Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

Возбужденные атомы в нагретом теле излучают фотоны одни самопроизвольно, другие — под действием фотонов, вынужденно. Фотоны, возникшие в обоих случаях, немедленно поглощаются нормальными атомами, потом снова излучаются и т. д. Следовательно, у атомов вещества постоянно меняется величина энергии: у возбужденных атомов она больше, у нормальных — меньше. Физики говорят, что нормальный атом находится на первом, основном, уровне энергии, возбужденный — на более высоком. Переходы с нижнего на верхний или возвращение на основной уровень происходят скачками. При этом атом либо поглощает фотон, либо его излучает.

Атомов невозбужденных, то есть находящихся на первом уровне, в нагретом теле больше всего, поэтому они охотно поглощают все появляющиеся фотоны. При этом, как утверждал еще Эйнштейн, существует равновесие: число поглощенных фотонов равно числу излученных. Иными словами, число подъемов атомов на верхние уровни равно числу их спусков. Вынужденное излучение — это лишь один из путей спуска атомов на нижний уровень, следовательно, оно всегда будет меньше поглощения. А раз так, то и выделить вынужденное излучение невозможно.

Но профессор В. А. Фабрикант решил обойти запрет, наложенный природой. Он решил создать такую среду, в которой атомов на верхних уровнях было бы значительно больше, чем на нижних. Что это давало? В этом случае число спусков могло преобладать над числом подъемов. Атомов, стреляющих фотонами, оказывалось больше, чем атомов, поглощающих их, и это позволило бы вынужденному излучению вырваться из этой среды. Профессор прекрасно понимал, что нужна была такая среда, в которой атомы интенсивно возбуждались, то есть подбрасывались на верхний уровень и не так быстро соскальзывали вниз. Тогда ворвавшийся в среду фотон мог начать вынужденное излучение, которое, разрастаясь подобно лавине, покинуло бы среду и попало в оптические приборы.

Наиболее подходящей средой для опыта, проведенного уже после войны, оказалась плазма. Была изготовлена разрядная трубка, в которую заперли пары ртути в смеси с гелием или водородом. Когда в такой смеси зажигался разряд, то атомы возбуждались как за счет соударений с электронами, так и благодаря поглощению фотонов. Самопроизвольные переходы на нижние уровни при этом уже не уравновешивали подъемы. Большое значение имели и столкновения молекул ртути с атомами примеси. Одним словом, верхний этаж оказывался более заселенным, чем нижний. Когда в такую среду, которую назвали активной, впускали свет, то его фотоны заставляли атомы скатываться на более низкий уровень, то есть вызывали вынужденное излучение. Это излучение прибавлялось к впущенному в среду свету, и после нее он оказывался значительно ярче, сильнее. Плазма не поглощала свет, а усиливала его. Усиливала за счет вынужденного излучения.

Нужно отметить, что не любой свет может вызвать вынужденное излучение. На возбужденный атом должен налетать лишь такой фотон, который данный атом может испустить. На фотоны другого «сорта» возбужденный атом не реагирует. Следовательно, при вынужденном излучении появляются фотоны-близнецы, у которых частота, а следовательно, и энергия, а также другие свойства совершенно одинаковы. Поток таких фотонов и есть когерентный свет.

На первых порах принцип усиления света, открытый профессором В. А. Фабрикантом, нашел применение… в радиотехнике. Это неудивительно, по тому что как свет, так и радиоволны есть электромагнитные колебания, отличающиеся лишь частотой.

В усилителях радиоволн, которые назвали молекулярными, очень слабый радиосигнал попадал в специальную камеру — резонатор. В ней находилось огромное количество возбужденных молекул аммиака. Под действием пришедшей волны происходило лавинообразное сбрасывание молекул аммиака с верхнего уровня. При этом молекулы сами испускали радиоволны, благодаря чему принятый сигнал усиливался во много раз.

Такой усилитель радиоволн можно превратить в генератор, в котором радиоволны возникают самостоятельно, без вмешательства внешнего сигнала. Для этого нужно лишь увеличить приток возбужденных молекул аммиака в резонатор. Такой генератор дает строго постоянную частоту колебаний, что требуется в целом ряде радиотехнических устройств.

Молекулярные усилители и генераторы радиоволн, едва появившись, стали применяться для усиления слабых радиосигналов, приходящих на Землю из космоса, для создания эталонов времени — часов, которые никогда не отстают и не убегают вперед, а также для различных научных исследований. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, разработавшие их, были удостоены звания лауреатов Ленинской премии.

И все же вынужденное излучение, так удачно использованное в радиотехнике, еще не раскрыло всех своих возможностей. Многие ученые, в том числе и сам профессор Фабрикант, верили, что вынужденное излучение можно с практической пользой применить и для световых волн. Уж очень заманчивыми казались его свойства, особенно направленность излучения, которая дает возможность получить не веер световых лучей, а острый их пучок. А раз так, то луч света можно сделать мощным, таким, как у гиперболоида инженера Гарина в научно-фантастическом романе Алексея Толстого.

Лазер — гиперболоид наших дней

Вспомним, как в романе Алексея Толстого инженер Гарин решил поставленную им техническую задачу при создании своего гиперболоида.

Двенадцать угольных пирамидок, горящих в фарфоровых чашечках, бросали свой свет на зеркало, выполненное в виде гиперболоида. Отразившись от зеркала, лучи собирались в фокусе, в котором помещалось второе гиперболическое зеркало из тугоплавкого минерала — шамонита. Это небольшое зеркало посылало лучи, строго параллельно. Именно такой луч мог резать, разрушать здания, крепости, дредноуты, скалы.

Позднее, обосновавшись на острове, Гарин для бурения земной коры использовал двенадцать гиперболоидов, в которых световая энергия создавалась электрическими дугами, зажженными между тугоплавкими электродами.

«Весь секрет в том, чтобы послать нерассеивающийся луч», — так один из персонажей романа профессор Хлынов сформулировал задачу, стоящую перед создателем подобного аппарата.

Потребовалось несколько десятилетий, пока физики сумели на деле создать прибор, подобный тому, который действовал в романе писателя-фантаста. Только главное слово здесь было сказано не оптикой, а квантовой механикой — наукой, изучающей жизнь и поведение мельчайших обитателей микромира.

Новые удивительные приборы, созданные физиками несколько лет назад, называют квантовыми усилителями или генераторами света. Привилось и более короткое их название — лазеры. Слово это составлено из начальных букв английской фразы, которая на русский язык переводится так: «Усиление света за счет создания стимулированного излучения». Здесь «стимулированное излучение» — то же самое, что выше было вложено в понятие «вынужденное излучение». Значит, в лазерах мощный поток света создается за счет вынужденного излучения атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях.

Как был устроен и как работал первый лазер, созданный физиками?

Сердце лазера — это красноватый стержень из рубина. Кристалл этот известен давно. Рубин — окись алюминия с примесью хрома. Чем больше в нем хрома, тем гуще, краснее его окраска. Наиболее подходящими оказались рубиновые стержни, в которых примесь