Острый тонкий пучок лучей рубинового цвета прорезал пространство… Миновав земную атмосферу, он устремляется в космос к далеким звездным мирам.
Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лучом можно проколоть или разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла. Фантастика? Нет, последнее достижение квантовой электроники, известное под названием «ЛАЗЕР» или, иначе «оптический квантовый генератор». Лазеры появились в 1960году. Их появлению предшествовали фундаментальные работы советских ученых В.А.Фабриканта, Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, американского ученого Ч.Таунса. В частности, лазеры нашли применение для сверхдальней связи. Они позволили исследовать поверхность Луны, их устанавливают на искусственных спутниках Земли и на космических кораблях. В пути лазеры передают сигналы на Землю с расстояния в десятки миллионов километров и позволяют управлять движением кораблей и корректировать их траекторию.
Мечта о концентрации энергии света зародилась еще в глубокой древности. Отражение ее мы находим в известной легенде об Архимеде, сжегшем направленными при помощи зеркал лучами солнца корабли римского флота во время осады Сиракуз. А если вспомнить фантастический роман А.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»? Гиперболоид, при помощи которого его изобретатель инженер Гарин хотел стать властелином мира.
В фантастической литературе можно найти много описаний действия лучей разрушения и смерти. Все они, однако, включая и гиперболоид инженера Гарина, грешат против законов физики и прежде всего против основного ее закона – закона сохранение энергии. Невозможно путем обычных средств современной оптики- нагромождением только зеркал, линз или призм -беспредельно концентрировать энергию имеющихся в распоряжении современной техники источников света. Нельзя сконцентрировать при помощи зеркала солнечные лучи в один тонкий, как игла, луч и послать его на расстояние в несколько километров. Расчет показывает, что для объекта, находящегося от зеркала на расстоянии всего 1 км., потребовалось бы зеркало диаметром 500м., а для того чтобы вызвать загорание дерева, надо было бы обладать источником света, яркость которого в миллион раз превышает яркость Солнца.
Как показал Г.Г.Слюсарев в своей книге «О возможном и невозможном в оптике», нельзя в действительности получить пучок параллельных лучей и еще сжать его в узкий шнур. В схемах геометрической оптики мы, конечно, пользуемся понятием точечного источника света, который, будучи помещен в главном фокусе вогнутого зеркала (притом параболического, а не гиперболического, как ошибочно полагал инженер Гарин ) или в главном фокусе линзы, дает на чертеже пучок параллельных лучей. Но это только на чертеже, в действительности точечный источник и пучок параллельных лучей немыслимы. Приводимый расчет доказывает математически, что если бы параллельные лучи и были возможны, то они не несли бы с собой никакой энергии. Доказательство основывается на законах оптики, все фантастические проекты сжигания на расстоянии не учитывают этого закона, не говоря уж о законах рассеяния, дифракции и интерференции света.
Посмотрим теперь, как же решается задача генерации когерентного света при помощи лазеров. Эти новые источники света действительно излучают почти, (но не полностью!) параллельные лучи. Но физическая основа их совершенно иная, чем основа оптических систем, о которых мечтали фантасты.
Посмотрим на какой-нибудь из обычных источниках света- пламя свечи, раскаленный волосок электрической лампочки или люминесцентную трубку. Какие физические явления составляют сущность излучения света этими источниками света? Излучения света источником света- это освобождения энергии при перескоках электронах с внешних орбит на орбиты, расположенные ближе к ядру. Тепловые движения частиц в раскаленном теле или высокое напряжение в газосветных трубках забросило электроны на внешние орбиты и привело атомы в « в возбужденные» состояние. Это состояние неустойчиво, и почти мгновенно (через 10 –8 с) электроны возвращаются на свои нормальные орбиты, отдавая при этом сообщенный им излишек энергии в виде квантов излучения.
В зависимости от порций энергии, отдаваемой электронам при переходе с одной орбиты на другую, или, другими словами, при переходе атома с уровня энергии Е2 на уровень Е1 , частота δ излучаемого фотона может быть вычислена по формуле (ее связывают с именем знаменитого физика Бора):
η δ ═ E2-E1
Поскольку длина волны λ вязана с частотой δ соотношением
λ = __C__, приходим отсюда к формуле:
δ
λ= __h∙c__
E2-E1
Чем ближе орбита, с которой происходит переход электронов к «невозбужденной» орбите, тем меньше энергия кванта и тем больше длина волны излучения.
Теперь подумайте, какое громадное количество атомов участвуют в процессе излучения света, скажем, свечой. Ведь в ничтожном объеме вещества размером с булавочную головку заключаются миллиарды миллиардов атомов. Возбуждение их происходит не одновременно, поэтому и отдача энергии возвращающимися на свои нормальные орбиты электронами происходит не одновременно, а случайно, беспорядочно с излучением различных квантов с различными длинами волн, словно нестройный многоголосый хор, который создает невообразимый шум, когда каждый поет свое, кто во что горазд.
Теперь рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово « лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).
В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных
атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии (рис. 1).
Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходит также процес самопроизвольного,спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбу-жденное состояние и процес поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состо-яние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г.
Если число вожбуждённых атомов велико и существует инверсная населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенаростаюшую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.
На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г.советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.
При одновременном рожении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распростроняться в своём направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохромотичности, так как каждая лавина инициировалась собствен-ным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населённостью можно было использовать, для генерации лазерного луча, т.е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо снимать инверсную населённость с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием обратной связи. На рисунке 2 видно, что спонтанно родившиеся фотоны,
направление распространения которых не перпендикулярно плос-кости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населённостью обратная связь может оказаться настолько эффективной,что излучением «вбок»- можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно удаётся сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.