции из описания компьютерной модели.
Благодаря данному моделированию возможно расширение
области явлений, которые возможно моделировать: от явлений
живой природы, социальной жизни до различных форм
психической и интеллектуальной деятельности.
3. Компьютерное моделирование используется во всех
сферах деятельности человека. Человек с помощью
компьютерных технологий освободил себя от рутинного
умственного труда. Как субъект познания человек контролирует
процесс на более высоком уровне: целевых установок,
концепции познания, коррекции способов и методов получения
адекватного знания об объекте.
43
4. Компьютерное моделирование используется в поиске и
анализе научной информации.
Компьютерное
моделирование
содержит:
субъект,
с
определенными
целями
исследующий
закономерности
процессов или явлений, объект исследования в форме
компьютерной модели, инструмент моделирования —
компьютер. Компьютер на современном этапе развития
приобретает особую роль. Важным вопросом в методологии
компьютерного моделирования является адекватное построение
компьютерных моделей.
5. Проверка адекватности моделей.
Как правило достаточным условием истинности результатов
моделирования и любых других форм познания является
совпадение результатов исследования с наблюдаемыми
фактами.
Программы компьютерного моделирования для задач
фотонки:
1) HFSS - метод конечных элементов;
Самым
известным
пакетом
электромагнитного
моделирования, построенны конечных элементов используется
в пакетах ANSYS/EMAG и Multiphysics компании ANSYS(г.
Питтсбурге, США ), в пакете FEMLAB шведской компании
COMSOL. Если пакеты HFSS и ANSYS/EMAG являются
рабочими инструментами разработчиков электромагнитных
устройств, то пакет FEMLAB ориентирован, на программное
обеспечение для электромагнитного моделирования. Первые
версии пакета FEMLAB работали в среде MATLAB. Но начиная
с версии 3.0 пакет FEMLAB стал независимым программным
продуктом. Ему уже больше не нужен MATLAB – хотя,
естественно, эти пакеты остались всѐ так же совместимыми,
поэтому пользователь FEMLAB’а имеет возможность увеличить
функционирование этого пакета подключением разнообразных
вычислительных и оптимизационных процедур из среды
MATLAB. В пакете FEMLAB удобно тестировать новые
концепции, новые модификации метода конечных элементов;
пакет
предоставляет
для
этого
всю
необходимую
44
инфраструктуру – генераторы конечноэлементных сеток,
средства визуализации сеток и получаемых решений, средства
быстрого программирования управляющих уравнений и т.д.
Несомненным преимуществом пакета является возможность
работы с мультифизическими процессами, где задействованы
уравнения из разных областей физики (например, уравнения,
описывающие распространение электромагнитных волн и
теплоперенос), которые следует решать одновременно. Однако
для разработчиков «железа» пакет FEMLAB, скорее всего, не
подойдет. Дело в том, что при разработке конкретного
электромагнитного устройства нужно не только провести
конечноэлементное моделирование системы, но и получить по
результатам моделирования набор выходных характеристик,
понятных разработчику. Так, если в специализированных
пакетах, таких как HFSS, вычисление всех необходимых
характеристик системы уже внесено в программу и
предоставлено пользователю через удобный интерфейс, то при
использовании пакета FEMLAB придется применить усилия,
чтобы заставить программу по результатам моделирования
полей посчитать еще и некоторые интегральные их
характеристики (например, матрицу рассеяния системы). Пакет
Multiphysics
имеет
общий
интерфейс
для
задания
электромагнитных задач, и задач из других областей физики, в
связи с чем он очень удобен для моделирования
мультифизических процессов. В этой сфере он существенно
более удобен, чем пакет FEMLAB, но имеет большую разницу в
цене.
2) CST MICROWAVE STUDIO- метод конечных разностей.
Метод конечных разностей используется в следующих
программных пакетах:
1)
Пакет QuickWave-3D польской компании QWED. Аналог
этого пакета распространяется также английской компанией
Vector Fieldshttp под именем CONCERTO.
2)
Пакет Microwave Studio немецкой компании CST.
3) Пакет FIDELITY компании Zeland Software.
4) Пакет XFDTD компании Remcom.
45
Разработчикам первых трех пакетов удалось решить
главную проблему применения метода конечных разностей –
избежать
ступенчатой
аппроксимации
криволинейных
поверхностей. Дело в том, что если программа работает с
прямоугольной сеткой, то для достаточно точного описания
криволинейных поверхностей сетку приходится делать очень
густой, что приводит к значительным затратам вычислительных
ресурсов, и даже делает невозможным расчет некоторых
устройств на персональных компьютерах. Разработчики пакетов
QuickWave-3D, Microwave Studio и FIDELITY применили в
своих
программах
конформные
преобразования
конечноразностных ячеек, что в свою очередь обеспечило
возможность
достаточно
гладкой
аппроксимации
криволинейных границ даже на крупных сетках. Следует
отметить, что приоритет в разработке этой технологии
принадлежит двум компаниям – QWED и CST, которые пришли
к этому решению независимо друг от друга еще в конце 90-х
годов, тогда как компания Zeland Software ввела эту технику в
свой программный продукт совсем недавно: оставаться
конкурентоспособными на рынке с FDTD пакетом,
использующим аппроксимацию прямоугольными ячейками
было уже вряд ли возможным.
Среди других методов, используемых в программах
электромагнитного моделирования, стоит отметить метод линий
передачи (Transmission Line Method) и метод моментов (Method
of Moments), которые также в ряде случаев способны дать
неплохие результаты для трехмерных электромагнитных
систем. На методе линий реализован, в частности, пакет
MEFiSTo компании Faustus.
Стоимость перечисленных программных пакетов сильно
зависит от конфигурации, которую приобретает пользователь.
Коммерческая стоимость колеблется от 10 до 70 тысяч
долларов. Для университетов, как правило, предоставляются
достойные скидки. Разработчики программ практикуют
различные маркетинговые стратегии и по-разному оценивают
целесообразность
продвижения
своих
продуктов
в
46
образовательной среде. Следует помнить, что университетская
лицензия может предписывать использование программы
только в исследовательских и учебных проектах, ограничивая
или исключая ее коммерческое применение. Следовательно
вопрос о цене и условиях, решается в непосредственных
переговорах между покупателем и производителем программы.
Пусть имеется или необходимо создать некоторый объект
А. Мы конструируем (материально или мысленно) или находим
в реальном мире другой объект В - модель объекта А.
Построения модели предполагает наличие некоторых знаний об
объекте-оригинале. Познавательные возможности модели
обуславливаются тем, что модель отражает какие-либо
существенные
черты
объекта-оригинала.
Вопрос
о
необходимости и достаточной мере сходства оригинала и
модели требует конкретного анализа.
Таким образом, изучение одних сторон моделируемого
объекта осуществляется ценой отказа от отражения других
сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в
строго ограниченном смысле. Значит, для одного объекта может
быть построено несколько "специализированных" моделей,
концентрирующих внимание на определенных сторонах
исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной
степенью детализации.
На следуем этапе процесса моделирования модель
выступает как самостоятельный объект исследования. Формой
такого исследования является проведение "модельных"
экспериментов, при которых сознательно изменяются условия
функционирования модели и систематизируются данные о ее
"поведении". Конечным результатом этого этапа является
получение знаний о модели R.
Третий этап есть перенос знаний с модели на оригинал и
формирование множества знаний S об объекте. Этот процесс
проводится по определенным правилам. Знания о модели
должны быть скорректированы с учетом тех свойств объектаоригинала, которые не нашли отражения или были изменены
при построении модели. Если этот результат необходимо связан
с признаками сходства оригинала и модели, то мы переносим
47
данный результат с модели на оригинал. Если же определенный
результат модельного исследования связан с отличием модели
от оригинала, то этот результат переносить неправомерно.
Заключительный этап это: практическая проверка
получаемых с помощью моделей знаний и их использование для
создания теории для объекта, его преобразования или
управления им.
Вопросы для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Назовите методы научного познания.
Назовите эмпирические методы познания.
Назовите теоретические методы познания.
Что такое анализ? Синтез?
Охарактеризуйте сущность методов индукции и
дедукции.
Назовите три вида объектов
Каковы задачи эмпирического уровня познания?
Что такое научная теория?
Какие объекты рассматриваются в познании на
теоретическом уровне?
В чем заключается сущность метода моделирования?
Что такое модель?
Назовите виды моделей.
Охарактеризуйте
особенности
компьютерного
моделирования.
Назовите программы компьютерного моделирования
для решения задач фотоники.
48
Глава 5 История фотоники и оптоинформатики
5.1 История возникновения термина "фотоника"
Фотоника - это современный термин, который появился
совсем недавно. В современной мировой науке принято
широкое определение слова фотоника. Фотоника- это отрасль
науки и техники, изучающая технологические системы, в
которых носителями информации являются световые кванты
или фотоны. В настоящее время фотоника - это важнейшее
научно – техническое направление, которое признано учеными
и инженерами всего мира и это современная быстрорастущая
отрасль мировой промышленности.
Фотоника – "целостная область науки и техники,
связанная с использованием светового излучения (или потока
фотонов) в различных оптических элементах и устройствах, в
первую очередь в системах волоконно - оптической связи, а
также направленная на создание новых материалов, устройств и
технологий, обеспечивающих передачу, прием, обработку,
запись, хранение и отображение информации на основе
материальных носителей – фотонов" [13].
Считается, что фотоника как область науки началась в
шестидесятые годы двадцатого века с изобретением лазера. Но
широкое развитие фотоника получила уже в 70-е годы 20 века в
связи с созданием полупроводникового лазера, способного
работать при комнатных температурах, и в связи с созданием
оптических волокон с малым затуханием.
Появление самого термина фотоника в научном мире
также относится в шестидесятым годам двадцатого века. В 1964
году по инициативе академика А.Н. Теренина на физическом
физическом факультете ЛГУ была создана кафедра
биомолекулярной и фотонной физики (сейчас эта кафедра носит
название кафедры фотоники). А сам термин фотоника впервые
применил в 1967 году опять академик А.Н. Теренин в своей
книге «Фотоника молекул красителей» [8]. А.Н. Теренин дал
определение фотоники в узком смысле как «совокупности
взаимосвязанных
фотофизических
и
фотохимических
49
процессов». Считается, что впервые использование слова
фотоника в широком смысле как отрасли науки произошло на 9м Международном конгрессе по скоростной фотографии в
Денвере в 1970 г.
Сейчас термин фотоника охватывает огромную область
науки, техники и технологий, включая такие отрасли, как
 опто-волоконная связь,
 прием и передача информации,
 хранение и запись информации,
 оптические вычисления,
 лазерная техника,
 создание наноматериалов для устройств фотоники,
 медицинская диагностика.
5.2 Хронология развития фотоники
Так как фотоника в начале своего становления в 60-е годы
20 века понималась, как было отмечено выше, как дисциплина,
изучающая технологии и устройства для оптоволоконной связи,
а потом уже, с 70-х годов 20 века получила токование в
современном более широком смысле, то многие вехи
становления фотоники как науки связаны с историей оптоволоконной связи. Приведем некоторые даты в хронологии
развития фотоники, опираясь в основном на книгу Дж. Хехта
[14].
35 век до н.э. Создание первых изделий из стекла.
1713 г. Рене Реомюр создал нити из стекла.
1790 г. Клод Чапп построил первый оптический телеграф во
Франции на линии Париж-Лилль.
1841 г. Даниэль Колладон продемонстрировал явление
волноводного распространения света в струе воды перед
публикой в Женеве, Лондоне и Париже. Этот принцип
волноводного распространения света из-за явления
полного отражения используется в современных
оптических волокнах. Поэтому Колладона называют
дедушкой волоконной оптики.
50
1854 г.
Джон
Тиндалл
продемонстрировал
явление
волноводного распространения света в струе воды на
заседании Лондонского королевского общества.
1867 г. Русский инженер В.Н.Чиколев осветил с помощью
световодов пороховые погреба Охтинского порохового
завода. Источником света являлась угольная дуга
Яблочкова. Световоды в виде полых металлических труб с
зеркальной внутренней поверхностью использовались для
безопасного освещения, исключавшего возможность
взрыва.
