Глава 1. Исследования «с тачкой в руках»


Можно сказать, что предыстория лазеров началась с Альберта Эйнштейна. Сто один год назад, в 1916 году, он предсказал явление индуцированного (вынужденного) излучения. В силу ряда причин явление индуцированного излучения удалось «приручить» лишь несколько десятилетий спустя: в 1954 году в СССР (Н.Г. Басов и А.М. Прохоров) и США (Ч. Таунс) индуцированное излучение было получено в диапазоне СВЧ от молекул аммиака. Созданное устройство получило название «мазер», или молекулярный генератор. Через шесть лет, в 1960 году, Т. Мейман (США) смог получить вынужденное излучение оптического диапазона – был создан оптический квантовый генератор (лазер).
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 1
Митрофан Федорович Стельмах
Создание мазеров и лазеров открыло новую эру науки и техники – эру квантовой электроники. В 1961 году, буквально спустя несколько месяцев после изобретения лазера, талантливый советский ученый и военный инженер Митрофан Федорович Стельмах и председатель Государственного комитета по электронной технике (ГКЭТ) Александр Иванович Шокин внесли в ЦК КПСС и Совет Министров СССР предложение о создании специализированного института квантовой электроники. Тогда это был очень смелый, рискованный, но, как оказалось в дальнейшем, правильный шаг.

Широта современных возможностей лазеров впечатляет. Трудно представить область деятельности человека, в которой не использовались бы лазеры – это и наука, и техника, и медицина, и сельское хозяйство. Везде – от изучения структуры белков до термоядерного синтеза, от дальномеров до коррекции зрения, от оптической связи до космических полетов – находят применения оптические квантовые генераторы.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 2
Александр Иванович Шокин
Так, например, при производстве сотового телефона используется более десяти различных лазерных технологий. Разнообразие задач, решаемых с применением лазерных технологий, объясняется разнообразием видов лазеров. Малогабаритные полупроводниковые лазеры легли в основу волоконно-оптических линий связи с недостижимой ранее скоростью передачи информации, оказались эффективными для оптической записи информации и накачки твердотельных лазеров. Твердотельные лазеры, в свою очередь, оказались подходящими для оптической локации, измерения расстояний, нашли применение в нелинейной оптике. Газовые и твердотельные лазеры «нашли себя» в лазерной гироскопии. Кроме того, газовые и твердотельные лазеры способны создавать настолько мощные световые поля, что в точке фокуса плавятся и испаряются любые вещества. В результате появилось целое новое направление в технологии – лазерная технология (резка, сварка, сверление отверстий и т. д.). Лазеры стали широко использоваться в современной медицинской практике: они применяются в хирургии, терапии, офтальмологии, гинекологии и множестве других медицинских направлений.

Появление лазеров существенно изменило и современные системы вооружения. Многие типы лазеров успешно работают в военных системах навигации, целеуказания, разведки, наблюдения, контроля. Настойчиво проводятся работы по созданию «боевых» лазеров, способных поражать цели лазерным лучом на расстоянии. Кроме того, различные виды лазеров незаменимы в научных исследованиях, в создании голограмм, систем автоматического управления и т. д.

Возможности современных лазеров впечатляют, но в начале 60-х годов перспективы использования лазеров не были столь очевидны. И лишь благодаря дальновидности и решительности М.Ф. Стельмаха и А.И. Шокина в нашей стране был создан институт, позволивший СССР, а сейчас и России, быть на ведущих позициях по многим направлениям квантовой электроники. В результате проявленной инициативы постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 285–137 от 24 марта 1962 года в системе ГКЭТ был создан НИИ-333 – Институт квантовой электроники. По действующим тогда правилам институт был секретным. Ни его номер, ни тем более специализация никогда в разговорах и открытых публикациях не упоминались. Использовался только номер почтового ящика – п/я 2008.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 3
Мемориальная доска М.Ф. Стельмаху
В состав института были переведены из ЦНИИ-108 – ведущего радиолокационного института страны – полковник М.Ф. Стельмах, назначенный директором нового института, и еще 7 военнослужащих: М.А. Брук, В.Г. Зубов, Н.И. Екамасов, В.П. Игонин, А.В. Иевский, Л.П. Лисовский и Е.Г. Соловьев. Они стали первыми сотрудниками нового НИИ. При НИИ-333 этим же постановлением было создано специальное конструкторское бюро (СКБ) монокристаллов для квантовой электроники на базе одного из отделов СКБ-311, размещавшегося на территории нынешнего НИИ «Сапфир», и лаборатории пьезоэлектрических кристаллов, входившей в состав НИИ пьезотехники (ныне НПО «Фонон»). Директором СКБ был назначен сотрудник НИИ пьезотехники Г.М. Сафронов.

Первые годы были одними из самых сложных и насыщенных в истории НИИ. Институт был создан лишь фактически: не было своего здания, персонала, оборудования. Все пришлось делать с нуля: набирать специалистов, одновременно с научными изысканиями строить здания, разрабатывать установки для экспериментов и производств. Первоначально дирекция и формирующийся коллектив вновь созданного института размещались на арендованных площадях в новом институте СВЧ-электроники (ныне НПП «Торий») на юго-западе столицы, в районе деревни Зюзино. Впоследствии в этом же районе были выстроены собственные производственные и научные корпуса НИИ.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 4
Команда М.Ф. Стельмаха во внутреннем дворике института
ВОТ ЧТО ПИШЕТ ОБ ЭТОМ ВРЕМЕНИ В СВОИХ МЕМУАРАХ В.П. КЛЮЕВ
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 5
«Меня, автора этих строк, принимал на работу лично директор СКБ Г.М. Сафронов в июне 1963 г. Я был направлен в только что созданную группу З.И. Татарова, которой предстояло заниматься выращиванием диэлектрических монокристаллов для твердотельных ОКГ методом Чохральского. Территориально эта малочисленная группа располагалась тогда в мраморном зале НИИ «Титан».

