Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 19 от 23 мая 2006 года

Все эти события действительно имели место, но одновременно с ними происходили и другие. В 50-е годы мазерами и лазерами плодотворно занимались физики, чья роль известна сегодня лишь специалистам. Попробуем хотя бы частично заполнить лакуны в истории создания лазера.

До появления статьи Эйнштейна «Квантовая теория излучения» физики не сомневались, что проникающие в материальную среду фотоны взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул лишь двумя путями — либо поглощаются и переводят частицы среды на более высокий энергетический уровень, либо испускаются с одновременной потерей этими частицами части своей энергии. Эйнштейн первым понял, что существует еще одна возможность. Допустим, частица вещества уже находится в возбужденном состоянии с энергией E2. Тогда при встрече с фотоном, энергия которого равна разности между E2 и энергией E1 другого, «нижележащего» состояния этой частицы, частица излучит фотон, а сама перейдет в состояние E1. Очень важно, что новорожденный квант полностью тождествен первому — у него такая же энергия E2—E1, такое же направление движения, такая же поляризация и такая же фаза. Получается, что исходный фотон принуждает частицу «породить» его собственную копию. Такой тип излучения называется вынужденным (в 1924 г. этот термин первым использовал американский физик Джон ван Флек, John van Vleck).

В обычных условиях возникновение вынужденного излучения маловероятно. На это есть две причины. Во-первых, энергия затравочных фотонов должна надлежащим образом соотноситься с энергетическим спектром возможных состояний частиц среды, что случается далеко не всегда. Во-вторых (и это важнее), в норме среда пребывает в термодинамическом равновесии, и абсолютное большинство ее частиц находятся в состоянии с минимальным значением энергии (его называют основным).

Падающий фотон имеет неизмеримо больше шансов встретиться именно с такой частицей и поглотиться ею, нежели попасть в окрестность частицы, способной в результате контакта излучить фотон-копию. Поэтому неудивительно, что вынужденное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим понятием. Косвенные экспериментальные свидетельства реальности этого явления впервые появились в 1928 г., а прямые — почти двумя десятилетиями позже.

Получить вынужденное излучение заметной интенсивности в принципе несложно. Лучший (но, как сейчас известно, не единственный) рецепт предписывает изготовить среду, которая содержит на верхнем уровне E2 больше частиц, чем на нижнем E1. В этом случае у фотона с энергией E2—E1 больше шансов запустить процесс генерации вынужденного излучения, нежели поглотиться. Среда, которая отвечает этому условию, называется инверсной. Инверсные среды получают искусственно, разными способами, причем все они требуют затраты энергии. Самостоятельно такие среды возникают очень редко — например, это происходит в верхних слоях марсианской атмосферы, где под действием солнечного излучения резко увеличивается доля молекул углекислого газа, находящихся в возбужденном состоянии. Любопытно, что это явление было открыто лишь в 1981 г. — через много лет после появления лазера.

Инверсная среда может быть источником излучения, но, как правило, физически неинтересным. Такая среда всего лишь самопроизвольно (как говорят физики, спонтанно) излучает по всем направлениям фотоны одинаковых энергий (монохроматический свет). Именно это и происходит на Марсе — вынужденное излучение молекул двуокиси углерода равномерно рассеивается по всем направлениям.

Ситуация радикально изменится, если из инверсной среды извлекать энергию, сконцентрированную в узком пучке. Проще всего это сделать, поместив среду в трубку с зеркалами на концах, перпендикулярными к оси трубки. Поскольку спонтанное излучение распространяется во все стороны, какая-то часть его направится строго вдоль оси трубки. Эти фотоны, и только они, многократно отразятся от зеркал и извлекут из среды свои многочисленные копии. В результате пространство между зеркалами заполнится одинаковыми фотонами, мечущимися в обоих направлениях. Пока воздействие на среду обеспечивает сохранение инверсии, это положение сохраняется. Однако если хоть одно зеркало сделать полупрозрачным, то часть фотонов уйдет наружу (непрерывно или импульсами, в зависимости от того, как именно осуществляется инверсия). В итоге возникнет либо стабильный, либо пульсирующий поток (в случае пары полупрозрачных зеркал — два потока) идентичных фотонов. Подобное излучение называется когерентным. В идеале все когерентные фотоны обязаны двигаться параллельно, но на практике луч все же будет расходиться, хоть и незначительно. Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного когерентного светового излучения.

Выходит, что для работы лазера необходимы три основных компонента: оптическая среда, способная пропускать и излучать фотоны; физический механизм, приводящий ее в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой); наконец, устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (так называемый оптический резонатор), в данном случае — торцевые зеркала.

Нельзя не упомянуть еще одно важное обстоятельство. До сих пор молчаливо предполагалось, что энергия E1 отвечает основному состоянию частиц среды. Однако количество частиц в этом состоянии так велико, что создать инверсию практически нереально. Много лучше иметь как минимум три энергетических уровня — основной (E0) и два возбужденных (E1 и E2), между которыми возможны переходы. В обычных условиях эта пара уровней почти пустует, и если энергетическая подпитка переводит определенную долю частиц на уровень E2, то инверсия по отношению к уровню E1 возникает автоматически, ведь он-то почти не заполнен. Поэтому, как правило, лазеры работают по трех— и даже четырехуровневой схеме.

Путь к квантовым генераторам когерентного излучения занял несколько десятилетий. В 1924 г. американец Ричард Толман (Richard Tolman) первым догадался, что эйнштейновская теория указывает на возможность усилить интенсивность электромагнитного излучения, без которого, как мы сейчас знаем, лазер не может заработать. Через несколько лет немецкие физики Рудольф Ладенбург (Rudolph Laden-burg) и Ганс Копферманн (Hans Kopfer-mann) получили первые, пока еще косвенные доказательства физической реальности инверсных сред. В 1934 г. американцы Клод Клитон (Claude Cleaton) и Нейл Уильямс (Neil Williams) фактически наблюдали инверсию молекул аммиака, которая, как известно, была положена в основу конструкции первых мазеров. В конце 30-х годов профессор Всесоюзного электротехнического института Валентин Фабрикант выполнил серьезный теоретический анализ методов достижения инверсии в газовом разряде. В 1947 г. американцы Виллис Лэмб (Willis Lamb) и Роберт Резерфорд (Robert Retherford) с помощью вынужденного излучения добились усиления электромагнитных волн, испускаемых молекулами водорода. Эти результаты вкупе с рядом других частично раскрыли возможности, предсказанные теорией Эйнштейна, но в первой половине двадцатого столетия дело дальше не двинулось.