1880 г. Александр Белл изобрел фотофон.
1884 г.
Построены
первые
световые
фонтаны
на
Международной выставке в Лондоне, использующие
способ волноводного распространения света, который был
продемонстрирован еще Колладоном.
1888 г. Доктор Рот и профессор Рейсс из Вены использовали
гибкие стеклянные трубки для освещения внутренних
полостей человека в хирургии и при лечении зубов.
1895 г. Генри Сен-Рене продемонстрировал систему из гибких
стеклянных трубок для передачи света в ранней
телевизионной схеме.
1920 г. Гибкие стеклянные трубки использованы для освещения
в микроскопе.
1926 г. Выданы патенты на передачу изображения по
стеклянным трубкам для создания механического
телевидения.
1930 г. Генрих Лэм, студент-медик, осуществил первую
попытку передачи изображения по пучку стеклянных
волокон.
1932 г. Патент на оптический телефон, использующий
кварцевые трубки.
1951 г. Холгер Хансен получил патент на передачу изображения
по стеклянным или пластиковым волокнам, покрытым
оболочкой из прозрачного материала с более низким
показателем преломления.
1952 г. Гарольд Хопкинс получил грант Королевского общества
на создание эндоскопа, использующего пучок оптических
51
волокон. После получения гранта Н. Капани стал его
ассистентом.
1953 г. Журнал "Nature" опубликовал статью Хопкинса и
Капани об укладывании волокон в пучок для передачи
изображения.
Капани первый получил оптическое
изображение без искажений с помощью жгута из
регулярно уложенных стеклянных оптических волокон
диаметром 50 мкм без оболочки.
1956 г.
Капани впервые предложил термин "волоконная
оптика".
1957 г. Первый эндоскоп с использованием оптических волокон
протестирован на пациенте.
1957 г. Первые в мире исследования возможности создания
линий связи на основе оптических диэлектрических
волноводов - волоконных световодов - были начаты в
СССР в 1957 г. О.Ф. Косминским, В.Н. Кузмичевым
(специалисты по технике связи) и А.Г. Власовым, A.М.
Ермолаевым, Д.М. Круп и другими (специалисты по
оптике) [3].
1958 г. Советские исследователи B.В. Варгин и Т.И. Вейнберг
показали, что «светопоглощение» стекол обусловливается
примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и
продуктами разъедания огнеупоров; экспериментально
продемонстрировали, что поглощение идеально чистого
стекла чрезвычайно мало. B.В. Варгин и Т.И. Вейнберг
показали возможность дальнейшего существенного
уменьшения ослабления света в стеклах с использованием
значительно более чистых исходных химических
компонентов для создания стекол [3].
1960 г. Теодор Мейман продемонстрировал первый лазер.
1960 г. Али Джаван продемонстрировал первый гелий-неоновый
лазер в лаборатории Белл.
1961 г. Э. Снитцер опубликовал теоретическое описание
распространения света в одномодовых волокнах, а также
получил оптические волокна из стекол с добавкой
неодима и исследовал их использование в качестве
усилителей света.
52
1962 г. Четыре группы исследователей одновременно создали
первый полупроводниковый лазерный диод, работающий
при азотных температурах. Первой была группа Роберта
Холла.
1966 г. Чарльз Као и Чарльз Хокхэм опубликовали статью о том,
что оптические волокна могут использоваться как среда
передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей
затухание менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они
также
указали
путь создания пригодных для
телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением
уровня примесей в стекле. Таким образом, они
подтвердили выводы советских ученых В.В. Варгина и
Т.И. Вейнберга, которые были опубликованы в 1961 г.
1966 г. Вышла статья советского ученого Веселаго В.Г.,
посвященная
электродинамике
сред,
обладающих
одновременно отрицательными диэлектрической и
магнитной проницаемостью.
1967 г. С. Каваками из Токио предложил градиентное
оптическое волокно.
1970 г. В лаборатории Жореса Алферова в Физическом
Институте Иоффе в Санкт-Петербурге создан первый
лазерный диод на двойной гетероструктуре, работающий
при комнатной температуре.
1970 г. Маурер, Кек, Шульц и Зимар из фирмы Corning создали
оптическое волокно с малыми потерями 17 дБ/км.
1973 г. Время работы полупроводниковых лазерных диодов
достигло 1000 часов.
1975 г. Построена первая не экспериментальная линия связи в
Дорсете.
1976 г. Время работы полупроводниковых лазерных диодов
достигло 100 000 часов.
1976 г. Открыто третье окно прозрачности на 1550 нм.
1977 г. Лаборатория Белл объявила об экстраполируемом
времени работы полупроводниковых лазеров при
комнатной температуре в 1 000 000 часов (100 лет).
53
1978 г. NTT Ibaraki lab создали одномодовое оптическое
волокно с рекордным затуханием в 0.2 дБ/км на длине
волны 1550 нм.
1982 г. Постепенный переход с градиентного волокна на
одномодовое.
1984 г. British Telecom проложила первый подводный
оптический кабель для коммерческой связи.
1986 г. Первый подводный оптический кабель прошел по дну
Ла-Манша.
1993 г. Наказава послал солитонный сигнал по оптическому
волокну на расстояние 180 миллионов километров,
продемонстрировав солитонное распространения на
неограниченные расстояния.
1999 г. Д. Смит и Дж. Шульц экспериментально
продемонстрировали для СВЧ диапазона искусственные
среды, обладающие одновременно отрицательными
диэлектрической и магнитной проницаемостью.
5.3 История создания лазера
Рассмотрим историю создания оптического квантового
генератора – лазера, который используется в современной
фотонике и оптоинформатике как источник излучения для
волоконно-оптической связи, как устройство записи и
считывания информации, для лазерной резки и длямногих
других применений. Первые попытки получения лазерного
излучения датируются 1928 годом, хотя он так и не был
построен до 50-х годов XX века.
В 1955 году советскими физиками Н. Басовым и А.
Прохоровым был разработан т.н. квантовый генератор, которое
представляло собой оптический усилитель в среде аммиака.
Данное изобретение подтолкнуло на разработку лазер
американских ученных Ч. Таунса и А. Шавлова. В тоже время с
ними начал работу А. Прохоров. В 1958-м году А. Прохорову
удалось получить первые результаты. Он использовал резонатор
Фабри-Перо,
которое
представляет
собой
два
54
плоскопараллельных зеркала одно из которых полупрозрачное,
а другое непрозрачное.
В 1960-м году на основании разработок Басова,
Прохорова и Таунса американцем Т. Мейману был получен
опытный образец лазера, который был выполнен на основании
рубина с волной накачки длиной 0.69 мкм, а работающий в ИКдиапазоне лазер, который был выполнен на фториде кальция
всего через полгода заработал в компании IBM.
В свою очередь каноническая версия версия истории
изобретения лазера берѐт свое начало с 1916 года, когда
Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein) была создана теория
взаимодействия излучения с веществом, из которой в свою
очередь вытекала принципиальная возможность создания
генераторов ЭМ-полей и квантовых усилителей.
5.3.1 Как работает лазер
Физики долгое время считали, что проникающие в
материальную среду фотоны могут взаимодействовать с
электронными оболочками атомов и молекул только двум
путями:
1. Поглощаются и переводят частицы среды на более
высокий энергетический уровень;
2. Испускаются с одновременной потерей частицами
части своей энергии;
Но в своей статье «Квантовая теория» Эйнштейн сказал,
что есть ещѐ одна возможность. Допустим, то частица вещества
находиться в возбужденном состоянии с энергией Е2, тогда если
она встретиться с фотоном с энергией Е2-Е1, где Е1 – энергия
«нижележащего» состояния этой частицы, частица излучит
фотон, который при этом будет тождественно равен
породившим его фотону, т.е. энергия, направление движения,
фаза и поляризация у них полностью идентичны, при этом
частица испустившая фотон перейдѐт в состояние Е1. В 1924г.
американский физик Джон ван Флек (John van Vleck) назвал
данный тип излучения вынужденным.
55
Способы получения вынужденного излучения заметной
интенсивности не сложны. Один из них состоит в том чтобы
изготовить среду, содержащую на верхнем уровне Е2 большее
количество частиц, чем на нижнем. При выполнении этого
условия у фотона с энергией Е2-Е1 влетевшего в среду шансов
запустить процесс генерации больше, нежели поглотиться.
Среды отвечающие данному условию называются инверсными.
Данные среды получают искусственно различными методами,
которые в свою очередь требуют затрат энергии.
Инверсная среда может быть источником излучения, но
как правило она не интересна с физической точки зрения, т.к.
она лишь самопроизвольно, или как говорят физики спонтанно,
излучает фотоны с одинаковой энергией по всем направлениям
(монохроматический свет). Такую картину модно увидеть на
Марсе – вынужденное излучение молекул двуокиси углерода
равномерно рассеиваются по всем направлениям.
Ситуация полностью меняется, если излучение
извлечѐнное из инверсной среды будет сконцентрирована в
узком
пучке.
Самый
простой
способ
получить
сконцентрированный пучок – это поместить среду в трубку
между двух параллельных зеркал, которые перпендикулярны к
оси трубки. Так как самопроизвольное (спонтанное) излучение
распространяется во все стороны, часть фотонов направится
вдоль оси трубки, где будут многократно отражены от зеркал,
параллельно порождая свои копии. В итоге пространство между
зеркалами будет заполнено одинаковыми фотонами, которые
направлены вдоль оси трубки. Пока воздействие на среду будет
поддерживать инверсию, данное положение будет сохраняться.
Если мы сделаем одно из зеркал полупрозрачным, то часть
фотонов будет выходить наружу в виде непрерывного или
импульсного, в зависимости от того как мы будем осуществлять
инверсию, излучения, при этом фотоны в излучении будут
идентичны. Подобный тип излучения называется когерентным.
В идеальном случае все когерентные фотоны должны двигаться
параллельно, но в реальном случае луч все же будет
незначительно расходиться. Это и есть лазер, квантовый
генератор вынужденного светового излучения.
56
В итоге мы имеем, что для работы лазера нам
понадобится три основных компонента:
1. Оптическая среда, которая способна пропускать и
излучать фотоны;
2. Физический механизм, который приведет среду в
состояние инверсии (данный процесс получил
название накачка);
3. Устройство для селекции и усиления идентичных
фотонов (оптический резонатор), в данном случае
это два параллельных зеркала;
Первая попытка экспериментального обнаружения
индуцированного излучения была проведена в 1928 году
Ланденбургом, когда он изучал дисперсию света. Он
сформулировал необходимое условие для обнаружения
индуцированного излучения как преобладание его над
поглощением (условие инверсии), при этом отметив, то для
этого необходимо специальное избирательное возбуждение
квантовой системы.
Возможность использования вынужденного излучения
среды
с
инверсией
населѐнностей
для
усиления
электромагнитного излучения была предсказана в 1940 г.
В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой.
5.3.2 Вклад Валентина Фабриканта
Валентин Александрович Фабрикант (9 октября 1907 — 3
марта 1991) — выдающийся советский физик, доктор физикоматематических наук, профессор, действительный член
Академии педагогических наук СССР, лауреат Сталинской
премии второй степени.
В. А. Фабрикант сформулировал принцип усиления ЭМизлучения при прохождении через среду с инверсной
населѐнностью, лежащий в основе квантовой электроники. Он
был крупнейшим специалистом по физической оптике, физике
газового разряда и квантовой электронике. Работы В. А.
Фабриканта хорошо известны как в нашей стране, так и за
рубежом.
57
В. А. Фабрикант работал над вопросом оптики газового
разряда с 1932 года, а в 1938 году предложил метод прямого
экспериментального
доказательства
существования
вынужденного излучения. Он был первым, кто обратил
внимание на возможность создания среды усиливающей
излучение,
проходящее
через
неѐ
(так
называемая
отрицательная абсорбация).
В 1939 году В. А. Фабрикант в Физическом институте им.
П. Н. Лебедева защитил докторскую диссертацию, которая была
посвящена исследованию оптических характеристик газового
разряда.