Как известно, в то время в стране отсутствовало специальное оборудование для выращивания высокотемпературных монокристаллов кислородсодержащих диэлектриков (сегнетоэлектриков) методом Чохральского. Для проведения опытов мы располагали только двумя установками: «Редмет-1» (разработка института «Гиредмет») с графитовым прямонакальным нагревателем, на которой были выращены первые кристаллы флюорита с самарием, и установка ВЦП (лабораторного типа) разработки Института кристаллографии АН СССР, в которой в качестве источника нагрева использовались промышленные высокочастотные генераторы закалочного типа ИО-60012 и ЛПЗ-67. Эти генераторы предназначены для процессов кратковременного действия и не обладали необходимой для выращивания монокристаллов стабильностью и интервалом регулирования мощности.

Помню, как нам с Н.И. Сергеевой после многочисленных опытов по выращиванию кристаллов алюмоитриевого граната (АИГ) из вольфрамовых и молибденовых тиглей удалось получить довольно-таки прозрачный кристалл из иридиевого тигля. Где удалось достать этот тигель размером всего 5050 мм нашему вездесущему снабженцу – руководителю З.И. Татарову, мне до сих пор неизвестно.

Но тогда же мы поняли, что в основе технологии выращивания монокристаллов АИГ лежит иридий

Но путь на получение фонда на применение этого редкого металла лежал через Госплан. В Госплане, куда я пришел просить иридий, я получил некий ”ликбез” полезный как геохимику. Сотрудник Госплана Кравченко сказала тогда, что в стране в год производится порядка 500 кг иридия, а потребность в нем ежегодно растет хотя бы для технологии покрытия сопел ракет, чем умерила мой аппетит. Получение фонда иридия всего в несколько килограммов было по тем временам победой.

А с приходом в 1965 г. из ИРЕА С.А. Федулова я полностью переключился на выращивание высокотемпературных сегнетоэлектриков – материалов для управления пучком ОКГ и, в частности, на ниобат лития и танталат лития».

Первые сотрудники НИИ совмещали исследования в арендованных помещениях с участием в строительстве, выходили на субботники во главе с директором НИИ с тачкой в руках. Уже через год появились первые установки, через 3 года были введены первые площади, а через 8 лет построен весь комплекс НИИ.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 6
Между научными исследованиями
Несмотря на то, что освоение собственных площадей началось только с 1965 года, когда первые подразделения института въехали в еще недостроенные корпуса, научная деятельность активно велась с момента создания института.

Выращивание кристаллов, служащих активной средой для лазеров, изначально являлось и является сегодня одним из основных направлений деятельности института. Базой здесь послужил накопленный в СКБ-311 научный задел в области выращивания специальных монокристаллов рубина (окиси алюминия с примесью хрома) и рутила (двуокиси титана) для квантовых парамагнитных усилителей.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 7
С тачкой в руках
Работы по этим направлениям начались в коллективе еще до формального создания НИИ-333 в подразделениях, которые позже вошли в состав института. Так, в отделе 13 СКБ-311 на Щербаковке уже в 1958 году методом Вернейля выращивались монокристаллы рубина. Эти работы были начаты по инициативе академика, будущего Нобелевского лауреата А.М. Прохорова. Руководил работой по кристаллам начальник отдела А.С. Бебчук. Усилиями этого коллектива в контакте с Институтом кристаллографии впервые в СССР была решена проблема выращивания и термообработки крупных (длиной до 250 мм) кристаллов рубина. В 1961 году здесь были выращены первые кристаллы рубина для отечественных рубиновых лазеров.

Интересно отметить, что будущий заместитель директора «Полюса» по науке Георгий Митрофанович Зверев с 1957 года в качестве студента-дипломника под руководством А.М. Прохорова занимался разработкой парамагнитных усилителей на кристаллах рубина. В 1960 году в США на этом кристалле был создан первый лазер. Еще через два года инженером СКБ-311 Н.А. Анисимовым был запущен первый в электронной промышленности лазер на кристалле рубина собственного производства – паритет с США в квантовой электронике был восстановлен. Осенью 1962 года действие рубинового лазера было продемонстрировано Министру электронной промышленности А.И. Шокину, а в ноябре рубиновый лазер заработал на площадке НИИ-333 в отделе Л.П. Лисовского.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 8
Институтом была решена задача выращивания высококачественных лазерных монокристаллов методом Чохральского. Первые кристаллы молибдата кальция этим методом вырастила в 1962 году инженер Н.И. Сергеева на территории физфака МГУ. В дальнейшем к этим работам подключились З.И. Татаров и В.И. Клюев. В итоге, в 1964 году В.П. Клюевым и Н.И. Сергеевой организовано выращивание монокристаллов методом Чохральского уже в НИИ.

