Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Такое излучение фотонов называют вынужденным или индуцированным. Его впервые описал еще в 1917 г. великий ученый физик Альберт Эйнштейн (1879–1955). Но вся беда в том, что в нагретом теле выделить индуцированное излучение оказывается невозможным. И вот почему.

Напомним, что для каждого атома существуют свои "разрешенные" уровни энергии. Невозбужденный атом находится на основном, самом нижнем уровне. Атом, поглотивший порцию энергии, переходит на более высокий уровень. Однако "населенность" различных уровней, (т. е. число атомов, имеющих энергию данного уровня), далеко не одинаковая. Больше всего атомов на самом нижнем уровне, на следующем их меньше, дальше еще меньше.

Конечно, если повышать температуру тела, то населенность верхних уровней начинает быстро расти. Но все же на нижнем уровне атомов будет всегда больше. Это-то и является причиной того, что даже если произойдет индуцированное излучение, то родившиеся при этом фотоны будут немедленно поглощены невозбужденными атомами. Их постигнет та же судьба, что и фотоны, испущенные самопроизвольно. Так что сколько ни нагревай тело, создать на нем современный гиперболоид — лазер — не удастся.

Вывод ясен: нужно уметь каким-то образом искусственно "переселять" атомы с нижних уровней на верхние. Только в том случае, когда верхние уровни будут заселены достаточно плот но. а нижние — гораздо реже, индуцированное излучение будет преобладать над поглощением.

Однако реализовать эту идею практически удалось только в 60-е годы XX столетия, после того как появились труды советских ученых В.А. Фабриканта, Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса по разработке принципов молекулярных генераторов и усилителей. В 1964 г. за эти работы последние трое ученых были удостоены Нобелевской премии.

Первый лазер был создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом — сотрудником фирмы "Radio corporation of America". В нем он использовал кристалл рубина. Когда-то рубин был очень редким камнем, теперь его получают искусственно в больших количествах. Искусственный рубин — это окись алюминия. Сам по себе кристалл прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет объясняется присутствием небольшого количества атомов хрома (0,05-0,5 %). Чем больше хрома, тем краснее кристалл. Это связано с тем, что атомы хрома поглощают ультрафиолетовый, зеленый и желтый свет, а красный и синий свет они не поглощают. Смесь последних двух излучений выходит из рубина и придает ему специфическую "рубиновую" окраску.

Источником индуцированного излучения в рубине являются именно атомы хрома. Они могут находиться на одном из трех разрешенных энергетических уровней. На самом нижнем располагаются невозбужденные атомы. Переселение атомов на верхние уровни осуществляется путем облучения рубина мощным потоком света от импульсной лампы накачки (похожей на ту, которая применяется в фотовспышке, но гораздо мощнее). Обычно она, как змея, обвивает рубиновый стержень. Этот поток света вторгается в глубь рубина. Но полезными в нем являются лишь зеленые лучи. Они возбуждают атомы хрома и забрасывают их сразу на третий уровень. Правда, там атомы хрома задерживаются недолго: через одну стомиллионную долю секунды они "спрыгивают" на второй уровень. Но фотонов при этом атомы хрома не излучают, а отдают небольшую часть энергии кристаллической решетке рубина.

Второй уровень — самый замечательный. На нем атомы могут находиться длительное время, не переходя в основное состояние. По обычным представлениям это время невелико — всего несколько тысячных долей секунды, но в "атомных" масштабах оно огромно и сродни человеческому долгожительству.

Конечно, атомы хрома будут "скатываться" спонтанно, самопроизвольно и с третьего, и со второго уровней на первый, но для этого им требуется значительно больше времени, чем перейти с третьего уровня на второй. Ясно, что число атомов, переходящих на второй уровень, будет во много раз больше числа атомов, возвращающихся "домой" на первый уровень.

Цель световой накачки состоит как раз в том, чтобы перенаселить второй уровень. Это тот трамплин, прыжки с которого приводят к индуцированному излучению. Физики называют этот уровень метастабильным.

Как происходит индуцированное излучение, вы знаете. Находящиеся на метастабильном уровне атомы хрома испускают спонтанные фотоны красного цвета. Когда спонтанный фотон идет в сторону от оси рубинового стержня, он покидает кристалл. Но если рождается фотон, идущий вдоль оси, он вызывает фотонную лавину. Число фотонов резко возрастает, как число камней в горном обвале.

Очевидно, чем длиннее путь, тем больше возбужденных атомов встретится на пути фотонной лавины и тем мощнее будет поток индуцированного света. Значит, нужно увеличить длину рубинового стержня! Но обычно поступают не так. В лазерах применяют сравнительно небольшие стержни — длиной 5-30 см и диаметром 3-20 мм. Длину же пробега луча внутри стержня увеличивают при помощи зеркал. Для этого торцы рубина тщательно полируют и покрывают серебром. Получается два отражающих зеркала, причем одно из них делают полупрозрачным для вывода потока света наружу. В результате лавина фотонов многократно проходит тело рубинового стержня, отражаясь от торцевых зеркал и наращивая свою мощь.

Заметим, что несмотря на малую примесь хрома его атомов в рубиновом кристалле очень много. Их количество исчисляется единицей с 19 нулями. Так что материал для образования фотонной лавины есть. Как только концентрация фотонов в лавине достигает некоторой критической степени, кристалл начинает генерировать свет и ослепительная рубиновая молния пронзает пространство.

Твердотельные лазеры в настоящее время распространены достаточно широко. Но не только твердое тело может давать лазерный свет. Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Удивительно, как верно древние видели природу. Ведь эти четыре стихии, по существу, признаются и современной физикой. Нетрудно догадаться, что земле соответствует твердое состояние вещества, воде — жидкое, воздуху — газообразное. А что соответствует четвертой стихии — огню? Четвертое состояние вещества — это плазма.

Мы живем в плазменной Вселенной. Солнце — это гигантский шар горячей плазмы. Земля, начиная с высоты более 100 км, окружена слоем плазмы — ионосферой. Яркая линия, прочерчиваемая метеором на небе, — это свечение плазмы. Плазму порождает молния. Человек сам научился создавать плазму: в пламени газовой горелки, сопле ракеты, огненных буквах рекламных надписей, дуговых электропечах… Невозможно даже перечислить все примеры, где существует естественная или искусственно рожденная плазма.