Также
он
занимался
работой
по
созданию
люминесцентных источников света и в 1951 году был удостоен
звания Сталинской премии второй степени совместно с С. И.
Вавиловым, В. Л. Левшиным, Ф. А. Бутаевой, М. А.
Константиновой-Шлезингер, В. И. Долгополовым за разработку
люминесцентных ламп. Помимо этого Фабрикант продолжал
заниматься исследованиями по отрицательной абсорбции вместе
с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой. В 1951 году ими была
подана заявка на изобретение нового метода усиления света. В
данном методе было показано, что при прохождении света через
среду с инверсией его интенсивность возрастает по
экспоненциальному закону. Данный принцип был применим к
УФ-, ИК- и радиодиапазон, но к сожалению авторское
свидетельство было выдано только в 1959 году, а в 1964 году –
диплом об открытии № 12 с приоритетом от 1951 года «На
способ
усиления
электромагнитного
излучения
(ультрафиолетового,
видимого,
инфракрасного
и
радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления
индуцированного испускания».
Так впервые в мире и была дана чѐткая формулировка
квантового способа усиления электромагнитных волн в средах,
находящихся в неравновесном состоянии, изложена теория
квантового усиления, сформулирован закон усиления в средах с
отрицательным коэффициентом усиления.
Явление усиления электромагнитных волн и способ их
усиления лежат в основе действия всех квантовых усилителей и
58
генераторов, которые десять лет спустя были названы
американскими физиками мазерами и лазерами, и являются
основой квантовой электроники.
За выдающиеся работы по оптике газового разряда
Фабриканту В. А. в 1961 году была присуждена золотая медаль
имени С. И. Вавилова.
5.4 Басов, Прохоров и Таунс
Явление усиления электромагнитных волн в специально
созданной усиливающей среде лежит в основе действия всех
квантовых усилителей и генераторов, которые получили
название мазеров и лазеров (мазеры – квантовые генераторы для
СВЧ диапазона (microwave), а лазеры – для оптического (light))/
В настоящее время лазеры и являются основой квантовой
электроники.
В первой половине 50-х годов прошлого века появился
предшественник лазера - мазер, работавший на аммиаке,
квантовый генератор для СВЧ (микроволнового) излучения,
который был практически одновременно изобретен и построен в
Нью-Йорке и в Москве. В США эту работу выполнили
профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс (Charles
Townes) с ассистентами Джеймсом Гордоном (James Gordon) и
Гербертом Цайгером (Herbert Zeiger), в СССР - научные
сотрудники ФИАН Александр Прохоров и Николай Басов.
Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс были
удостоены в 1964 году Нобелевской премии по физике за
создание лазеров. Формулировка Нобелевской премии гласила:
"За фундаментальные работы в области квантовой электроники,
которые привели к созданию генераторов и усилителей на
лазерно-мазерном принципе.
В 1958 г. Таунс вместе с канадцем Артуром Шавловым
(Arthur Schawlow) и независимо от них Прохоров дали
теоретическое обоснование конструкции квантового генератора
светового излучения, который тогда назывался не лазером, а
оптическим
мазером.
В
мае
1960
г.
сотрудник
исследовательского центра фирмы Hughes Теодор Мейман
59
(Theodore Maiman) запустил первый в мире лазер на
искусственном рубине. Спустя полгода в лабораториях
корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде
кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером
Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek
Stevenson) (этот прибор действовал лишь при температуре
жидкого водорода и практического значения не приобрел).
Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell
Laboratories Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William
Bennett)
и
Дональд
Хэрриот
(Donald
Herriotte)
продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси
гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.
После этого ученые - физики и инженеры всего мира
включились в гонку по созданию лазеров для всевозможных
применений, которая идет и по сей день [4].
Созданию лазеров предшествовала большая работа,
которую проводили ученые из разных стран, изучая законы и
создавая усиливающие среды, которые впоследствии легли в
основу создания оптических квантовых генераторов. В 50-е
годы мазерами и лазерами плодотворно занимались физики,
которые внесли весомый вклад в развитие представлений об
усилении света, но по каким-либо причинам впоследствии
сменившие поле своей научной деятельности.
5.5 Какие ученые внесли вклад в создание лазера
Путь к квантовым генераторам когерентного излучения
был очень долог и занял несколько десятилетий. Так в 1924 году
американец Ричард Толман (Richard Tolman) догадался, что
теория Эйнштейна указывает на то, что имеется возможность
усилить интенсивность ЭМ-излучения. Через несколько лет
немецкие физики Рудольф Ладенбург (Rudolph Ladenburg) и
Ганс Копферманн (Hans Kopfermann) получили косвенные
доказательства того, что среды с инверсией населенностей
могут существовать. В 1934 г. американцы Клод Клитон (Claude
Cleaton) и Нейл Уильямс (Neil Williams) фактически наблюдали
инверсию молекул аммиака, которая и была положена в основу
60
конструкции первых мазеров. В конце 30-х годов профессор
Всесоюзного
электротехнического
института
Валентин
Фабрикант выполнил серьезный теоретический анализ методов
достижения инверсии в газовом разряде, а в 1947 г. американцы
Виллис Лэмб (Willis Lamb) и Роберт Резерфорд (Robert
Retherford) сумели добиться усиления ЭМ-волн, которые
испускали молекулы водорода, при помощи вынужденного
излучения. Все эти результаты совместно с другими сумели
раскрыть возможности, которые были предсказаны ещѐ теорией
Эйнштейна, но к сожалению дело до конца первой половины
XX века так и не сумело продвинуться [4].
Чарльз Таунс вспоминал, что концепция мазера пришла
ему в голову 26 апреля 1951 г., когда он был в Вашингтоне на
конференции, которая была посвящена обсуждению новых
методов генерации волн миллиметрового диапазона для
радиолокаторов. В то время клистроны, магнетроны и лампы
бегущей волны, которые уже использовались в роли источников
сантиметрового излучения, не слишком хорошо отвечали
намеченной цели. И в ходе размышлений над поиском
нестандартного пути решения данной задачи натолкнула Таунса
на идею прибора, который в последующем стал называться
мазер.
Примерно в тоже время такое же озарение пришло и к
профессору электротехники Мэрилендского университета
Джозефу Веберу (Joseph Weber), который в ходе работы над
докторской диссертацией по физике, в которой он применял
электромагнитные волны СВЧ-диапазона для инверсии
газообразного аммиака, глубоко изучил теорию Эйншейна.
Вебер в ходе изучения пришел к выводу, что можно усилить
интенсивность излучения, используя инверсию.
Джозеф Вебер (англ. Joseph Weber; 17 мая 1919 — 30
сентября 2000) — американский физик. Он дал первую
известную публичную лекцию о принципах работы
мазеров и лазеров, а также является пионером в попытках
детектирования гравитационных волн.
Летом в 1952 году Вебер на научной конференции в
Оттаве (Ottawa) изложил свои соображения, а через год
61
обнародовал их в статье. Эта статья стала первой открытой
публикацией на данную тему. В статье было показано, как
можно построить усилитель микроволнового излучения,
использующий термодинамически неравновесный аммиак в
качестве инверсной среды, но он не подумал о том, что
замкнутая металлическая полость (объемный резонатор)
превращает этот усилитель в генератор, что именно и сделали
Прохоров с Басовым и группа Таунса. Помимо этого у Вебера
отсутствовал
резонатор,
поэтому
расчетное
значение
коэффициента усиление прибора было очень мало, из-за чего
Вебер решил, что практического значения данная конструкция
не имеет. Вскоре он увлекся общей теорией относительности и
конструированием первых в мире детекторов гравитационного
излучения, что принесло ему в начале 70-х годов мировую
известность. Но тем не менее Вебера можно назвать одним из
первоизобретателей квантовых усилителей излучения.
Первым о том, что замкнутая полость не пригодна для
генерации вынужденного околосветового и светового излучения
с длинами волн порядка микрона и долей микрона догадался
Роберт Дике (Robert Dicke). Так в 1956 г. он подал патентную
заявку на аппарат для генерации когерентного инфракрасного
света, содержащий газообразную активную среду, обрамленную
полупрозрачными зеркалами (открытый зеркальный резонатор),
но Дике в своей заявке не уточнил, что газ необходимо
перевести в термодинамически неравновесное инвертированное
состояние.
Дике даже сделал больше, он с помощью своего студента
Брюса Хокинса (Bruce Hawkins) разработал один из способов
получения инверсной среды, а именно облучение ее светом
нужного спектра и поляризации. В дальнейшем именно данный
способ (метод оптической накачки) и был применѐн создателем
первого лазера Мейман. Также данный способ одновременно и
независемо от Дике в 1952-53 годах разработали Альфред
Кастлер [Alfred Kastler] с коллегами во Франции. У Дике,
который был сильным теоретиком и практиком, были все шансы
первым построить лазер, но в середине 50-х он занялся всерьез
гравитацией и моделями Вселенной. В данном направлении он
62
получил исключительно важные для космологии результаты (в
частности, переоткрыл давно забытую теорию реликтового
микроволнового
излучения)
и
ушел
из
квантовой
микроэлектроники [12]..
Роберт Дикке окончил Принстонский университет и
получил степень доктора философии (PhD) по ядерной
физике в 1939 в университете Рочестера. Во время Второй
мировой войны он работал в МТИ в Лаборатории
излучений, в которой участвовал в разработке радаров, а
также изобрел радиометр Дикке – приѐмник микроволн.
При помощи данного изобретения Дикке при измерениях с
крыши лаборатории впервые нашѐл верхний предел
уровня электромагнитных шумов в этом диапазоне: менее
20 Кельвин эффективной температуры.
В 1946 году Дикке возвращается в Принстон, где и
работал до конца своей карьеры. Сначала Дикке работал в
области атомной физики, в частности, в 1953 году изучал
оптическую накачку параллельно и независимо от А.
Кастлера. В 1954 году Дикке предсказал явление
сверхизлучения
в
системе
сильно
связанных
возбуждѐнных дипольных излучателей. В 1958 году
независимо от А. М. Прохорова и А. Шавлова предложил
открытый резонатор для получения лазерного эффекта.
В электронике Роберт Дикке стал известен за
изобретение синхронного усилителя, который широко
применяется ныне, а также разработкой теории цепей с
распределѐнными параметрами для высокочастотной
электроники.
Еще один из ученых, проложивших тропу к открытию
лазера, был переселившийся в США голландский физик
Николаас Бломберген (Nicolaas Bloembergen). Он в 1956 г.,
когда он работал в Гарварде, опубликовал статью "Проект
твердотельного мазера нового типа", где развил трехуровневую
теорию возбуждения инверсной среды. Хотя впервые данная
идея появилась в короткой заметке Басова и Прохорова,
напечатанной зимой 1955 г. в ЖЭТФ, их схема не была никогда
реализована. В свою очередь предложенный Бломбергеном
63
мазер испытали уже через несколько месяцев после публикации
его статьи. В дальнейшем Бломберген выполнил ряд
фундаментальных исследований по лазерной спектроскопии, за
которые и был удостоен Нобелевской премии вместе с
Шавловым в 1981 году.
Так в 50-е годы к разработке лазера и мазера приложили
руку три талантливых физика, которые в дальнейшем
прославились в других областях науки, но никому из них так и
не удалось продумать идею лазера в целом, как это сделали
Прохоров и Таунс с Шавловым. Но самое интересное то, что
независимо от всех учѐнных, работавших над мазерами и
лазерами, практически от начала и до конца лазер был
изобретѐн никому не известным аспирантом Колумбийского
университета, который потом тридцать лет добивался признания
своего приоритета. О нем будет рассказано ниже.
Гордон Гулд (Gordon Gould) родился в 1920 г. В 1942-м он
защитил магистерскую диссертацию по физике в Йельском
университете, где в дальнеѐшем преподавал пару лет. После
1945 года, прослужив четыре года в частной фирме, он поступил
в аспирантуру физического факультета Колумбийского
университета, где его научным руководителем был будущий
Нобелевский лауреат Поликарп Куш. Он предложил Гулду
заняться спектроскопией метастабильных атомов таллия.