В это же время были приобретены английские установки для выращивания монокристаллов фирмы «Родайн», которые первое время работали в «мраморном зале» НИИ «Титан», а в 1965 году были перевезены в новое здание института.

Отметим, что в 1964 году СКБ как отдельную организацию было решено ликвидировать и его сотрудники были переведены в институт.

После переезда в собственные здания коллектив института продолжил добиваться выдающихся результатов в области выращивания кристаллов и их применения. В 1965 году Е.Г. Соловьевым и Ю.В. Абазадзе был разработан не имеющий аналогов квантовый парамагнитный усилитель на кристаллах рутила. Для создания магнитного поля был разработан магнит со сверхпроводящими обмотками, который обеспечивал магнитное поле напряженностью в несколько килоэрстед. При температуре 4.2 °К было получено чистое усиление (по уровню -3 дБ) в полосе частот в дециметровом диапазоне, составлявшее 11–16.4 дБ. Мгновенная полоса усиления (по уровню -3 дБ) изменялась от 21.5 до 10.1 МГц.

Если усилитель на кристаллах рубина был разработан для комплекса ПВО, то усилитель на кристаллах рутила – для спутниковой ретрансляции телевизионного сигнала. Работая при сверхнизких температурах, эти усилители обладали рекордно низкими собственными шумами и, соответственно, самой высокой пороговой чувствительностью, равной 10–23 Вт. Эти устройства использовались в системах в качестве предусилителей сигнала.

В 1966 году Н.И. Сергеевой были выращены первые в СССР кристаллы алюмоитриевого граната с неодимом, а Л.В. Касьяновым и Г.М. Ромадиным из них были изготовлены активные элементы для лазеров. В 1968 году В.П. Клюевым и Н.Б. Ангертом были разработаны качественные кристаллы ниобата лития для электрооптических затворов и нелинейной оптики. В следующем году под руководством В.М. Гармаша была разработана технология серийного производства кристаллов и активных элементов из алюмоитриевого граната с неодимом и начато производство кристаллов и элементов на опытном заводе.

В 1969 году в результате выполнения НИР «Кантата-1» (руководитель В.М. Гармаш) были созданы низкопороговые элементы алюмоитриевого граната (порог генерации 0.33 Дж). Их первое промышленное производство было освоено в том же году опытным заводом при НИИ «Полюс» (начальник цеха Б.А. Баранов), и с этого момента началась широкомасштабная разработка и организация промышленного выпуска элементов АИГ необходимых размеров с заданными параметрами. В результате были созданы элементы, не уступающие по уровню лучшим зарубежным образцам. Цилиндрические активные элементы имели диаметр от 2 до 12 мм, а длину – от 30 до 150 мм. Особую роль в разработке качественных кристаллов и элементов из них сыграла близость разработчиков кристаллов и элементов и создателей лазеров и приборов: в течение многих лет они работали вместе в едином коллективе во главе с Г.М. Зверевым.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 9
Георгий Митрофанович Зверев
Учитывая особенности технологии, приходилось выращивать монокристаллические були диаметром до 30 мм и длиной до 300 мм. Так как качественные кристаллы выращиваются при низких скоростях роста (~0,6 мм/час), выращивание таких кристаллов является длительным многосуточным процессом и требует принципиально нового ростового оборудования.

В тот же период велись работы по созданию нелинейных и электрооптических материалов для преобразования частоты излучения и модуляции добротности резонатора. В 1968 году была закончена НИР «Литий» (руководитель В.П. Клюев, ответственный исполнитель Н.Б. Ангерт) по выращиванию кристаллов ниобата лития, результаты которой были внедрены на опытном производстве института и на Кировоканском химическом комбинате. Успехи в создании кристаллов ниобата лития высокого оптического качества позволили перейти к изготовлению законченных изделий – электрооптических затворов и модуляторов (ОКР «Каркас», руководитель В.М. Гармаш; ОКР «Каркас-1», ОКР «Кварц», ОКР «Вюрцит», руководитель В.А. Пашков, ответственный исполнитель А.М. Онищенко). Разработанные электрооптические затворы из ниобата лития обладают широким диапазоном рабочих температур и широко используются во всех дальномерах и целеуказателях, в излучателях светолокаторов. Разработки затворов являются оригинальными, не имеют аналогов за рубежом и в течение многих лет продаются за границу.

Одновременно с ниобатом лития разрабатывалась технология производства кристаллов танталата лития (Н.Б. Ангерт), проводился поиск новых, более эффективных нелинейных кристаллов, получаемых из расплава (кристаллы «Банана», «Бастрона» и др.).

В первые же годы в институте зарождается направление разработки и применения полупроводниковых лазеров – направление, во многом определившее судьбу института и являющееся одним из базовых сегодня. Еще до изобретения полупроводникового лазера Василий Иванович Швейкин получил патент на этот тип лазера (авторское свидетельство «Полупроводниковый лазер» с приоритетом от 25 ноября 1961 года). Для реализации своих идей В.И. Швейкин перешел из МГУ в НИИ, где его поддержал директор института М.Ф. Стельмах. Отметим, что отдел полупроводниковых лазеров был открыт, несмотря на то, что информации об экспериментальной реализации полупроводниковых лазеров еще не было. Принятию этого решения предшествовало тщательное обсуждение вопроса сначала на ученом совете НИИ 311, самого авторитетного тогда института по полупроводниковым приборам, а затем на одном из первых заседаний НТС НИИ «Полюс».

