Лазеры и мазеры

Лазер был рожден «на кончике пера» благодаря развитию квантовой радиофизики. Однако было бы неправильно думать, что в рождении лазера не принимала участия практика. Практика была, но в виде экспериментов в физических лабораториях. Теория здесь правила, была царицей; ее подчиненными были опыты. В результате такого содружества теории и эксперимента в начале 50-х годов был создан молекулярный генератор. Он был разработан в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо от них в Колумбийском университете в США Ч. Таунсом — впоследствии лауреатами Нобелевской премии.

В первых молекулярных генераторах использовался пучок газообразного аммиака, который впускали в вакуумную камеру. Затем с помощью электромагнитного поля из газа удаляли молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне, создавая тем самым пучок с возбужденными молекулами. Радиоволны микроволнового диапазона при прохождении через этот пучок усиливались. Генератор был назван мазером. Слово это составлено из первых букв английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающего: микроволновое усиление с помощью индуцированного излучения. Мазеры усиливают радиоволны сверхвысокой частоты (сантиметрового диапазона).

Первый квантовый генератор света был создан американским физиком Т. Мейманом в 1960 г. и получил название «лазер» по начальным буквам английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью индуцированного излучения. Заметим, что принцип действия мазера и лазера одинаков, но лазер излучал не радиоволны, а монохроматический когерентный луч света. Лазер Т. Меймана состоял из рубинового кубика размером [pic] см с серебряным покрытием двух противоположных граней и спиральной лампы-вспышки большой мощности. Это был совершенно новый и удивительный инструмент воздействия на вещество! «Миллионы киловатт, впрессованные в тонкую иголочку луча»,— как сказал Н.Г. Басов.

Начнем с лазера на кристалле рубина — прозрачной разновидности корунда. По химическому составу этот драгоценный камень, пользовавшийся особой любовью властителей древнего Востока, представляет собой окись алюминия (AI2O3) с примесью хрома. Последний и придает рубину то красный, то фиолетово-красный цвет. Но не своей красотой привлек внимание ученых рубин, а тем, что содержащиеся в нем ионы хрома способны при некоторых условиях испускать световые волны.

Электрон в атоме занимает определенные оболочки — их так и называют: электронные оболочки, а в популярной литературе часто употребляют, для наглядности и простоты, другое название — орбиты. Чем больше расстояние электрона от ядра атома, тем выше его энергия. Но, как было показано Нильсом Бором, электрон может переходить с орбиты на орбиту не постепенно, а только скачком. Скачкообразно меняется и энергия электрона, следовательно, атома или молекулы в целом. Если атом или молекулы возбуждены, то и потенциальная энергия их выше, электроны находятся на более отдаленных от ядра орбитах (оболочках) и занимают, как принято говорить, более высокие энергетические уровни. Электрон из устойчивого, равновесного состояния с энергетического уровня E1 переходит на уровни E2или E3только при возбуждении атома или молекулы. Однако в возбужденном состоянии они долго оставаться не могут: электрон спонтанно (самопроизвольно) покидает уровни E2и E3и возвращается на энергетически более выгодный уровень E1, испуская при этом энергию в виде фотона — кванта поля электромагнитного излучения. И вообще, как установила квантовая механика, поглощение и испускание энергии атомами и молекулами вещества происходит именно квантами, порциями, конечным количеством энергии, равным разности её значений на двух рассматриваемых уровнях.

А что, если подобрать вещество, которое имело бы так называемые активные центры, с удовлетворительной системой энергетических уровней? Такие активные центры после возбуждения должны быстро покидать уровень Е3 и на некоторое время накапливаться на уровне Е2, повышая его «заселенность».

Накопление активных центров на втором энергетическом уровне можно сравнить со снеговыми наносами на крутых склонах гор. Достаточно выстрела из винтовки, даже громкого крика и... страшная лавина снега приходит в движение, сметая все на своем пути. Аналогия хотя и грубая, но полезная: она дает представление о наведенном, то есть индуцированном испускании фотонов возбужденными атомами и молекулами.

Ионы хрома в рубине обладают, как было установлено, тремя классическими энергетическими уровнями. Если отполированный цилиндрический кристалл рубина обвить спиралью лампы-вспышки, то при ее включении сине-зеленая часть спектра излучения будет поглощаться ионами хрома. Возбудившись, они скачком перейдут с первого уровня на третий, а затем на второй, отдав при этом часть энергии кристаллу. На втором уровне активные частицы будут накапливаться, так как время их пребывания здесь составляет 10-4—10-2 с, в то время как для третьего уровня оно равно 10-8 с. Происходит как бы накачка ионов хрома, насыщение второго уровня энергией. Теперь если какой-либо из ионов хрома под действием электромагнитного поля испустит фотон, начнется индуцированное излучение. Этот фотон, двигаясь вдоль оси кристалла рубина, будет вынуждать (инициировать) ионы хрома совершать переход со второго уровня на первый с испусканием аналогичных фотонов.

Чтобы фотоны не выходили сразу за пределы кристалла, его торцевые поверхности делают в виде высококачественных зеркал со строго перпендикулярными большой оси кристалла плоскостями. Благодаря этому путь фотонов вдоль оси кристалла увеличивается, возрастает число актов их взаимодействия с возбужденными ионами хрома, и последние испускают все новые и новые фотоны. За короткое время (менее 10-4 с) высвобождается в виде света вся энергия, накопленная активными центрами на втором уровне — рождается мощный луч света, способный преодолеть полупрозрачное зеркальное покрытие одного из торцов цилиндрического кристалла и выйти за его пределы.

Лазерный луч, набравший силу и мощь внутри рубинового кристалла, вырвался на свободу!

Конечно, в действительности все было не так легко и просто, как здесь описано. Чтобы появился лазер, нужно было преодолеть немало теоретических и технических проблем. В частности, надо было научиться выращивать большие — длиной до нескольких сантиметров! — кристаллы рубина, причем с необходимым содержанием хрома. Заметим, правда, что искусственные рубины давно уже не были новинкой: их умел получать французский химик Вернейль еще в том веке. Современные искусственные кристаллы рубина, применяемые в лазерах в виде цилиндрических стержней, имеют диаметр до 20 мм и длину до 300 мм или массу в обработанном виде до 1800 каратов.

Не так много времени прошло с того дня, когда заработал лазер на рубиновом кристалле, как семейство лазеров стало все больше и больше разрастаться. Появились лазеры на газах и газовых смесях, на жидкостях и полупроводниках... Для лазеров стали выращивать специальные кристаллы, способные генерировать видимый свет. Например, кристалл из арсенида галлия и арсенида алюминия. Однако конструкторы лазеров теперь уже не удовлетворяются областью видимого света, они создают лазеры (или ищут только пути к ним), которые могли бы излучать в самом широком диапазоне частот — от инфракрасных до рентгеновских и гамма-лучей. Различаются лазеры не только по активной среде, но и по способу накачки, то есть по способу накопления избытка атомов и молекул на возбужденном энергетическом уровне Е2, по режиму работы (лазеры непрерывного действия, импульсные лазеры), по мощности и другим характеристикам.

Такое разнообразие лазеров позволяет применять в различных областях науки и техники.