Чтобы изготовить такие атомы Гулд применил
совершенно новый для тех времен метод оптической накачки. В
ходе изготовления атомов до него дошла мысль о том, что этим
же путѐм можно создать и инверсные среды. Эта идея вызревала
у него достаточно долго и в начале ноября 1957 г. Гулд понял,
что для получения видимого когерентного света необходимо
подвергнуть оптической накачке атомарный или молекулярный
газ, который заключен в трубку с зеркалами на концах, причем
чтобы вывести свет необходимо одно из зеркал сделать
полупрозрачным. За год до того как Гулд это понял данная
мысль пришла и к Дике, но так как Дике так и ничего не
опубликовал Гулду это не было известно. После этого Гулд,
объединив идею оптической накачки с идеей оптического
резонатора, сконструировал уже в мыслях настоящий лазер. Но
64
в связи с тем, что Гулду было уже 37 лет, он все еще числился
аспирантом и мог опасаться, что физическое сообщество не
поторопятся признать его революционное открытие, хотя
интересы научной карьеры требовали немедленно написать
статью и послать ее в первоклассный журнал. Так как Гулд с
юности был склонен к изобретательству, он чувствовал, что
данная дорога предоставит ему наибольшее количество шансов,
поэтому он не торопился публиковать свое открытие, и решил
добиваться патента. Так он заполнил девять блокнотных
страниц расчетами, с объяснениями и рисунками, после чего в
13 ноября засвидетельствовал их у нотариуса. Данное
изобретение от Гулда получило название лазер. В блокноте Гулд
также указал и список возможностей использования своего
изобретения и был полностью прав.
На следующий год Гулд придумал, записал и заверил
еще несколько лазерных изобретений - в частности, метод
накачки газообразной среды электрическими разрядами. Однако
в связи с тем, что он думал, что для получения патента
необходимо предоставить не только описание изобретения, но и
рабочий прототип (данное правило было отменено в 1880 году,
но при этом для вечного двигателя прототип все равно
требуется), обратился он в бюро только в апреле 1959 году.
Поскольку Гулд не знал, что правило было отменено в 1959
году, у него уже были серьезные конкуренты. Так в конце зимы
1958 г. Артур Шавлов пришел к идее зеркального резонатора; в
июле он и Таунс подали заявку на новый прибор, а в марте
1960-го получили патент. А Гулд тем временем покинул
аспирантуру для того чтобы работать в фирме TRG, которая
решила заняться использованием лазеров для наведения ракет.
Под данный проект Министерством обороны было выделено
почти миллион долларов, но Гулд не смог принять в данном
проекте участие, т.к. ему отказали в восстановлении допуска.
Через четыре года Гулд получил место преподавателя физики в
Бруклинском политехническом институте, после чего стал вицепрезидентом
небольшой
компании,
разрабатывавшей
оптоволоконные приборы и в 1985 г. ушел на пенсию [12]..
65
После того как Гулд покончил с лазерным
изобретательством, он полностью отдался борьбе за
утверждение своих патентов. Данная битва продолжалась почти
три десятилетия. Вначале он все время проигрывал, но в 1977
году Бюро патентов признало его приоритет в разработке
метода оптической накачки, но так как конкуренты
незамедлительно подали апелляцию, дело до получения патента
так и не дошло. После этого заявка Гулда несколько раз
подвергалась экспертизам и в сентябре 1986 года было
окончательно утверждена.
После этой победы в 1979 году Гулду были выданы
патенты на лазерную резку, на применение лазеров в
фотокопировальных машинах и на лазерный поджог
термоядерных реакций. Самое интересное то, что Гулд
догадался о такой возможности еще в 1957 году, когда
перспективы
управляемого
термояда
связывались
исключительно с магнитным удержанием плазмы. Хотя принято
считать, что применение лазерного излучения для нагрева
плазмы до термоядерных температур впервые предложили
Басов и еще один будущий академик, Олег Крохин в 1962 году,
видно, что Гулд все равно их опередил. В 1987 г. был получен
патент на создание инверсных сред с помощью газовых
разрядов, а еще через год - патент на метод снижения
поглощения света с помощью закона Брюстера. Единственное,
что не удалось добиться Гулду так это признание за ним
изобретение зеркального резонатора.
5.6 Александр Михайлович Прохоров
Советские ученые Николай Геннадьевич Басов
и
Александр Михайлович Прохоров - лауреаты Нобелевской
премии по физике 1964 г. «За фундаментальные работы в
области квантовой электроники, которые привели к созданию
осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном
принципе». Посмотрим, каким образом они пришли к своему
открытию.
66
Рис. 1 Александр Михайлович Прохоров
А.М. Прохоров родился в 1916 году в Австралии, в городе
Аттертон. Его отец был русский рабочий, революционер,
который бежал от преследований царского режима. В 1923 году
его семья вернулась в Россию, а в 1930-м году переселилась в
Ленинград. После окончания школы-семилетки Прохоров был
принят без вступительных экзаменов на рабфак при
Ленинградском электротехническом институте имени УльяноваЛенина.
С ранних лет Прохоров любил решать задачи по физике и
математике, а в университете очень много времени уделял
лабораторным приборам и оборудованию. Увлекался
радиотехникой и собирал приемники, читал различные
67
журналы, в том числе журнал «Радио», однако кружки он не
посещал.
В 1939 году Прохоров с отличием окончил физический
факультет Ленинградского государственного университета и
поступил в аспирантуру ФИАНа. В университете Александру
Михайловичу предложили место ассистента, однако он выбрал
аспирантуру в Москве, в Физическом Институте Академии Наук
имени П. Н. Лебедева.
В военные годы Прохоров служил под Тулой, разведчиком
в штабе армии, а потом на Северо-Западном фронте в 26-й
курсантской отдельной стрелковой бригаде (принимал участие в
уничтожении Демянской группировки).
В марте 1942 года Александр Михайлович был тяжело
ранен. После лечения он был направлен в штаб Западного
фронта, а после в Западный штаб партизанского движения.
Вскоре Прохорова направили в 94-й гвардейский полк 30-й
стрелковой дивизии Северо-Западного фронта. Там он занял
должность помощника начальника штаба полка по разведке. 18
февраля 1943 года, во время одной из разведок, Александра
Михайловича ранили осколком в левое бедро. Александр
Михайлович Прохоров награжден медалью "За отвагу". После
демобилизации Прохоров вновь смог вернуться к научной
работе.
В 1946 году Прохоров защищает кандидатскую
диссертацию, которая посвящена теории нелинейных
колебаний. За эту работу он и два других физика были
удостоены премии имени академика Леонида Мандельштама,
знаменитого советского радиофизика. Перед защитой
докторской диссертации выполнял обязанности ассистента на
физико-техническом факультете МФТИ. Из-за человеческой
простоты, энергичности и подвижности Прохорова часто
принимали за рядового студента.
Какое то время Александр Михайлович занимался
техникой со сверхвысокочастотным излучением, но потом
решил переключиться на квантовые генераторы.
Научные
труды
Прохорова
посвящены
радиоспектроскопии, радиофизике, квантовой электронике и еѐ
68
приложениям, физике ускорителей, нелинейной оптике. В своих
первых работах он исследовал распространение радиоволн
вдоль земной поверхности и в ионосфере. В послевоенные годы
Прохоров упорно начал заниматься разработкой методов
стабилизации частоты радиогенераторов, что вскоре послужило
основой его кандидатской диссертации. В 1951 году Александр
Михайлович
предложил
новый
режим
генерации
миллиметровых волн в синхротроне, смог установить их
когерентный характер и исходя из результатов этой работы
защитил докторскую диссертацию.
В мае 1952 года Прохоров и его аспирант Николай
Геннадиевич Басов представили свой первый доклад на тему
создания оптического квантового генератора, который
впоследствии был назван лазером. В октябре 1954 года в свет
вышла первая совместная
статья Прохорова и Басова,
посвященная этой теме. Спустя год Николай Геннадиевич Басов
и Александр Михайлович Прохоров опубликовали статью,
которая содержала описание трѐхуровневой схемы создания
оптического квантового генератора.
В 1953 году, во время разработки квантовых стандартов
частоты, Прохоров и Басов сформулировали основные
принципы квантового усиления и генерации. На основании
этого в 1954 году был создан первый квантовый генератор на
аммиаке. В 1955 году они предложили трѐхуровневую схему
создания инверсной населенности уровней, которая в итоге
нашла широкое применение в мазерах и лазерах. Последующие
годы были посвящены работе над парамагнитными усилителями
со сверхвысокочастотным диапазоном излучения, в которых
было принято решение использовать ряд активных кристаллов,
схожих с рубином, подробное изучение свойств которого
оказалось весьма полезным при создании рубинового лазера. В
1958 году Прохоров предложил использовать открытый
резонатор при создании квантовых генераторов. В 1959 году
Прохоров и Басов удостоились Нобелевской премии за
основополагающую работу в области квантовой электроники,
которая впоследствии привела к созданию лазера и мазера, а
69
через 5 лет, в 1964 году совместно с Ч. Х. Таунсом они были
награждены Нобелевской премией по физике.
Начиная с 1960 года Прохоров создал несколько лазеров
различного типа: в 1963 году лазер в основе которого легли
двухквантовые переходы, целый ряд непрерывных лазеров и
лазеров в инфракрасной области, а так же в 1966 году мощный
газодинамический лазер. Он исследовал нелинейные эффекты,
которые возникают при распространении лазерного излучения
внутри вещества: многофокусная структура волновых пучков в
нелинейной среде, распространение оптических солитонов в
световодах, возбуждение и диссоциация молекул под действием
инфракрасного излучения, лазерная генерация ультразвука,
управление свойствами твѐрдого тела и лазерной плазмы при
воздействии световыми пучками. Эти разработки нашли
широкое применение как в промышленном производстве
лазеров, так и для создания систем дальней космической связи,
лазерного термоядерного синтеза, волоконно-оптических линий
связи и многих других
С 1946 по 1982 год Прохоров работал в Физическом
институте АН СССР, с 1954 года руководил Лабораторией
колебаний, а с 1968 года являлся заместителем директора. В
1982 году он был назначен директором Института общей
физики АН СССР, возглавляя его до 1998 года, а после был
признан его почѐтным директором. В то же время Прохоров
преподавал в МГУ (с 1959 года он занимал должность
профессора) и МФТИ, где с 1971 года был заведующим
кафедры.
В 1960 году Прохоров был избран членомкорреспондентом АН СССР, а спустя год — академиком.
В 1991 году Прохоров создал международный научный
журнал, который назывался Laser Physics и до конца жизни был
его главным редактором.
Одним из самых главных научных достижений Прохорова
является создание лазера, которое находиться наряду с другими
крупнейшими научными открытиями ХХ века.
В честь Александра Михайловича Прохорова в Австралии
установлена доска, на которой написано: «Александр
70
Михайлович Прохоров — соизобретатель мазера, предвестника
лазера, Нобелевский лауреат по физике 1964 года, родился в
Атертоне 11 июля 1916 года».
5.7 Николай Геннадиевич Басов
Рис. 2 Николай Геннадиевич Басов – советский физик, внесший
огромный вклад в изучение лазерной физики
Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря в 1922
году в городе Усмани Воронежской губернии в семье Геннадия
Федоровича Басова, который был профессором Воронежского
государственного университета.
По окончанию школы Н. Г. Басов отправился на фронт.
Вплоть до 1945 года он находился в рядах действующей армии.
После демобилизации в 1946 году Басов стал студентом
Московского механического института боеприпасов (ныне
71
Московский инженерно-физический институт). Обучаясь в
институте, с 1948 года он приступил к работе в лаборатории
колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева. В 1950
году Н. Г. Басов был принят в аспирантуру и в 1953 году
защитил кандидатскую диссертацию по теме: "Определение
ядерных моментов радиоспектроскопическим методом".