Первыми сотрудниками, активно включившимися в дело создания полупроводниковых лазеров, были перешедшие из ФИАНа Г.П. Прошко, В.И. Магаляс, А.В. Вильмон и из МГУ – Г.Т. Пак. Работа закипела, когда в конце 1962 года стало известно о первом осуществлении в лаборатории Холла в США генерации лазерного излучения в диоде из арсенида галлия с диффузионным p-n-переходом, охлажденном до температуры жидкого азота. Сейчас это трудно представить, но тогда было сделано невозможное – первый полупроводниковый лазер начал функционировать в НИИ уже в марте 1963 года.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 10
Академики А.М. Прохоров и А.П. Александров с М.Ф. Стельмахом
В этот же период начал работу коллектив исследователей и разработчиков, получивший впоследствии наименование отдел № 6 (позднее – № 620), который возник одновременно с образованием НИИ «Полюс» в 1962 году и состоял из двух сотрудников – Л.А. Ривлина и В.И. Бородулина. Главным направлением исследований этого коллектива на начальном этапе стало исследование быстрой динамики излучения квантовых генераторов, которая определяла особенности их применения для решения множества прикладных задач. В основу исследований была положена выдвинутая и детально теоретически разработанная Л.А. Ривлиным концепция двухкомпонентной оптической среды с отрицательным поглощением. Оригинальные эксперименты В.В. Цветкова и В.И. Бородулина на твердотельных лазерах (рубин и неодимовое стекло) полностью подтвердили положения теории: наблюдалось пороговое усиление света и генерация стационарных коротких импульсов, генерация «гигантских» импульсов в лазере с фототропным поглотителем без принудительной модуляции добротности и др.

В практическом плане быстрые и сверхбыстрые переходные процессы в лазерах играют, как известно, особенно важную роль при решении задач высокопродуктивной передачи и обработки информации. Это обстоятельство привлекло исследовательские интересы коллектива к инжекционным полупроводниковым лазерам, применительно к которым концепция двухкомпонентной усиливающей среды реализовалась в секционировании кристаллов, причем из развитой теории следовало, что роли усиливающей или резонансно поглощающей среды успешно играют секции с различными уровнями тока инжекции. Для экспериментального подтверждения этих предсказаний теории потребовалась разработка лабораторного полупроводникового производства с элементами интегральной технологии. Разработанная технология позволила строить сложные многокомпонентные оптические лазерные схемы. Так в отделе возникла технологическая лаборатория (И.С. Голдобин, А.С. Добкин, О.В. Иванова, Г.А. Лапицкая, О.Н. Прозоров, Т.Н. Пушкина, Ю.А. Тамбиев и др.).

В большой серии экспериментов было обнаружено множество новых явлений: генерирование ультракоротких импульсов, радиочастотное отрицательное сопротивление полупроводникового лазера, оптическая бистабильность, оптическое переключение каналов лазерного генерирования. Это позволило изготовить и исследовать прототипные макеты оптических логических элементов с субнаносекундным быстродействием (Е.Е. Григорьева, В.Д. Курносов, В.Н. Лукьянов, В.И. Магаляс, А.А. Плешков, С.М. Сапожников, А.Т. Семенов, А.Ф. Солодков, В.Г. Трухан, В.В. Цветков, В.С. Шильдяев, С.Д. Якубович). Эти результаты, систематически публиковавшиеся в ведущих журналах («Письма ЖЭТФ», «Физика полупроводников» и др.) и позднее представленные в двух монографиях, одна из которых была издана в США, получили всеобщее отечественное и зарубежное признание как детально и полно осветившие на том этапе развития квантовой электроники проблематику динамики инжекционных лазеров.

Проведение этого экспериментального цикла потребовало разработки собственной уникальной сверхбыстродействующей регистрирующей аппаратуры с пикосекундным временным разрешением. Для этого в составе отдела была организована целевая группа (А.А. Плешков, В.В. Цветков, А.Б. Уиц, В.Г. Трухан, В.А. Прядеин, В.А. Ступников).

Наряду с изучением быстрой динамики в те же годы были разработаны и исследованы лабораторные макеты многолучевых инжекционных лазеров с когерентным сложением мощности излучения (О.Н. Прозоров, Н.В. Шелков, С.Д. Якубович), первые образцы отечественных полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью (М.В. Зверков, В.Н. Лукьянов, В.П. Коняев, Н.В. Шелков, С.Д. Якубович), полупроводниковые усилители света, в частности суперлюминесцентные диоды (В.Н. Лукьянов, А.Т. Семенов, В.А. Ступников, С.Д. Якубович), получившие намного позже большое распространение в качестве источников излучения для волоконно-оптических линий связи, включая гироскопы, оптической когерентной томографии, метрологии волоконно-оптических систем передачи информации.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 11
Проведенные в 1966–1971 годах исследования гетеропереходов на соединениях А3 В5 позволили создать непрерывные высокоэффективные низкопороговые полупроводниковые лазеры, не требующие охлаждения. Активное участие в этих исследованиях приняли Г.Т. Пак, В.И. Бородулин, И.В. Воскобойникова, А.И. Петров. В 1972 году за цикл работ «Фундаментальные исследования гетеролазеров и создание новых приборов на их основе» коллективу ученых Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, а также В.И. Швейкину была присуждена Ленинская премия (руководитель работы – Ж.И. Алферов).

