Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Мы знаем лазер на искусственном рубине, на искусно подобранной смеси газов. Оказалось, что это не единственные вещества, которые могут зажечь лазерный свет.

Теперь мы познакомимся ещё с одним типом лазера. Рабочим веществом в нём служит стекло. Стекло — твёрдое тело, но по своему строению оно мало отличается от очень вязкой жидкости, например смолы. Разница между ними много меньше, чем различие стекла и кристалла.

В большинстве кристаллов образующие их ионы располагаются регулярно так, что их взаимное расположение многократно повторяется подобно рисунку на обоях. Конечно, это не полная аналогия, ибо рисунок повторяется на плоскости, а расположение ионов — в пространстве.

В стёклах упорядоченность может быть обнаружена только в расположении ближайших соседей. Дальше царствует хаос. Именно это и роднит стекло с жидкостями. Различие между ними лишь в величине вязкости. Она столь велика, а текучесть стекла столь мала, что по механическим свойствам оно близко к хрупким твёрдым телам.

Имеется ещё один признак отличия. Кристаллы плавятся, превращаясь в жидкость при вполне определённой для каждого вида температуре. Физики называют такое их превращение фазовым переходом. Кристаллическая фаза, говорят они, переходит в жидкую фазу при постоянной температуре. Так, лёд превращается в воду при 0 °C и в обычных условиях не может оставаться льдом при более высокой температуре.

Стекло же не знает такого перехода. При медленном нагревании его вязкость постепенно уменьшается до тех пор, пока не станет столь малой, что стекло превратится в жидкость. Изменение температуры во время такого перехода может достигать сотен градусов.

Стекло изредка встречается в природе. Это сплав окислов различных металлов, возникающих при извержении вулканов. Иногда капли стекла образуются при попадании молнии в песчаную почву. Стекло, применяемое людьми, изготавливается искусственно. Для этого в специальных печах расплавляют специально подобранные смеси окислов, тщательно перемешивают расплав и медленно остужают. Мастера на опыте определили составы смесей, позволяющих получать прозрачные бесцветные или окрашенные стекла.

Большая часть применяемых стёкол содержит в качестве основной части двуокись кремния. Такие стёкла называют силикатными.

Создатель первого лазера, работающего на стекле, американский учёный Е. Снитцер, изготовил для своего лазера особое стекло, добавив в исходный состав окись неодима, одного из редкоземельных элементов. Ионы неодима придали стеклу нежный сиреневый цвет. Снитцер изготовил из него круглый стержень, торцы которого были тщательно отполированы и посеребрены. Его генерация возбуждалась вспышками.

Лазерное излучение, порождаемое ионами неодима, лежит за пределами видимого спектра в начале его инфракрасной части. Многовековое совершенствование технологии производства стекла позволило изготавливать из него большие, весьма однородные блоки, предназначавшиеся для объективов крупных телескопов.

На этой основе технологами было налажено изготовление рабочих элементов для лазеров, намного превосходивших рабочие элементы из рубина по размерам и однородности. Важно и то, что они обходились гораздо дешевле.

Затем появились полупроводниковые лазеры. Возможность их создания предсказал Басов. Но реализация таких лазеров оказалась очень трудной.

Американским учёным удалось найти путь, технически сложный, но во многом более доступный. Они сформировали двухслойный полупроводниковый элемент, в котором на границе слоёв образуется тонкая прослойка. В ней и осуществляются условия, необходимые для усиления света, идущего вдоль пограничного слоя. Для реализации лазерного усиления достаточно пропускать поперёк пограничного слоя слабый электрический ток. Для получения лазерной генерации здесь можно обходиться без зеркальных слоёв. Достаточно научиться аккуратно скалывать края этого полупроводникового сэндвича так, чтобы сколы были параллельны между собой.

Преимущество полупроводникового лазера состоит в его способности преобразовывать энергию электрического тока непосредственно в энергию лазерного излучения. Вспомним, что в лазерах на рубине и стекле энергия электрического тока предварительно преобразовывается лампой-вспышкой в нелазерный свет. В газовом лазере электрическая энергия предварительно возбуждает газовый разряд. Полупроводниковые лазеры не нуждаются в подобных предварительных преобразованиях, и поэтому они работают более эффективно.

Второе преимущество полупроводникового лазера — простота управления величиной интенсивности его излучения.

Она меняется в зависимости от силы электрического тока, питающего лазер.

Наконец, третье преимущество полупроводниковых лазеров — их малые габариты и вес, а также, конечно, малый расход электрической энергии.

Однако полупроводниковые лазеры не могут конкурировать с другими по энергии и мощности излучения. Причина — быстрое ухудшение их лазерных характеристик при повышении температуры в рабочем элементе.

Выделение тепловой энергии в активном веществе во всех лазерах — неизбежный вредный спутник процессов, приводящих к возбуждению лазерных свойств. Поэтому перед физиками стоит задача уменьшить тепловыделение приборов, улучшить теплоотвод от лазерного элемента.

Все типы лазеров, о которых мы говорили, в большей или меньшей степени характеризуются одноцветностью излучения. Наиболее монохроматично излучение газовых лазеров, наименее — полупроводниковых. Степень одноцветности зависит от вида оптического спектра рабочего вещества. Спектр газов имеет вид очень узких спектральных линий. Спектры твёрдых тел характеризуются более широкими спектральными полосами. Они образуются от слияния близко расположенных спектральных линий.

В результате каждый тип лазера даёт излучение вполне определённого цвета: рубиновый — тёмно-красное; гелий-неоновый — красное; более алого оттенка; стеклянный «неодимовый» лазер — невидимое излучение с длиной волны около одного микрона. Цвет излучения каждого полупроводникового лазера зависит от его состава, и, меняя состав, можно варьировать длину волны лазерного излучения в широких пределах.

Получить лазер, дающий свет одного тона — большая победа учёных. Однако имеются области применения лазеров, в которых жёсткая монохроматичность является не достоинством, а недостатком.

Поэтому учёные начали поиск веществ для лазеров, которые позволили бы перестраивать рабочую частоту световой волны. Лучшими из них оказались растворы органических красителей. Их оптические спектры содержат широкие линии и полосы. Конечно, создание монохроматических перестраиваемых лазеров на основе таких красителей потребовало усовершенствования систем обратной связи: пары зеркал, применявшихся ранее, оказалось недостаточным.