В 1959 году Басовым и Прохоровым было предложено
создавать в полупроводниках инверсную заселенность в
импульсном электрическом поле. Ими было обосновано
создание оптических квантовых генераторов – лазеров с
оптической накачкой, инжекционных лазеров и с электронным
возбуждением. Инжекционные лазеры были созданы в 1962
году как в СССР (в ФИАНе) так и в США, а в 1964 году в
лаборатории Басова была достигнута генерация при
возбуждении сульфида кадмия электронным пучком. В конце
1960-х годов в его лаборатории создавались мощные оптические
лазеры на рубине и неодимовом стекле, а также мощный
фотодиссоционный лазер на парах йода. В 1968 году в ходе
эксперимента при облучении лазерных мишеней были получены
нейтроны. Это сыграло большую роль в дальнейших работах
связанных с лазерным термоядерным синтезом. В 1971 году в
ФИАНе была разработана первая «технологическая» лазерная
установка на неодимовом стекле, которая была предназначена
для сжатия лазерных мишеней.
В своих работах Басов много времени уделял
твердотельным квантовым генераторам, однако он также
придавал большое значение и газовым лазерам. В 1962 году в
его лаборатории впервые была создана генерация, состоящая из
смеси гелия с неоном; чуть позже начали проводиться
исследования, главной задачей которых было создание
высокоточных стандартов частоты. В 1963 году Басов вместе с
А.Н.Ораевским научно обосновал получение инверсной
заселенности при тепловой накачке, а в середине 1960-х годов в
его лаборатории проводились исследования, связанные с
созданием химических хлор-водородных и фтор-водородных
лазеров. В конце 1960-х годов в лаборатории Басова
72
проводились исследования импульсных фотодиссоционных
лазеров, а в 1970 году был создан первый эксимерный лазер. В
1973 году Басов стал директором ФИАНа и занимал эту
должность до 1992 года. В 1990 году Басов был награжден
Золотой медалью им. М.В.Ломоносова Академии наук СССР.
В 60-е гг. Н.Г. Басов проводил большое количество
исследований связанных с лазерными стандартами частоты.
Благодаря работам Николая Геннадиевича и его учеников
точность измерения частоты и длины волны атомных и
молекулярных переходов была повышена в несколько раз.
Проблема создания мощных лазеров была на тот момент
для лазерной физики одной из важнейших. Это подталкивает
Басова в 1962 году организовать, а позже и возглавить
обширный ряд исследований, в результате которых были
получены новые виды мощных лазеров - фотодиссоционные,
эксимерные, электроионизационные, химические.
В 1982 году по предложению Басова в ФИАНе была
открыта
Межведомственная
лаборатория
посвященная
применению лазеров в хирургии. В настоящее время при
помощи лазеров успешно проводятся операции на сердце.
5.8 Молекулярный генератор Басова и Прохорова
Молекулярный генератор, который создали Басов и
Прохоров, был предтечей лазера. Это устройство, в котором
когерентные электромагнитные колебания генерируются за счѐт
вынужденных квантовых переходов молекул из исходного
энергетического состояния с большей энергией в состояние с
меньшей внутренней энергией. Молекулярный генератор —
первый квантовый генератор, созданный в 1954 Н. Г. Басовым и
А. М. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом, Дж.
Гордоном и Х. Цейгером. Оба варианта этого молекулярного
генератора работали на молекулах аммиака NH3 и генерировали
электромагнитные колебания с частотой 24840 МГц, что
соответствовало СВЧ-диапазону с длиной волны 1,24 см.
Для возбуждения генерации когерентных колебаний
необходимо выполнение двух основных условий: в объѐме
73
полости резонатора количество частиц в исходном состоянии
должно быть больше, чем в состоянии с меньшей энергией, то
есть должна быть создана инверсия населенностей. Также
должна быть обеспечена обратная связь между частицами,
излучающими в различные моменты времени (так называемая
положительная обратная связь). В молекулярном генераторе
создание
инверсии
населенностей
производится
электростатической сортировкой пучка молекул. Обратная связь
в молекулярном генераторе осуществляется при помощи
объѐмного резонатора, настроенного на частоту, равную частоте
излучения, которое сопровождает переход молекул из верхнего
энергетического состояния в нижнее. Пучок молекул
формируется при вылете молекул из источника в вакуум через
узкие отверстия или капилляры.
Электростатическое разделение молекул (сортировка) по
энергетическим состояниям в молекулярном генераторе
основана на том принципе, что молекулы, обладающие
электрическим дипольным моментом (например, молекулы
NH3), пролетая через неоднородное электрическое поле, из-за
эффекта Штарка отклоняются этим полем от прямолинейного
направления по-разному в зависимости от энергии. В первом
молекулярном генераторе сортирующая система представляла
собой квадрупольный конденсатор, состоящий из четырех
параллельных стержней специальной формы, соединѐнных
попарно с высоковольтным выпрямителем. Электрическое поле
такого конденсатора было сильно неоднородным, что вызывало
искривление траекторий молекул NH3, летящих вдоль его оси.
Свойства молекул NH3 таковы, что те из них, которые находятся
в верхнем из используемой пары энергетических состояний,
отклоняются к оси конденсатора и попадают внутрь объѐмного
резонатора. Молекулы, находящиеся в нижнем состоянии,
отбрасываются в стороны и не попадают в резонатор. Таким
образом, отсортированный пучок, который попал внутрь
объемного резонатора, содержит молекулы, находящиеся в
верхнем энергетическом состоянии. Попадая внутрь резонатора,
такие молекулы создают вынужденное излучение под
воздействием электромагнитного поля резонатора. Излученные
74
фотоны остаются внутри резонатора, усиливая его поле и
увеличивая вероятность вынужденного излучения для молекул,
пролетающих позже. Если интенсивность пучка активных
молекул такова, что вероятность вынужденного излучения
фотона больше, чем вероятности поглощения фотона в стенках
резонатора, то возникает процесс самовозбуждения — быстро
возрастает интенсивность электромагнитного поля резонатора
на частоте перехода за счѐт внутренней энергии молекул пучка.
Это возрастание прекращается, когда поле в резонаторе
достигает величины, при которой вероятность вынужденного
испускания становится столь большой, что за время пролѐта
резонатора успевает испустить фотон как раз половина молекул
пучка. При этом для пучка в целом вероятность поглощения
становится равной вероятности вынужденного испускания.
Мощность, генерируемая молекулярным генератором на пучке
молекул NH3, составляет 10-8 Вт, стабильность частоты
генерации в пределах 10-7—10-11.
Впоследствии после изобретения первого молекулярного
генератора были созданы молекулярные генераторы на ряде
других дипольных молекул, работающие в диапазоне
сантиметровых и миллиметровых волн, и квантовые генераторы
на пучке атомов водорода, работающие на длине волны 21 см.
Эти приборы, как и квантовые усилители радиодиапазона,
иногда
называют
мазерами.
Существует
несколько
конструктивных
вариантов
молекулярных
генераторов,
отличающихся устройством сортирующих систем, количеством
резонаторов и другими инженерными решениями. Теперь к
молекулярным генераторам относят также квантовые
генераторы, в которых инверсия населѐнности уровней молекул
достигается
множеством
других
способов,
например
воздействием вспомогательного электромагнитного поля
(накачки), электрическим разрядом и др. Поэтому к
молекулярным генераторам мы относим и квантовые
генераторы оптического диапазона (лазеры), рабочим
веществом которых служат молекулярные газы.
75
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое фотоника?
2. Когда появился термин фотоника? Кто предложил
этот термин?
3. Когда началась фотоника как область науки?
4. Какие отрасли входят в фотонику?
5. Кто предложил термин "волоконная оптика"? Когда?
6. Когда был создан первый полупроводниковый лазер,
работавший при азотных температурах? Кем?
7. Когда был создан первый полупроводниковый лазер,
работавший при комнатных температурах? Кем?
8. Когда были созданы оптические волокна с малым
затуханием?
9. Кто создал первый мазер?
10. Что такое лазер? Опишите принцип его работы.
11. Когда был продемонстрирован первый лазер на
рубине?
12. Кто получил Нобелевскую премию за "создание
лазеров"?
13. Назовите ученых, работы которых предшествовали и
способствовали созданию лазера.
14. Охарактеризуйте вклад В. Фабриканта в создание
теории усиления электромагнитных волн.
15. Когда был продемонстрирован первый гелийнеоновый лазер?
16. Охарактеризуйте вклад Басова и Прохорова в создание
лазера.
17. Назовите ученых, которые вели работы по
исследованию усиления электромагнитных волн.
18. Перечислите сферы научной деятельности Прохорова.
19. Назовите сферы научной деятельности Басова.
20. Как работал молекулярный генератор Басова и
Прохорова?
76
Глава 7 Создание полупроводникового лазера на
двойной гетероструктуре
7.1 Жорес Алферов. История создания гетероструктур
Ж.И.
Алфѐров
стоял
у
истоков
развития
полупроводниковой
электроники
и
создания
полупроводниковых лазеров, способных излучать при
комнатной температуре.
Вернемся в середину 20 века. В 1957 году США оказались
в положении аутсайдера благодаря тому, что именно в СССР
был запущен первый спутник. Это сподвигло американское
правительство проявить бойцовский характер: были брошены
такие бюджетные средства в развитие технологии, что число
исследователей быстро достигло миллиона! Благодаря этому
уже на следующий год (т.е. в 1958 г.) Джон Килби смог
изобрести интегральную схему, которая стала заменой печатной
плате в обычных ЭВМ. После именно этого открытия и
родилась микроэлектроника современных компьютеров,
которые мы знаем сейчас. Впоследствии эта цепочка событий
получила название «эффект спутника».
Началом микроэлектроники принято считать создание
транзистора. Пионерами транзисторной эры стали Джон Бардин,
Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, которым удалось в 1947 г.
создать действующий биполярный транзистор в стенах
компании «Bell Labs». Другой, не менее важной, компонентой
полупроводниковой электроники стал элемент, который
позволял напрямую преобразовывать электричество в свет, т.е.
полупроводниковый оптоэлектронный преобразователь, к
созданию которого имел непосредственное отношение Ж.И.
Алфѐров.
Было обозначено отдельное направление квантовой
электроники, которое занималось решением задачи прямого
преобразования
электричества
в
«технический»
свет (когерентное квантовое излучение). Учѐными была
поставлена и решена задача получения совершенного нового
вида света, которого до этого не наблюдалось в природе. Т.е. это
77
был не тот свет, который приходит в течение дня от Солнца,
состоящий из случайной смеси волн разной длины, не
согласованных по фазе или, к примеру, льется непрерывным
потоком при прохождении тока по вольфрамовой нити. Проще
говоря, был «создан» свет строго «дозированный», полученный
как набор из определенного числа квантов, у которых была
заданная длина волны и который был строго «построенный» —
когерентный, (т. е. упорядоченный), что означало одновременность (синфазость) излучения квантов.
Наличие такого приоритета США по транзистору было
определено той огромной ношей Отечественной войны, которая
навалилась на СССР. На этой войне было много погибших.
Несчастье не обошло семью Алферовых: старший брат Жореса
Ивановича - Маркс Иванович, погиб в бою в возрасте 20 лет.
К 1956 г. Жорес Алфѐров уже был работником
Ленинградского физико-технического института, куда он
надеялся попасть еще во время своей учебы. Значимую роль в
этом определила книга «Основные представления современной
физики», которую написал Абрам Федорович Иоффе —
патриарх отечественной физики, школа которого выпустила
практически всех тех физиков, составивших впоследствии
гордость отечественной физической школы: Л.Д. Ландау, П.Л.
Капица, А.П. Александров, И.В. Курчатов, Ю.Б. Харитон и
другие. Жорес Иванович впоследствии неоднократно писал, что
его счастливая жизнь в науке была предопределена его
распределением в Физтех, который позднее получил
имя Иоффе.
Исследования полупроводников в питерском Физикотехническом институте были начаты еще в 30-е годы двадцатого
века. В 1932 г. В.П. Жузе и Б.В. Курчатов производили
собственную
и
примесную
проводимость
различных
полупроводников. В том же году А.Ф. Иоффе и Я.И. Френкелем
была создана теория выпрямления тока на контакте металл—
полупроводник,
которая
основывалась
на
явлении
туннелирования. Позднее, в 1931 и 1936 гг. Я.И. Френкель смог
опубликовать свои знаменитые работы, в которых им было
предсказано существование экситонов в полупроводниках, а
78
также введен сам этот термин и разработана теория экситонов.