Важность исследований гетеропереходов и создания эффективных малогабаритных диодных лазеров, обеспечивших ряд крупнейших научно-технических достижений последней четверти ХХ века, подчеркивается фактом присуждения в 2001 году академику Ж.И. Алфёрову Нобелевской премии.

Также стоит отметить, что за первые годы существования института были созданы первый промышленный лазерный диод ЛД-1 и полупроводниковый квантовый генератор «Комета». Уже в 1967 году был открыт цех по производству полупроводниковых лазеров.

Помимо создания активных сред и лазеров в Институте изначально большое внимание уделялось разработке лазерного оборудования и приборов.

Инициаторами работ по лазерной технологии явились М.Ф. Стельмах и А.В. Иевский. В октябре 1963 года группе сотрудников отдела Л.П. Лисовского (Ю.И. Кружилину, В.К. Тарасову и А.А. Чельному) было поручено провести эксперименты по обработке лазером различных материалов. Было показано, что в ряде технологических процессов применение лазеров может дать большой экономический эффект. На второй год деятельности института под руководством А.А. Чельного была создана первая технологическая установка с рубиновым лазером К-1, а уже в следующем году выпущена серийная лазерная установка К-3, модернизированная версия (К-3М) которой была успешно продемонстрирована на международной выставке в Турине (Италия) в 1966 году. В 1965 году было принято решение о создании лаборатории лазерного технологического оборудования. В ней была подтверждена перспективность использования лазеров для сварки, подгонки резисторов, проекционной и размерной обработки. В конце 60-х годов появились и первые образцы серийного лазерного оборудования – установки К-3М (главный конструктор А.А. Чельный), Квант-3 (главный конструктор А.И. Тимофеев), общий выпуск которого составил 105 единиц. Выпуск этих установок позволил привлечь внимание к лазеру широкого круга технологов различных отраслей промышленности.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 12
А.И. Иевский и М.Ф. Стельмах
В 1965 году М.Ф. Стельмахом и Б.Н. Малышевым была создана первая отечественная лазерная онкологическая медицинская установка для поверхностной коагуляции опухолей «Импульс-1». В 1968 году А.В. Иевским созданы первые образцы лазерного тренажера «Канал» для обучения артиллеристов.

Особое значение для института приобрели разработка и производство лазерных гироскопов.

Гироскопы как приборы навигации и стабилизации движения огромного числа транспортных средств, от небольших игрушек-роботов до стратегических надводных кораблей, подводных лодок, самолетов, ракет, космических аппаратов, развиваются и производятся уже более 200 лет, и спрос на них неуклонно растет, сопровождаясь требованиями повышения точностных и эксплуатационных характеристик.

Предыдущие поколения гироскопов были чисто механическими приборами, основой которых являлся быстро вращающийся ротор: волчок на оси или подвешенная в электромагнитном поле металлическая сфера. Эти приборы сыграли неоценимую роль как в формировании научных основ гироскопии, так и в развитии прецизионных технологий, используемых при их производстве, и в конечном счете эти гироскопы обеспечили становление и бурный прогресс современных транспортных средств, без которых сама жизнь человеческого сообщества уже невозможна.

Вместе с тем, сам научно-технический и социальный прогресс современного общества вызвал необходимость создания принципиально новых видов гироскопов и систем навигации и стабилизации на их основе. Можно выделить две основные причины этого. Первая причина – техническая, обусловленная постоянным ростом требований со стороны потребителей к гироскопам, от которых требуются все более высокая точность, меньшие габариты и масса, низкая цена, малое время готовности, большой диапазон измеряемых угловых скоростей и ускорений, работа в широком диапазоне ударных, вибрационных и климатических внешних воздействий и др. Даже самые совершенные механические гироскопы уже не в состоянии удовлетворять всей совокупности этих высоких требований в силу своего принципа действия, ибо быстро вращающаяся механическая масса обладает большой инертностью. Вторая причина – социальная, связанная с потерей престижа уникального ручного труда, который является ключевым при создании механических гироскопов.

Как и положено, остро назревшая потребность стимулировала поиск и открытие новых принципов создания гироскопов, в которых исключается инертная вращающаяся масса и используется принципиально иной физический эффект с соответствующим ему чувствительным элементом (преобразователем, датчиком).

Во второй половине XX века усилиями ученых и разработчиков были предложены и реализованы три новых принципа и созданы основанные на них датчики гироскопов.

Первые два принципа и устройства базируются на использовании вместо инертной вращающейся массы невесомого светового луча, условно вращающегося по кругу – либо в кольцевом лазерном резонаторе, либо в катушке оптического волокна. Направив по кругу два встречных луча, можно создать гироскопический датчик, чувствительный к вращению резонатора или катушки, т. к. фазовый сдвиг между встречными лучами будет пропорционален параметрам этого вращения. Фазовый сдвиг, преобразованный в электрический сигнал, даст информацию об угле поворота и скорости вращения.

Третий принцип использует силу Кориолиса во вращающей ся вибрирующей упругой полусфере или брусочке (упругой балочке). За счет этой силы появляется сдвиг фазы колебаний полусферы, а в брусочке возникают колебания в ортогональном направлении по отношению к возбуждающим. Здесь также можно получить электрический сигнал с информацией о параметрах вращения. На этом принципе построены новые механические гироскопы – твердотельные волновые и микромеханические.

Все три направления успешно развиваются, и приборы на основе новых принципов занимают определенные ниши в спектре гироскопических датчиков для разнообразных применений.

Среди гироскопических датчиков, основанных на новых принципах, лазерные гироскопы возникли первыми. Произошло это в «Полюсе». Начало направлению дала встреча Митрофана Федоровича Стельмаха с Борисом Васильевичем Рыбаковым в 1963 году. Тогда М.Ф. Стельмах поручил Б.В. Рыбакову исследовать возможность создания прецизионного лазерного компаса.

Б.В. Рыбаков произвел предварительные расчеты и сформулировал требования к конструкции экспериментального образца, одновременно занимаясь организацией лаборатории. Благодаря энергичным действиям Б.В. Рыбакова при поддержке М.Ф. Стельмаха лаборатория быстро наполнялась сотрудниками и оборудованием.

Первый кольцевой лазер был спроектирован В.К. Просветовым, изготовлен опытным заводом и собран руками механика С.С. Федорова. Это была ажурная конструкция из суперинваровых стержней, треугольная в плане, со стороной треугольника 130 см. Его так и назвали – Т-130. Активные элементы, две трубки с ВЧ-накачкой от доработанных медицинских генераторов УВЧ4, изготавливались Ю.В. Демиденковым у Н.И. Екамасова. Зеркала для этого лазера делала Т.А. Волкова, а подложки для них – Ю.А. Горбачев.

21 апреля 1964 года на Т-130 была получена первая в НИИ «Полюс» генерация лазерного излучения в кольцевом лазере.

После получения первых успешных результатов интерес к лазерной гироскопии колоссально возрос. В 1964 году в НИИ «Полюс» по поводу лазерных гироскопов побывали министр электронной промышленности А.И. Шокин, представители ВПК, заказчики – предприятия и военные институты (НИИ-4 МО, ЦНИИ22 МО и т. д.). Фронт работ по лазерной гироскопии стремительно расширялся с одновременным развитием лаборатории Б.В. Рыбакова и превращением ее в отдел.

К 1965 году все изобретательские способности талантливых физиков Б.В. Рыбакова, Ю.В. Демиденкова, А.В. Мельникова, А.М. Хромых были направлены на поиски радикального способа уменьшения связи встречных волн из-за рассеяния на зеркалах, вызывающей захват при малых скоростях вращения, ибо это было первое очевидное препятствие на пути к достижению нужной точности. Появившиеся публикации по исследованию эффекта Зеемана в линейных газовых лазерах привлекли их внимание к возможностям использования волн с круговой поляризацией в кольцевом лазере. Циркулярно-поляризованная волна при рассеянии назад должна менять знак вращения, т. е. не должна взаимодействовать со встречной волной, как с волной ортогональной поляризации. Однако этот радикальный, как казалось, метод уменьшения связи встречных волн порождал новую проблему – большую чувствительность кольцевого лазера к внешнему магнитному полю. Для решения этой проблемы был предложен четырехчастотный режим, когда в одном резонаторе как бы сосуществуют одновременно два: один работает на волнах с правой круговой поляризацией, другой – на волнах с левой круговой поляризацией. Эти два резонатора чувствуют вращение одинаково, а внешнее магнитное поле – с противоположными знаками, что позволяет «вычесть» влияние этого поля при обработке выходного сигнала.

Таким образом, принципиальная основа зеемановского лазерно-гироскопического направления была сформулирована уже в 1965–1966 годах.

В 1965 году было получено авторское свидетельство на изобретение «Лазерный гироскоп со сдвигом частот встречных волн, основанным на эффекте Зеемана» (а. с. № 30161 от 11.05.65 с приоритетом от 11.07.64, авторы Б.В. Рыбаков и Ю.В. Демиденков). Нужно подчеркнуть, что зеемановское направление вышло из стадии академических исследований с изобретением циркулярно-анизотропного резонатора с неплоским оптическим контуром, который позволял без внесения внутрь резонатора каких-либо оптических элементов создать круговую поляризацию излучения (1968 г., С.С. Скулаченко, А.В. Мельников, Б.В. Рыбаков, В.К. Просветов, И.И. Юдин). Заслуживают высокой оценки фундаментальные работы ведущих теоретиков направления – А.М. Хромых и И.И. Савельева, внесших определяющий вклад в понимание физических механизмов процессов, происходящих в кольцевых газовых лазерах.

Параллельно велась работа по совершенствованию конструкции кольцевого лазера и уменьшению его размеров. Главными задачами считались повышение жесткости резонатора, стабилизация длины периметра, борьба с пылью на пути луча.

Одной из первых попыток применения кольцевого лазера на практике было использование его для измерения и записи угловых колебаний почвы при землетрясениях. Для этого были специально разработаны и изготовлены лазеры модели Т-50, прошедшие успешные натурные испытания.

Был спроектирован прибор с неплоским контуром К-15 – четырехзеркальный резонатор с внутренними зеркалами со стороной периметра 15 см. Корпус его был изготовлен из целого куска суперинвара, все вакуумные уплотнения выполнены из индия. Это была первая разработка для конкретной системы управления. Сравнительно мягкие требования по точности и жесткие условия эксплуатации позволили удачно применить накопленный задел по зеемановскому кольцевому лазеру в двухчастотном режиме.

Этот шаг был одним из важных этапов на пути превращения лабораторных макетов гироскопов в бортовые приборы.