Теория выпрямляющего p-n-перехода, позднее ставшая основой
p-n-перехода В. Шокли, создавшего первый транзистор, была
опубликована Б.И. Давыдовым, сотрудником Физтеха. В 1939 г.
Нина Горюнова, на тот момент аспирантка Иоффе, защитившая
в 1950 г. диссертацию по интерметаллическим соединениям,
смогла открыть полупроводниковые свойства соединений 3-ей и
5-ой групп периодической системы (далее А3В5). Именно ею
был создан тот фундамент, на котором стартовали дальнейшие
исследования гетероструктур этих элементов. (На Западе отцом
полупроводников А3В5 принято считать Г. Велькера.)
Заявку на изобретение полупроводникового лазера
Алфѐровым была подана совместно с теоретиком Р.И.
Казариновым в период самого разгара поисков этого
технического решения. Начались эти поиски примерно с 1961 г.,
когда Н.Г. Басов, О.Н. Крохин и Ю.М. Попов смогли совместно,
теоретически, сформулировать предпосылки его создания. В
июле 1962 г. стало известно, что ученые в США уже
определились с тем полупроводником, который собирались
использовать для генерации — это был арсенид галлия (GaAs), а
где-то в конце сентября-начале октября лазерный эффект
смогли получить сразу в трех лабораториях. Первой оказалась
группа Роберта Холла (24 сентября 1962 г), спустя 5 месяцев
после открытия которой была подана заявка на изобретение
Алфѐрова и Казаринова, от которой принято вести отсчет
занятиям гетероструктурной микроэлектроникой в Физтехе.
Б.М. Вулом, Н.Г. Басовым и Ю.М. Поповым была
опубликована первая работа о возможности использования
полупроводников для создания лазера в 1959 г. Использование
р-n-переходов для этих целей было предложено в 1961 г. Н.Г.
Басовым, Ю.М. Поповым О, Н. Крохиным. И уже в 1962 г. были
впервые осуществлены п/п лазеры на кристалле GaAs в
лабораториях М.И. Нейтена, Р. Холла и Н. Холоньяка (США).
Этим разработкам предшествовало подробное исследование
свойств р-n-переходов (в первую очередь - излучательных),
которое показало, что при подаче большего тока появлялись
признаки вынужденного излучения (С.М. Рыбкин с
79
сотрудниками, а также Д.Н. Наследов, СССР, 1962 г.). В СССР
такие фундаментальные исследования, которые в последствии
приведшие к созданию п/п лазеров, были удостоены Ленинской
премии в 1964 г. (О. Н. Крохин, Б.М. Вул, А.А. Рогачев, Д.Н.
Наследов, С.М. Рыбкин, А.П. Шотов, Ю.М. Попов, Б.В.
Царенков). Полупроводниковый лазер, который возбуждался
электронным методом, был впервые представлен в 1964 г. Н.Г.
Басовым, А.Г. Девятковым О.В, Богданкевичем. В том же году
Н.Г. Басов, В.А. Катулин, А.З. Грасюк опубликовали сообщение
о создании п/п лазера с оптической накачкой. Годом ранее Ж.И.
Алфѐров уже выдвинул предложение о использовании
гетероструктуры для полупроводниковых лазеров. Но
осуществить такую конфигурацию получилось лишь спустя 5
лет, в 1968 г. Ж.И. Алфѐровым, Д.З. Гарбузовым, В.М.
Андреевым, Д.Н. Третьяковым, В.И. Корольковым, В.И.
Швейкиным, которые были удостоены в 1972 г. Ленинской
премии за исследования гетеропереходов и разработку
приборов, основанных на данной технологии.
Группа учѐных, работавшая под началом Алфѐрова
(Дмитрий Третьяков, Ефим Портной, Дмитрий Гарбузов,
Вячеслав Андреев и Владимир Корольков) в течении
нескольких лет усердно занималась поиском того подходящего
для реализации поставленной цели материала, пробуя
изготовить его самостоятельно. Но обнаружить подходящий
сложный трехкомпонентный полупроводник получилось почти
случайно в соседней лаборатории Н.А. Горюновой. Однако у
этой случайности была своя предистория — поиск казавшихся
на тот момент перспективными полупроводниковых соединений
Нина Александровна Горюнова вела целенаправленно, а в своей
монографии, вышедшей в 1968 г., она сформулировала идею
«периодической системы полупроводниковых соединений».
Полупроводниковое соединение, которое было создано в ее
лаборатории, обладало теми необходимыми параметрами (в
первую очередь стоит отметить стабильность данной
структуры) для генерации, что и стало определяющим для
успеха
«предприятия».
Прибор
(позднее
названный
«гетеролазер») на этом материале был создан в канун 1969 г., а
80
приоритетной датой на уровне обнаружения лазерного эффекта
принято считать 13 сентября 1967 г.
7.2 Новые полупроводниковые материалы
После начала лазерной гонки, которая стартовала в 60-х
годах прошлого столетия почти незаметно были разработаны
светодиоды, которые так же были способны производить свет
заданного спектра, но который при этом не обладал строгой
когерентностью
лазера.
Благодаря
этим
разработкам
сегодняшняя
микроэлектроника
включает
такие
функциональные
приборы,
как
транзисторы
и
их
конгломераты — интегральные микросхемы (состоящие из
тысяч транзисторов) и микропроцессоры (включают в себя от
нескольких десятков тысяч до десятков миллионов
транзисторов). Что же касается оптоэлектроники (по сути своей
– отдельной ветви микроэлектроники), то еѐ подавляющую
часть
составили
приборы,
построенные
на
основе
гетероструктур по созданию «технического» света, т.е. п/п
лазеры и светодиоды. С использованием п/п лазеров связана
новейшая история цифровой записи — от обычных CD-дисков
до знаменитой сегодня технологии Blue Ray, которая
основывается на использовании нитрида галлия (GaN).
Одним из наиболее часто встречающихся на сегодняшний
день применением светодиодов является их использование
вместо ламп накаливания и при изготовлении дисплеев
мобильных телефонов и навигаторов.
СД или СИД, он же - светодиод, или светоизлучающий
диод (LED - англ. Light-emitting diode) - это полупроводниковый
прибор, излучающий некогерентный свет при прохождении
через него электрического тока. Свет, излучаемый таким
источников, лежит в узком диапазоне спектра, цветовые
характеристики которого зависят от химического состава,
применяемого в нем полупроводника.
Принято считать, что первый светодиод, излучающий в
видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 г. в
Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник
81
Холоньяк. Такие диоды, сделанные из непрямозонных
полупроводников (например, кремния, карбида кремния или
германия), свет практически не излучали. Поэтому начали
применяться такие соединения, как GaAs, lnAs, lnP, lnSb,
которые являлись прямозонными полупроводниками. В то же
время стоит отметить, что многие полупроводниковые
материалы типа А3В5 образуют между собой непрерывный ряд
твердых растворов – тройных и более сложных (AlxGa1-xN и
lnxGa1-xN, GaAsxP1-x, Gaxln1-xP, Gaxln1-xAsyP1-y, и т. п.), на
основе которых и было сформировано направление
гетероструктурной микроэлектроники.
Сейчас,
основная
идея
дальнейшего
развития
«технического света» заключена в создании новых материалов
для светодиодной и лазерной техники. Эта задача напрямую
зависит от одной из основных проблем, которая заключается в
получении материалов соответствующих определенным
требованиям, необходимым для применения в электронной
структуре полупроводника. И главным из этих требований
является формирование запрещенной зоны полупроводниковой
матрицы, являющейся решением той или иной конкретной
задачи, поставленной перед учѐными. Сейчас активно ведутся
исследования таких сочетаний материалов, которые позволяют
достигать заданных требований к форме и размерам
запрещенной зоны (Запрещенная зона — термин, описывающий
область значений энергии, которыми не может обладать
электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Обычно
характерными значениям ширины этой зоны в полупроводниках
являются около 0,1–4 эВ. Примеси могут создать полосы в
запрещенной зоне — возникает мультизона).
Чтобы получить представление о многосторонности этой
работы достаточно взглянуть на график, на котором будет
отображено многообразие «базовых» двойных соединений и
возможности
их
сочетаний
в
композиционных
гетероструктурах.
82
7.3 Будущее гетероструктур
Говоря о перспективах, стоит упомянуть оценку, которая
отражает точку зрения Жореса Ивановича: в 21 веке
гетероструктуры должны оставить только 1% для использования
моноструктур. Это означает, что вся электроника рано или
поздно перестанет использовать такие «простые» вещества, как
кремний с чистотой 99,99—99,999%. Эти цифры отражают
чистоту кремния, которая измеряется в девятках после запятой,
но такой чистотой уже лет 50 как никого не удивить.
Предполагается, по мнению Алферова, что развитие
электроники, — это соединения из элементов A3B5,
твердотельных растворов на их основе и эпитаксиальных слоев
различных сочетаний этих элементов. Конечно, утверждения,
что простые полупроводники типа Si не могут найти широкого
применения, будут безосновательны, но все же тот факт, что
сложные структуры дают значительно более гибкий ответ на
запросы современности, является определяющим. Уже сейчас
гетероструктуры решают проблему высокой плотности
информации для оптических систем связи. Решением данной
задачи является ОЕIС (optoelektronic integrated circuit) —
оптоэлектронная интегральная схема.
За основу любой микросхемы такого типа (оптопары,
оптрона) берутся инфракрасный излучающий диод и оптически
согласованный с ним приемник излучения, что позволяет
получить необходимый простор формальной схемотехнике для
широкого использования этих устройств в качестве
приемопередатчиков передаваемых информационных сигналов.
Развитие, пожалуй, ключевого прибора современной
оптоэлектроники (лазер
на
двойной
гетероструктуре)
продолжается и совершенствуется. И сегодня именно
высокоэффективные
быстродействующие
светодиоды,
основанные на технологии ДГС, продолжают обеспечивать
поддержку технологии высокоскоростной передачи данных
НSPD (High Speed Packet Data service).
Хотя стоит отметить, что в выводе Алфѐрова основная
мысль уделена не этим разрозненным применениям, а общему
83
направлению, в котором будет происходить развитие
технических решений XXI века — получение интегральных
схем и материалов на основе структур, обладающих точно
заданными, рассчитанными на много ходов вперед свойствами.
Работа над формирование таких свойств ведется на уровне
атомной структуры используемых материалов, определяемой
поведением носителей заряда в том особом регулярном
пространстве, которое представляет собой внутренность
кристаллической решетки материала. Основное направление
этой части деятельности — регулирование числа электронов и
их квантовых переходов, т.е. по сути - ювелирная работа на
уровне конструирования постоянной кристаллической решетки,
величина которой может составлять нескольких ангстрем
(ангстрем — 10-10 м, 1 нанометр = 10 ангстрем). Хотя стоит
отметить, что сейчас развитие науки и техники — это уже не тот
путь вглубь вещества, каким он представлялся в 60-е годы 20ого века. Сегодня, по большей части - это движение в
противоположном направлении, в область наноразмеров. Как
пример - создание нанообластей со свойствами квантовых
проволок, где квантовые точки линейно связаны или же просто квантовых точек.
Само собой, нанообъекты — этот одна из многих
ступеней, которые проходят в своем развитии техника и наука, и
маловероятно, что на нем они остановятся. Учитывая тот факт,
что развитие науки и техники путь далеко не прямолинейный,
можно с легкостью предположить о том, что если сегодня
интересы исследователей сместились в сторону увеличения
размеров (в нанообласть), то решения, принимаемые в будущем
могут конкурировать в разных масштабах.
Как пример можно привести историю развития
микрочипов: возникшие на кремниевых чипах ограничения по
увеличению плотности элементов этих схем можно решить
двумя путями. Один из вариантов — смена полупроводника.
Реализацию данного метода предложено решить благодаря
изготовлению гибридных микросхем, которые основываются на
применении
двух
п/п
материалов
с
различными
характеристиками. Как наиболее перспективный вариант
84
называется использование нитрида галлия (GaN) совместно с
кремниевой пластиной. С одной стороны, нитрид галлия
отмечен как материал с уникальными электронными
свойствами, позволяющими создавать высокоскоростные
интегральные микросхемы, с другой — использование кремния
как основного элемента делает такую технологию совместимой
с ныне применяемым производственным оборудованием. Кроме
этого, подход со стороны наноматериалов содержит еще более
новаторскую
идею
электроники
одного
электрона —
одноэлектроники.