В конце 60-х годов в отделе Б.В. Рыбакова было организовано направление лазерных гироскопов на виброподвесе. Возглавил направление В.Н. Курятов, перешедший в институт из НИИ Прикладной физики в 1967 году вместе с М.В. Орловым, Е.Н. Журавлевой, Б.Н. Семеновым. С этого момента в НИИ «Полюс» развивается направление моноблочных призменных лазерных гироскопов типа КМ с плоским резонатором и механической частотной подставкой. В дальнейшем это направление выделилось в самостоятельное подразделение института.

В этом направлении оформилась основная идеология лазерных гироскопов типа КМ: четырехпризменный резонатор, ситалловый несущий блок, высокочастотный безэлектродный разряд, пневматическая регулировка периметра (обеспечивающая максимальную устойчивость к механическим воздействиям, прочность к ударам и линейным ускорениям), встроенная электроника жизнеобеспечения.

Правильно выбранная техническая политика, ставка на высокодобротный резонатор, ВЧ-накачку, моноблочную конструкцию и механическую частотную «подставку» позволили коллективу не только обрести свой индивидуальный почерк, но и создать наиболее точные в нашей стране приборы с большим сроком службы, организовать их производство, внедрить в ряд престижных навигационных систем. Именно благодаря гироскопам этой серии в 70-е годы удалось создать отечественные системы БИНС для самолетов гражданской авиации.

В 1968 году были проведены первые работы прикладного характера, проверена возможность и перспективность использования лазерного гироскопа серии КМ для пространственной стабилизации. В 1969 году В.Н. Курятовым были разработаны первые промышленные лазерные гироскопы КМ-20 и КМ-43. Лазерными гироскопами была достигнута рекордной по тем временам точности измерения абсолютной угловой скорости вращения Земли – 8·10–4 угл. град./ч.

Следует отметить, что создание любого прибора или системы, в которых оптическое излучение является носителем какой-либо информации, требует наличия не только источников излучения, но и специальных устройств, способных это излучение воспринимать и извлекать из него необходимую информацию.

В связи с этим уже в 1962 году при формировании структуры создаваемого научно-исследовательского института и программы первоочередных научно-технических работ было принято решение о комплексной разработке всех основных элементов лазерных информационных систем – генераторов, модуляторов и приемников излучения, а также электронных узлов обработки информации.

Создание в сугубо «лазерном» НИИ непрофильного направления приемников лазерного излучения под руководством А.В. Иевского в условиях жесткой специализации, межведомственной неразберихи и тотальной закрытости военно-промышленного комплекса СССР явилось смелым и дальновидным стратегическим решением, позволившим предприятию обеспечить независимую разработку и серийный выпуск лазерной аппаратуры различного назначения как в относительно благополучные 70-е и 80-е годы, так и в условиях глобального развала и деградации промышленности России в 90-е и 2000-е годы.

Практически с первых дней существования в НИИ фотоприемного направления начались работы по созданию первого в мире гибрида вакуумного СВЧ-усилителя с фотокатодом – фото-ЛБВ, а в дальнейшем – ФЭУ-ЛБВ для приема излучения рубинового и гелий -неонового лазеров. В связи с отсутствием собственных подготовленных площадей работы проводились в помещениях соседнего НИИ «Титан» (в душевых, уборных, производственных цехах) с использованием замедляющих специальных СВЧ-систем, получаемых из НИИ «Исток». В результате уже в начале 1963 года В.Г. Зубов на специальном измерительном СВЧ-стенде продемонстрировал эффект супергетеродинного приема для анализа спектра излучения рубинового лазера на длине волны 0.69 мкм.

Создание первых вакуумных лазерных фотоприемных устройств неразрывно связано с именами М.Ф. Стельмаха, А.В. Иевского, В.А. Афанасьева, Н.И. Екамасова, М.А. Брука, Н.Г. Лозовой.

Как отмечалось выше, в середине 60-х годов в НИИ были достигнуты серьезные успехи в области создания полупроводниковых лазеров на основе соединений GaAs и GaAlAs, а также твердотельных лазеров на основе кристаллов граната. Применение в аппаратуре на основе таких лазеров существующих вакуумных фотоприемных устройств оказалось практически невозможным как из-за чрезвычайно низкой чувствительности на длинах волн более 0.9 мкм, так и из-за недопустимо больших габаритов и энергопотребления.

По предложению Н.Д. Девяткова дальнейшая разработка и освоение вакуумных широкополосных фотоэлектрических приемников были переданы в НИИ «Исток», а в НИИ «Полюс» были начаты работы по созданию полупроводниковых фотодиодных приемников, перспективность которых с точки зрения уникального быстродействия, высокой квантовой эффективности, массогабаритных характеристик и энергопотребления в 60-е годы становилась все более очевидной. Существовавшие в то время на некоторых предприятиях СССР кремниевые сплавные технологии позволяли производить фотодиоды на основе кремния с р-n-переходом. Однако в связи с ограниченным спектральным диапазоном и быстродействием таких фотодиодов, обусловленными типом материала и технологией их изготовления, стало ясно, что для создания перспективных высокоинформативных лазерных систем, прежде всего лазерных дальномеров и целеуказателей, работающих на длинах волн около и более 1 мкм, требуется переход на другой полупроводниковый материал – германий.