Тут весь интерес в том, что дальнейшую миниатюризацию
электроники (к примеру - размещение тысяч транзисторов на
подложке одного микропроцессора) ограничивает пересечение
электрических полей при движении потоков отрицательно
заряженных частиц в расположенных рядом транзисторах. Эта
же затея заключается в том, чтобы вместо потоков электронов
использовать один-единственный электрон, который может
двигаться в «индивидуальном» временном графике и поэтому не
является
поводом
снижения
скорости
и
создания
напряженности помех.
В этом отношении одноэлектроника напоминает тот путь,
который проходили исследователи п/п гетеролазеров. Группа
Алфѐрова работала как раз над тем, чтобы найти материал,
который обеспечит эффект лазерной генерации при
температуре, близкой к комнатной, а не при температуре
жидкого азота (около 195,75°). В тоже время, сверхпроводники,
с которыми связаны самые главные надежды по передаче
больших потоков электронов (силовых токов), пока не удалось
«вытащить» из области столь низких температур. Притом, не
только это является существенной причиной торможения
возможности уменьшения потерь при передаче энергии на
большие расстояния — хорошо известно, что перенаправление
энергетических потоков по территории РФ в течение суток
приводит к примерно 30%-ным потерям на «нагрев
проводов», — отсутствие «комнатных» сверхпроводников
ограничивает развитие хранения энергии в сверхпроводящих
кольцах, где в потенциале, перемещения токов могут
85
продолжаться практически вечно. Как идеал, представляется
создание таких колец, для построения которых задействуются
обычные атомы и где движение электронов вокруг ядра порой
устойчиво при самых высоких температурах и может
продолжаться неограниченно долгие отрезки времени.
Если смотреть в будущее, то перспектив развития наук о
материалах весьма достаточно много. Причем стоит отметить,
что именно с развитием науки о материалах появилась та
реальная возможность прямого использования солнечной
энергии, которой присваивают огромные перспективы в
возобновляемой энергетике. Порой именно такие направления
разработок определяют будущее лицо общества (в Татарии и
Чувашии уже планируют «зеленую революцию» и всерьез
занимаются разработкой биоэкоградов). Предполагается, что
будущее такого направления заключается в том, чтобы от
развития техники материалов перешагнуть к пониманию
принципов функционирования самой природы, пойти по пути
использования управляемого фотосинтеза, который мог бы
стать столь же широко распространен в нашем обществе, как и в
живой природе. Тут речь уже ведѐтся об элементарной ячейке
живой природы — клетке, и это следующий, более высокий этап
научного развития после электроники с ее идеологией создания
приборов для выполнения какой-то одной функции —
транзистора для управления током, светодиода или лазера для
управления светом. Идеология клетки — это идеология
операторов как элементарных устройств, осуществляющих
некий цикл. Клетка является не отдельно изолированным
элементом для выполнения какой-то определенной функции за
счет энергии, подаваемой из вне, но целой системой по
переработке доступной внешней энергии в работу поддержания
циклов множества различных процессов под единой оболочкой.
Работа такой клетки по поддержанию собственного
гомеостазиса и накопления в ней энергии в виде АТФ — одна из
самых завораживающих проблем современной науки. Пока
биотехнологам остаѐтся лишь мечтать о создании устройства со
свойствами одной клетки, которое бы было пригодно для
использования в микроэлектронике. И когда наступит момент
86
апогея данной тематики, несомненно, начнется новая эра
микроэлектроники — эра приближения к принципам работы
живых организмов, о которой уже довольно долго грезят
фантасты и почти также давно придуманной науки бионики, все
еще не вышедшей из колыбели биофизики.
Будем надеяться, что создание научного центра
инноваций в Сколково сумеет реализовать нечто подобное
«эффекту спутника» — открыть новые прорывные области,
создать новые материалы и технологии электроники.
Вопросы для самоконтроля
1. Когда была изобретена первая интегральная схема?
Кем? Какие предпосылки способствовали изобретению
интегральной схемы?
2. Когда был изобретен первый транзистор?
3. Назовите работы советских ученых середины 20 века,
внесших вклад в развитие полупроводниковой
электроники.
4. Когда Алферов создал первый полупроводниковый
лазер на двойной гетероструктуре, работавший при
комнатной температуре?
5. Перечислите преимущества двойной гетероструктуры.
6. Чем отличается излучение полупроводникового лазера
и полупроводникового светодиода?
7. Когда Алферов получил Нобелевскую премию за
создание полупроводникового лазера?
8. Перечислите
перспективы
развития
полупроводниковой электроники.
87
Глава 8 Метаматериалы
Метаматериалами
называют
искусственно
сконструированные среды, которые обладают новыми
свойствами, не присущими природным метариалам. В первую
очередь рассматриваются новые электродинамические свойства
таких материалов, возможность излучить или задерживать
электромагнитные волны. Метаматериалы – это строго
упорядоченные
структуры,
состоящие
из
отдельных
строительных ячеек, причем размер каждой ячейки должен быть
меньше длины воны электромагнитного излучения.
8.1 Предшественники современных метаматериалов и
их создатели
Концепция использования различных искусственных
конструкций
для
манипулирования
электромагнитными
волнами родилась еще в 19 веке. В конце 19 века были уже
созданы такие устройства для преобразования СВЧ – излучения,
как параболический рефлектор, диэлектрическая линза, которая
была известна, конечно, для оптического диапазона, СВЧ –
поглотители, излучающая диафрагма, рупорная антенна. К
созданию многих устройств, в том числе созданию
прямоугольного волновода для СВЧ – излучени, приложил свою
руку и лорд Релей.
Одним из забытых сейчас физиков, внесших
значительный вклад в разработку искусственных сред
для преобразования радиоволн, был сэр Джагадиш
Чандра Боше — учѐный-энциклопедист из Бенгалии:
физик, биолог, биофизик, ботаник, писатель и
археолог. Боше был одним из основоположников
исследований радио и микроволновой оптики, основал
фонды экспериментальной науки на индийском
субконтиненте. Его считают одним из создателей
радио и отцом бенгальской научно-фантастической
литературы. Им была осуществлена беспроводная
передача сигналов и он был первым, кто использовал
88
полупроводниковые переходы для обнаружения
радиосигналов.
Однако,
вместо
получения
коммерческой выгоды из этого изобретения, Боше
опубликовал свои работы, чтобы позволить другим
исследователям развивать эти идеи. Боше запатентовал
одно из своих изобретений по просьбе своих коллег,
хотя он не признавал любые формы патентования.
Теперь, спустя многие годы после его смерти, вклад
Боше в современную науку является общепризнанным.
8.2 Сергей Александрович Щелкунов
Сергей Александрович Щелкунов родился в г. Самара в
1897 году. Его отец Александр Александрович Щелкунов был
надсмотрщиком Самарской почтово-телеграфной конторы.
Мать Евдокия Леонтьевна Щелкунова — домохозяйка. После
рождения сына вся семья переехала в город Оренбург, где
Сергей окончил Оренбургское реальное училище. Он
продолжил своѐ обучение в Московском Университете, который
ему пришлось покинуть в марте 1917 года в связи с армейским
призывом и направлением во 2-ю Одесскую школу подготовки
прапорщиков пехоты. Во время беспорядков после Октябрьской
революции и начавшейся Гражданской войны Щелкунов
проехал через всю Сибирь и прибыл в Маньчжурию в начале
1918 года, там он провѐл следующие три года. Затем Сергей
эмигрировал в Японию и оттуда в сентябре 1921 года в Сиэтл,
США.
В США Щелкунов продолжил своѐ образование, получил
в 1923 году степень бакалавра и магистра математики в
Колледже штата Вашингтон. В 1928 году он получил степень
Доктора философии (Ph.D.) в Колумбийском университете.
После получения степени бакалавра и магистра Щелкунов
начал работать в исследовательском подразделении Western
Electric, которое впоследствии стало знаменитой Bell
Laboratories. В 1935 году Щелкунов вместе с коллегами
обосновали возможность передачи телевизионного изображения
89
или до 200 телефонных разговоров с помощью нового для того
времени коаксиального кабеля.
В течение 35 лет работы в Bell Labs Щелкунов занимался
исследованием радаров, распространения электромагнитных
волн в атмосфере и в микроволновых направляющих линиях,
коротковолнового радио, широкополосных антенн и систем
заземления.
Работая над своими инженерными проектами, в
частности, над созданием антенн, Щелкунов рассмотрел
взаимодействие электромагнитных волн СВЧ диапазона с так
называемым разомкнутым кольцевым резонатором. Щелкунов
описал магнитные свойства такого резонатора и вывел формулу,
которая позволяет описать магнитный отклик разомкнутого
резонатора и рассчитать магнитную проницаемость среды с
такими искусственными включениями. Эта формула оказалась
очень удачной. В модифицированном виде она используется
современными учеными для расчета магнитной проницаемости
метаматериалов, содержащих уже двойные разомкнутые
резонаторы.
8.3 Виктор Георгиевич Веселаго
Виктор Георгиевич Веселаго — советский, российский
физик. Основоположник научного направления по созданию
материалов с отрицательным показателем преломления. В свое
время Веселаго защитил дипломную работу у А. М. Прохорова в
Физическом институте им. П. Н. Лебедева. В 1967 году,
основываясь
на
работах
Л. И. Мандельштама, описал
ожидаемые свойства материалов с отрицательным показателем
преломления (метаматериалов). Работал в ФИАНе под
руководством Прохорова, профессор Московского физикотехнического института, с 1982 года и по сей день работает в
Институте общей физики (ИОФАНе).
В 1967 Виктор Георгиевич первым предсказал
возможность
создания
суперлинзы
с
отрицательным
коэффициентом преломления. Эта идея была позже перенята
английским физиком Пэндри, и первые «метаматериалы»,
90
обладающие такими свойствами, были созданы американскими
учѐными Дэвидом Смитом и коллегами в лаборатории Шелдона
Шульца.
Виктор Георгиевич Веселаго родился в 1929 году и, как
сам говорил, до определенного момента не интересовался
физикой. А затем произошла одна из тех случайностей, которые
меняют не только направление судьбы человека, но и развития
науки. В седьмом классе Виктор заболел и начал читать книги,
чтобы скоротать время. Среди них оказалась и «Что такое
радио?» Книга, прочитав которую, школьник не на шутку
увлекся радиотехникой и физикой. Когда пришло время
выбирать ВУЗ, Виктор Георгиевич узнал, что в Московском
университете
открывается
новый
физико-технический
факультет, где помимо других специальностей есть и
радиофизика.
Абитуриентам ФТФ МГУ предстояло сдать девять
экзаменов. На первом же из них — письменной математике —
Веселаго получил «двойку». Сейчас он объясняет свою неудачу
тем, что просто растерялся, оказавшись в огромной аудитории.
На следующий день, когда он пришел забирать документы,
заместитель декана Борис Осипович Солоноуц посоветовал ему
все же прийти на следующий экзамен. Поскольку терять было
нечего, молодой человек так и поступил. Все остальные восемь
экзаменов сдал на пятерки и был принят. Уже потом
выяснилось, что деканат решил не отсеивать абитуриентов по
результату первого экзамена, так как таких же ребят было
много. Затем были четыре года учебы, которые сейчас Виктор
Георгиевич называет самым счастливым временем своей жизни.
Студентам читали лекции такие преподаватели, как Петр
Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау. Летнюю практику
Виктор Веселаго проходил на радиоастрономической станции в
Крыму, где познакомился с ее руководителем, сотрудником
ФИАНа профессором Семеном Эммануиловичем Хайкиным.
Оказалось, что именно он написал ту самую книгу «Что такое
радио?».