В условиях недостаточной оснащенности строящегося института технологическим и метрологическим оборудованием, а также отсутствием необходимого опыта создание даже основ технологии изготовления германиевых фотодиодных структур грозило растянуться на долгие годы.

Ведущим предприятием СССР по технологии полупроводниковых приборов в 60-е годы являлся НИИ «Пульсар», входивший, как и «Полюс», в Министерство электронной промышленности. Успехи НИИ «Пульсар» по разработке СВЧ германиевых транзисторов под руководством А.В. Красилова легли в основу становления германиевых технологий в НИИ «Полюс», а германиевый транзистор типа «Перелесок» разработки И.В. Волцит, обладавший быстродействием 3 ГГц, можно считать прообразом первого быстродействующего германиевого фотодиода. Следует отметить, что успешное применение полупроводниковых технологий НИИ «Пульсар» было обеспечено главным образом благодаря плодотворным личным связям М.Ф. Стельмаха, А.В. Иевского, Н.Г. Лозовой с руководством и ведущими разработчиками указанного предприятия.

За большой личный вклад в разработку и внедрение в производство германиевых фотодиодов Н.Г. Лозовая была награждена орденом «Знак почета».

Первые годы институт работал в системе 1-го Главного управления Министерства электротехнической промышленности. Этот главк был наиболее передовым в отрасли в эти годы, в него входила вся СВЧ-электроника: НИИ «Исток» (Фрязино, Московская область), НПП «Торий» и завод «Плутон» в Москве, группа предприятий в Саратове, Ростове-на-Дону, Киеве и т. д. Руководил главком опытный и волевой руководитель И.Т. Якименко, его курировал в отрасли заместитель министра А.А. Захаров – высококвалифицированный специалист-инженер с огромным опытом производственника. А.А. Захаров принял живое участие в оснащении «Полюса» высококлассным импортным оборудованием, в частности, станками швейцарской фирмы «Шаублинг», другим точным оборудованием.

В 1966 году НИИ-333 был переименован в НИИ приборостроения. В его составе в этом же году на площадке в Зюзино был выделен опытный завод, а в 1970 году создан филиал опытного завода в г. Сергач Горьковской области. На опытном заводе начался серийный выпуск первых приборов и элементов квантовой электроники – модуляторов света, лазерных активных и нелинейных элементов, полупроводниковых лазеров, лазерных технологических и медицинских установок.

В дальнейшем к разработкам института подключился в качестве серийного завода саратовский «Тантал» – мощное производственное объединение, специализирующееся на выпуске СВЧ-приборов, имевшее хорошую приборостроительную и машиностроительную базы. На этом заводе был организован серийный выпуск твердотельных лазеров марки ЛТИ и ЛТИПЧ (В.Г. Дмитриев, Е.М. Швом), широко распространившихся в Советском Союзе (всего было выпущено свыше 1500 таких лазеров) и послуживших базой для начала работ по лазерной технике во многих промышленных фирмах, вузах и военных академиях. Там же началось серийное производство лазерных дальномеров, готовилось производство лазерных гироскопов.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 13
Валентин Георгиевич Дмитриев
Первый директор М.Ф. Стельмах огромное внимание уделял формированию коллектива института. Он лично беседовал почти с каждым принимаемым на работу, искал специалистов в лучших вузах и ведущих институтах страны. Митрофан Федорович имел хорошие личные связи с Нобелевскими лауреатами академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, работавшими в ФИАН-е, и другими академическими институтами, с академиком Р.В. Хохловым из МГУ.

В дальнейшей истории института большую роль сыграло содружество с виднейшими вузами столицы: уже в 1967 году «Полюс» стал базовой кафедрой Московского физико-технического института (МФТИ), а в дальнейшем появились базовые кафедры Московского института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) и Московского института электроники и математики (МИЭМ). В значительной степени институт укомплектован выпускниками этих и других лучших вузов страны.

Ведущие специалисты института прошли подготовку у лучших ученых страны, многие из которых впоследствии стали академиками. Сотрудники института активно принимали участие в многочисленных научных конференциях по квантовой электронике, когерентной и нелинейной оптике, проходивших в стране в 60-е и 70-е годы.

Это были годы становления лазерной физики и лазерной техники. Процветало международное сотрудничество. Помимо всего прочего, это были годы «хрущевской оттепели», разрешались зарубежные служебные командировки, и многие научные сотрудники «Полюса» приняли участие в научных конференциях, посетили международные выставки в США, Франции, Германии, Японии. Первый главный инженер института В.М. Кузнецов пришел в НИИ из Института физических проблем Академии наук в 1964 году. В 1969 году В.М. Кузнецова сменил Э.А. Лукин. Выпускник МИФИ, Эдуард Александрович пришел в «Полюс» начальником научно-технического отдела, а затем быстро стал главным инженером. Фактически он с нуля создал в институте инженерную службу, службу главного энергетика, отделы конструкторов, метрологию, службу контроля качества, СПУ, отдел внедрения.
Глава 1. Исследования «с тачкой в руках». Фото 14
Эдуард Александрович Лукин
Таким образом, за первые годы существования был сформирован комплексный многопрофильный институт квантовой электроники с сильной сырьевой базой и хорошим заделом в области лазерного приборостроения. Коллектив института за первые годы существования НИИ проявил себя в качестве «боевой», готовой решать сложные задачи команды и добился результатов, уже тогда оправдавших усилия по созданию института.
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1