В 1951 году физико-технический факультет МГУ был
закрыт — он переформировался в Московский физико-
91
технический институт, а студентов бывшего ФТФ распределили
по другим факультетам. Виктор Георгиевич оказался на
физическом факультете МГУ и, формально, окончил именно
его, но считает себя выпускником Физтеха. Дипломную работу
Веселаго защищал у Александра Михайловича Прохорова в
Физическом институте им. П.Н.Лебедева, где потом и
продолжил работать под его руководством. Сначала — в
ФИАНе, а с 1982 года и по сей день — в отпочковавшемся от
него Институте общей физики (ИОФАНе, который сейчас носит
имя А.М.Прохорова).
8.4 Среды с отрицательным показателем преломления
В 1960-е годы Виктор Георгиевич стал исследовать
материалы,
которые
одновременно
являются
и
полупроводниками, и ферромагнетиками. Это натолкнуло его на
мысль о том, что возможно существование сред с так
называемым отрицательным показателем преломления, о
которых упоминал еще Мандельштам. В 1967 году в журнале
«Успехи физических наук» молодой ученый Веселаго
опубликовал статью под названием «Электродинамика веществ
с одновременно отрицательными значениями ε и μ», где
впервые был введен термин «вещества с отрицательным
показателем преломления n» и описывались их возможные
свойства.
В то время, в середине 60-х, Виктор Георгиевич активно
разрабатывал оптику сред, теоретически им описанных и
обладающих свойствами, парадоксальными с обыденной точки
зрения. Последовательно проведенное электродинамическое
описание привело, однако, Виктора Георгиевича к пересмотру
традиционной трактовки одного из важных положений
электродинамики о связи энергии поля с его импульсом. По
этому поводу Веселаго написал статью. На стадии направления
статьи в печать ее внимательно прочел директор ФИАНа
Скобельцын и посчитал тему ненаучной. В результате давления
руководства Веселаго пришлось из чувства научной
солидарности и патриотизма оставить интересующее его
92
направление. Он сменил тему исследования. Причем
в
дополнение к этому он по собственной инициативе отозвал
большую статью В. Г. Веселаго, уже написанную и по
пропущенную в печать.
К счастью, большая основополагающая статья В. Г.
Веселаго, содержащая главные положения его подхода к
проблеме и множество важных выводов, была опубликована в
авторитетнейшем журнале «Успехи Физических Наук» еще до
того, как дирекция ФИАН обратила свое внимание на автора и
потребовала прекратить исследования по теме материалов с
отрицательным показателем преломления. Примерно лет через
40 две группы американских ученых сообщили о реализации
ими сред, существование которых предположил Веселаго из
ФИАНа, и не только предположил, но теоретически изучил их
свойства еще в 60-е годы прошлого века. Эти американцы были
потрясены тем, что Виктор Георгиевич жив, здоров и попрежнему активен. После этого он стал желанным гостем на
всех их конференциях, регулярно собираемых по поводу
изучения таких сред.
После своей фундаментальной статьи статьи Веселаго,
верный принципу менять тематику каждые 5–6 лет, увлекся
новыми
направлениями:
магнитными
жидкостями,
фотомагнетизмом, сверхпроводимостью.
В целом, по его воспоминаниям, за время работы в
ФИАНе–ИОФАНе он прошел интересный и плодотворный путь
советского ученого — от студента-дипломника до доктора наук,
заведующего отделом сильных магнитных полей, который к
концу 1980-х годов включал около 70 человек, работавших по
5–7 разным направлениям. По сути, отдел был маленьким
институтом в институте, который за это время выпустил более
30 кандидатов наук.
В настоящее время Виктор Георгиевич руководит
лабораторией магнитных материалов отдела сильных
магнитных полей ИОФАН им. А. М. Прохорова. В 2004 году
ему была присуждена премия имени академика В.А.Фока за
работы по теме «Основы электродинамики сред с
отрицательным коэффициентом преломления».
93
Сейчас уже экспериментально подтверждена правота
выводов Веселаго, полученных в 60-е годы прошлого века. В
2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского
университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с
отрицательным показателем преломления для СВЧ диапазона.
Поведение света в нем оказалось таким, каким и предсказывал
его Веселаго. Однако свойства новых материалов оказались
настолько странными, что теоретикам пришлось переписать
книги
по
электромагнитным
свойствам
веществ.
Экспериментаторы уже на протяжении более чем 10 лет
успешно занимаются разработкой технологий, в которых
используются удивительные свойства метаматериалов, и
создают суперлинзы, преодолевающие разрешающий предел
оптики и позволяющие получать изображения с деталями
меньше длины волны используемого света. Одними из первых
современных исслдователей нового направления являются сэр
Джон Пендри (John B. Pendry) и Дэвид Смит (David R. Smith) —
члены группы исследователей, получившей в 2005 г. за вклад в
изучение метаматериалов приз им. Декарта. Они вместе
принимали участие в разработке новых материалов еще с 2000
г., причем Пендри сосредоточился на теории сред с
отрицательным
показателем
преломления,
а
Смит
специализируется на экспериментальных исследованиях.
Пендри — профессор физики в Имперском колледже в Лондоне,
и в последнее время его главным интересом были
электромагнитные явления, а также квантовое трение, перенос
тепла между наноструктурами и квантование теплопроводности.
Смит — профессор электротехники и компьютерной техники в
Университете Дьюка. В настоящее время экспериментально
продемонстрированы метаматериалы на основе стеклянной
матрицы с включениями из благородных металлов для
оптического диапазона. И среди исследователей таких
метаматериалов можно назвать фамилии А. Шалаева, Ю.
Кившаря, А. Белова, С. Третьякова.
94
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое метаматериалы?
2. Когда были созданы первые искусственные среды для
манипулирования электромагнитными волнами? Для
какого диапазона?
3. Какой вклад внес Д. Боше в развитие науки о
распространении электромагнитных волн?
4. Опишите вклад С. Щелкунова в развитие современных
метаматериалов.
5. Что такое среды с отрицательным показателем
преломления?
6. Кто впервые развил электродинамику сред с
отрицательным показателем преломления?
7. Назовите сферы научной деятельности В.Г. Веселаго.
8. Какие награды получи В.Г. Веселаго?
9. Когда
были
впервые
экспериментально
продемонстрированы
среды
с
отрицательным
показателем преломления? Кем?
10. Что такое супер-линза?
11. Кто внес большой теоретический вклад в
исследование сред с отрицательным показателем
преломления?
12. Назовите фамилии исследователей метаматериалов.
13. Назовите
перспективы
использования
метаматериалов.
95
Заключение
Современная наука развивается бурными темпами.
Научно-технический прогресс все ускоряет свое развитие. Наука
вплетается во все сферы жизни человеческого общества. Нель
назвать практически ни одной сферы, где не были бы
использованы достижения современной науки. Это накладывает
отпечаток на требования, которые предъявляются к
профессиональной деятельности современного ученого и
инженера. Повышенная наукоемкость всех современных
приборов и технологий требует от инженерных работников
владения на хорошем уровне знаниями, которыми располагает
современная наука, знания методологических подходов,
применяемых для решения тех или иных инженерных задач,
умения отличать научные знания от ненаучных на основе четко
сформулированных методологических критериев, умения
предвидеть влияние результатов своих исследований и
разработок на жизнь человеческого общества. Поэтому для
современного инженера, работающего в сфере оптоволоконной
связи, лазерного производства, светодиодного освещения,
хранения, передачи информации при помощи света, создания и
эксплуатации компьютеров, создания биологических сенсоров
и требуются знания по курсу "История и методология фотоники
и оптоинформатики".
96
Глоссарий
Верифицируемость (от лат. verificare – доказать истину) понятие
методологии
науки,
характеризующее
возможность
установления
истинности
научных
утверждений в результате их эмпирической проверки.
Знание - форма существования и систематизации результатов
познавательной деятельности человека.
Лазер - оптический квантовый генератор - это устройство,
преобразующее различные виды энергии (электрическую,
световую, химическую и др.) в энергию когерентного
электромагнитного излучения оптического диапазона.
Логика и методология науки - это дисциплина, которая
изучает, что такое наука, в чем состоит специфика
научного познания и методов науки, какова структура и
функции научного знания, в каком направлении
развивается наука.
Методология — учение о методах, способах и стратегиях
исследования предмета
Методология (в прикладном смысле) - это система
принципов и подходов, на которые опирается
исследователь в ходе получения и разработки знаний в
рамках конкретной дисциплины – физики, химии,
фотоники и др.
Методология науки - в традиционном понимании, - это учение
о методах и процедурах научной деятельности
Моделирование - процесс создания или выбора модели, ее
изучения и применения полученных данных для познания
основного объекта.
Накачка - процесс создания инверсной населенности путем
сообщения энергии усиливающей среде.
97
Наука – это сфера человеческой деятельности, направленная на
получение новых знаний о природе, обществе и
мышлении.
Научно-техническая революция - это одна из стадий или
форм научно-технического прогресса. это коренное
преобразование
производительных
сил
на
базе
превращения
науки
в
непосредственную
производительную силу, изменение места и роли человека
в производстве.
Резонатор Фабри-Перо - представляет собой два плоских
зеркала, расположенных параллельно друг другу, между
которыми находится усиливающая среда. Резонатор
осуществляет квантование частот.
Фальсифицируемость
(принципиальная
опровержимость
утверждения, критерий Поппера)
- существование
методологической возможности опровержения научного
утверждения
путѐм
постановки
того
или
иного эксперимента, даже если такой эксперимент ещѐ не
был поставлен.
Фотоника – "целостная область науки и техники, связанная с
использованием светового излучения (или потока
фотонов) в различных оптических элементах и
устройствах, в первую очередь в системах волоконно оптической связи, а также направленная на создание
новых
материалов,
устройств
и
технологий,
обеспечивающих передачу, прием, обработку, запись,
хранение и отображение информации на основе
материальных носителей – фотонов" [13].
98
Литература
1. Большая советская энциклопедия. в 30 т. [Текст] / гл. ред. А.
М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия,
1969—1978.
2.
Герасимова, И.А. Философия и методология науки.
Философские проблемы науки и техники [Текст]: учеб. пособие
для магистрантов / И.А. Герасимова. – М., 2014. –73 с.
3. История развития оптической связи [Электронный ресурс] /
Факультет дистанционного обучения (ФДО ТУСУР). –
Электрон.
дан.
–
Режим
доступа:
http://extusur.net/content/3_optika/1_4.html , свободный. – Загл. с
экрана.
4. Левин А. Забытые отцы лазера [Электронный ресурс] / А.
Левин. –Электрон. текстовые дан. – М., 2006. – Режим доступа:
http://www.computerra.ru/terralab/platform/271082/?print=Y
,
свободный. – Загл. с экрана.
5. Канке, В. Основы философии [Текст] / В. Канке. -М.: Логос,
2008. - 288 с.
6. Найдыш, В.М. Концепции современного естествознания
[Текст] / В.М. Найдыш. - М.: Альфа-М, 2004. -622 с.
7. Пономарев, А.Б. Методология научных исследований: учеб.
пособие [Текст] / А.Б. Пономарев, Э.А. Пикулева. – Пермь: Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 186 с.
8. Поносов, Ф.Н. Современные философские проблемы техники
и технических наук : учебное пособие [Текст] / Ф.Н. Поносов. –
Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2013. – 262 с.
9. Стѐпин, В.С. Философия науки и техники [Текст] / В.С.
Стѐпин, В.Г. Горохов, М.А. Розов. — М.: Гардарики, 1996. - 426
с.
10. Стѐпин, В.С. История и философия науки [Текст] / В.С.
Стѐпин. -М., 2011. - 423 с.
11. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных
органических соединений [Текст] / А. Н. Теренин. -Л.: Наука,
1967. - 616 с.
12. Тоффлер, Э. Третья волна [Текст]: монография / Э.
Тоффлер. — Москва: АСТ, 2004. — 781 с.
99
13.
Фотоника [Электронный ресурс] / Википедия :
свободная энцикл. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2017. – Режим
доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоника, свободный. –
Загл. с экрана.
14. Hecht, J. City of Light. The Story of Fiber Optics [Текст] /
J. Hecht. – Oxford: Oxford University Press, 2004. - 358 p.
100
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
1 055 Кб
Теги
metodologia, golovkina, istoriya, optoinformatiki, fotoniki
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа