93. Лазер

Несмотря на сравнительно простое устройство лазера, процессы, лежащие в основе его работы, чрезвычайно сложны и не поддаются объяснению с точки зрения классических законов физики. Со времен Максвелла и Герца в науке утвердилось представление о том, что электромагнитное и, в частности, световое излучение имеет волновую природу. Эта теория хорошо объясняла большинство наблюдаемых оптических и физических явлений. Но уже в конце XIX века были получены некоторые экспериментальные данные, не подходившие под эту теорию. (Например, совершенно непонятным с точки зрения классических представлений о волновой природе света оказывалось явление фотоэффекта.) В 1900 году известный немецкий физик Макс Планк, пытаясь объяснить природу этих отклонений, сделал предположение, что испускание электромагнитного излучения и, в частности, света происходит не беспрерывно, а отдельными микроскопическими порциями. В 1905 году Эйнштейн, разрабатывая теорию фотоэффекта, подкрепил идею Планка и убедительно показал, что электромагнитное излучение действительно испускается порциями (эти порции стали называть квантами), причем в дальнейшем, в процессе распространения, каждая порция сохраняет свою «индивидуальность», не дробится и не складывается с другими, так что поглотить ее можно только всю целиком. Из этого описания получалось, что кванты во многих случаях ведут себя не как волны, а как частицы. Но при этом они не перестают быть волнами (например, квант не имеет массы покоя и существует только двигаясь со скоростью 300000 км/с), то есть им присущ определенный дуализм.

Квантовая теория позволила объяснить многие прежде непонятные явления и, в частности, природу взаимодействия излучения с веществом. Возьмем простой пример: почему тело при нагревании испускает свет? Нагревая, скажем, на газовой горелке гвоздь, мы заметим, что сначала он приобретает малиновый цвет, потом станет красным. Если продолжать нагревание, то красный цвет переходит в желтый и затем в ослепительно белый. Таким образом, гвоздь начинает излучать не только инфракрасные (тепловые), но и видимые лучи. Причина этого явления следующая. Все тела (и в том числе наш гвоздь) состоят из молекул, а молекулы состоят из атомов. Каждый атом представляет собой небольшое очень плотное ядро, вокруг которого вращается большее или меньшее количество электронов. Эти электроны движутся вокруг ядра не как попало, но каждый из них находится на своем точно установленном уровне; соответственно одни уровни располагаются ближе к ядру, а другие дальше от него. Эти уровни называются энергетическими, так как каждый из расположенных на них электронов обладает своей определенной, свойственной только этому уровню, энергией. Пока электрон находится на своем стационарном уровне, он движется, не излучая энергии. Такое состояние атома может продолжаться сколь угодно долго. Но если атому сообщается извне какое‑то определенное количество энергии (как это происходит при нагревании гвоздя), атом «возбуждается». Суть этого возбуждения состоит в том, что электроны поглощают кванты излучения, пронизывающего вещество (в нашем примере инфракрасное тепловое излучение газовой горелки), приобретают их энергию и благодаря этому переходят на более высокие энергетические уровни. Однако на этих более высоких уровнях электроны могут находиться лишь очень незначительное время (тысячные и даже миллионные доли секунды). По истечении этого времени каждый электрон опять возвращается на свой стационарный уровень и при этом испускает квант энергии (или, что то же самое, волну определенной длины). Среди этих волн некоторые приходятся на видимый диапазон (эти кванты видимого света называются фотонами; излучение фотонов возбужденными атомами мы и наблюдаем как свечение нагретого гвоздя). В нашем примере с гвоздем процесс поглощения и испускания квантов протекает хаотически. В сложном атоме наблюдается большое число переходов электронов с верхних уровней на нижние, и при каждом из них происходит излучение со своей частотой. Поэтому излучение идет сразу в нескольких спектрах и в разных направлениях, причем одни атомы испускают фотоны, а другие поглощают их.

Точно так же происходит испускание квантов любым нагретым телом. Каждое из этих тел (будь то Солнце, дуговая сварка или нить лампы накаливания) испускает одновременно множество волн разной длины (или, что то же самое, квантов разной энергии). Именно поэтому, какой бы совершенной линзой или другой оптической системой мы ни обладали, нам никогда не удастся сфокусировать испускаемое нагретым телом излучение в строго параллельный пучок — он всегда будет расходиться под некоторым углом. Это и понятно — ведь каждая волна будет преломляться в линзе под своим собственным углом; следовательно, ни при каких условиях мы не сумеем добиться их параллельности. Однако уже основоположники квантовой теории рассмотрели и другую возможность излучения, которая не имеет места в естественных условиях, но вполне может быть смоделирована человеком. В самом деле, если бы удалось возбудить все электроны вещества, принадлежащие к одному определенному энергетическому уровню, а потом заставить их разом испустить кванты в одном направлении, то можно было бы получить чрезвычайно мощный и в то же время исключительно однородный импульс излучения. При фокусировании такого пучка (поскольку все волны, его составляющие, имеют одну и ту же длину) можно было бы добиться почти идеальной параллельности луча. Впервые о возможности такого, как он его назвал, стимулированного излучения написал в 1917 году Эйнштейн в работах «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» и «К квантовой теории излучения».

Стимулированное излучение может быть, в частности, достигнуто следующим способом. Представим себе тело, электроны которого уже «перевозбуждены» и находятся на верхних энергетических уровнях, и предположим, что их облучают новой порцией квантов. В этом случае происходит процесс, напоминающий лавину. Электроны уже «перенасыщены» энергией. В результате дополнительного облучения они срываются с верхних уровней и переходят лавинообразно на нижние, испуская кванты электромагнитной энергии. Причем направление и фаза колебаний этих квантов совпадает с направлением и фазой падающей волны. Произойдет как бы эффект резонансного усиления волны, когда энергия выходной волны будет многократно превосходить энергию той, что была на входе.

Но каким образом добиться строгой параллельности излучаемых фотонов? Оказывается, это можно сделать с помощью весьма несложного приспособления, которое называется открытым зеркальным резонатором. Он состоит из активного вещества, помещенного в трубке между двумя зеркалами: обычного и полупрозрачного. Испускаемые веществом фотоны, попадая на полупрозрачное зеркало, частично проходят сквозь него. Остальные отражаются и летят в противоположном направлении, затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов после каждого прохода через возбужденное вещество многократно усиливается. Усиливаться, впрочем, будет только та волна, которая перемещается перпендикулярно зеркалам; все остальные, которые падают на зеркало хотя бы с незначительным отклонением от перпендикуляра, не получив достаточного усиления, покидают активное вещество через его стенки. В результате выходящий поток имеет очень узкую направленность. Именно такой принцип получения стимулированного излучения лежит в основе действия лазеров (само слово лазер составлено из первых букв английского определения light amplification by stimulated emission and radiation, что означает: усиление света посредством стимулированного излучения).

Созданию этого замечательного устройства предшествовала долгая история. Любопытно, что изобретением лазера техника обязана специалистам на первый взгляд далеким как от оптики, так и от квантовой электродинамики, а именно — радиофизикам. Однако в этом есть своя глубокая закономерность. Прежде уже говорилось, что с начала 40‑х годов радиофизики всего мира трудились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона волн, поскольку это позволяло значительно упростить и уменьшить аппаратуру, особенно антенные системы. Но вскоре обнаружилось, что прежние ламповые генераторы едва ли можно приспособить для работы в новых условиях. С их помощью с трудом удавалось генерировать волны в 1 мм (при этом частота электромагнитных колебаний в этих генераторах достигала нескольких миллиардов за одну секунду), но создание генераторов для еще более коротких волн оказалось невозможным. Необходим был принципиально новый метод генерации электромагнитных волн.

Как раз в это время советские радиофизики Александр Прохоров и Николай Басов занялись изучением очень интересной проблемы — поглощением радиоволн газами. Еще во время войны было обнаружено, что волны некоторой длины, испущенные радаром, не отражаются, как другие, от окружающих предметов и не дают «эха». Например, пучок волны длиной 1, 3 см словно растворялся в пространстве — оказалось, что волны этой длины активно поглощаются молекулами водяного пара. Позже выяснилось, что каждый газ поглощает волны определенной длины таким образом, словно его молекулы как‑то «настроены» на него. От этих опытов был только шаг до следующей идеи: если атомы и молекулы способны поглощать волны определенной длины, значит, они могут и излучать их, то есть выступать в роли генератора. Так родилась мысль создать газовый генератор излучения, в котором бы вместо электронных ламп в качестве источников излучения использовались миллиарды молекул особым образом возбужденного газа. Перспективы такой работы казались очень заманчивыми, поскольку возникала возможность освоить для нужд радиотехники не только диапазон микроволновых волн, но и гораздо более коротких, например, диапазон видимых волн (длина волн видимого света 0, 4‑0, 76 микрон, что соответствует частоте порядка тысяч миллиардов колебаний в секунду).

Важнейшая проблема на этом пути заключалась в том, как создать активную среду. В качестве таковой Басов и Прохоров выбрали аммиак. Чтобы обеспечить работу генератора, необходимо было отделить активные молекулы газа, атомы которых находились в возбужденном состоянии, от невозбужденных, атомы которых были ориентированы на поглощение квантов. Схема установки, разработанная для этой цели, представляла собой сосуд, в котором был создан вакуум. В этот сосуд впускался тонкий пучок молекул аммиака. На их пути был установлен конденсатор высокого напряжения. Молекулы больших энергий свободно пролетали через его поле, а молекулы малых энергий увлекались в сторону полем конденсатора. Так происходит сортировка молекул по энергиям. Активные молекулы попадали в резонатор, устроенный так же, как тот, что был описан выше.

Первый квантовый генератор был создан в 1954 году. Он имел мощность всего в одну миллиардную ватта, так что его работу могли зарегистрировать только точные приборы. Но в данном случае гораздо важнее было то, что подтвердилась принципиальная правильность самой идеи. Это была замечательная победа, открывшая новую страницу в истории техники. В те же дни в Колумбийском университете группа американского радиофизика Чарльза Таунса создала аналогичный прибор, получивший название «мазер». (В 1963 г. Басов, Прохоров и Таунс за свое фундаментальное открытие получили Нобелевскую премию.)

Квантовый генератор Басова — Прохорова и мазер Таунса еще не были лазерами — они генерировали радиоволны длиной 1, 27 см, а лазеры испускают электромагнитные волны видимого диапазона, которые в десятки тысяч раз короче. Однако принцип работы обоих приборов одинаков, поэтому создателем лазера предстояло разрешить только частные задачи. Во‑первых, необходимо было найти подходящее активное вещество, которое могло бы переходить в возбужденное состояние, потому что не всякое вещество обладает таким свойством. Во‑вторых, создать источник возбуждения, то есть такое устройство, которое обладает способностью переводить активное вещество в возбужденное состояние посредством сообщения ему дополнительной энергии. В‑третьих, требовался открытый резонатор для того, чтобы заставить участвовать в возбуждении все возбужденные частицы активного вещества, а также для того, чтобы усилить только те колебания, которые распространяются вдоль продольной оси активного вещества. В‑четвертых, был необходим источник питания для того, чтобы подпитывать энергией источник возбуждения, иначе лазер не стал бы работать. Разрешить все эти проблемы можно разными способами. Работы велись многими учеными сразу в нескольких направлениях. Однако раньше других посчастливилось достигнуть заветной цели американскому физику Теодору Мейману, который в 1960 году создал первый лазер на рубиновой основе.

Сущность работы лазера на рубине состоит в следующем. Энергия от источника питания преобразуется источником возбуждения в электромагнитное поле, которым облучается активное вещество. В результате этого облучения активное вещество переходит из состояния равновесия в возбужденное состояние. Внутренняя энергия активного вещества значительно возрастает. Этот процесс носит название «накачки» или «подкачки» активного вещества, а источник возбуждения называется источником «накачки» или «подкачки». Когда атомы активного вещества перейдут в возбужденное состояние, достаточно одному электрону сорваться по каким‑либо причинам с верхнего уровня, чтобы он начал испускать фотон света, который, в свою очередь, сбросит несколько электронов с верхнего уровня, чем вызовет лавинообразное выделение энергии остальными возбужденными электронами. Открытый резонатор направит и усилит излучение активного вещества только в одном направлении. В качестве активного вещества Мейман использовал искусственный рубин (рубин представляет собой кристаллическое вещество, состоящее из окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, что особенно важно, так как в поглощении света участвует не весь материал, а только ионы хрома).

Генератор возбуждения состоял из трех блоков: излучающей головки, блока питания и блока запуска. Излучающая головка создавала условия для работы активного вещества. Блок питания обеспечивал энергией заряд двух конденсаторов — основного и вспомогательного. Главным назначением блока запуска было генерирование импульса высокого напряжения и подача его на запускающий электрод лампы‑вспышки. Излучающая головка состояла из рубинового стержня и двух П‑образных ламп‑вспышек. Лампы были стандартные, наполненные ксеноном. Со всех сторон лампы и рубиновый стержень охватывала алюминиевая фольга, которая играла роль рефлектора. Конденсатор накапливал и подавал импульсное напряжение порядка 40 тысяч вольт, что вызывало мощную вспышку ламп. Вспышка мгновенно переводила атомы рубина в возбужденное состояние. Для следующего импульса необходима была новая зарядка конденсатора. Это в общем‑то очень простое устройство вызвало к себе огромный интерес. Если суть открытия Басова и Таунса была понятна лишь специалистам, то лазер Меймана производил огромное впечатление даже на непосвященных. В присутствии журналистов Мейман неоднократно включал свой прибор и демонстрировал его работу. При этом из отверстия в торце испускался луч, толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, он упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. Впрочем, Мейман лишь незначительно опередил других изобретателей. Прошло совсем немного времени, и сообщения о создании новых типов лазеров стали поступать со всех сторон.

В качестве активного вещества в лазерах кроме рубина могут использоваться и многие другие соединения, например, фтористый стронций с примесями, фтористый барий с примесями, стекло и т.д. Им может быть и газ. В том же 1960 году газовый лазер на гелий‑неоновой основе создал Али Джаван. Возбужденное состояние газовой смеси достигалось за счет сильного электрического поля и газовых разрядов. Однако как твердотельные, так и газовые лазеры имеют очень низкий КПД. Их выходная энергия не превышает 1% от потребленной. Следовательно, остальные 99% тратятся бесполезно. Поэтому очень важным стало изобретение в 1962 году Басовым, Крохиным и Поповым полупроводникового лазера. Советские физики открыли, что если на полупроводники воздействовать электрическим или световым импульсом, то часть электронов покинет свои атомы, и здесь образуются «дырки», которые играют роль положительных зарядов. Одновременное возвращение электронов на орбиты атомов можно рассматривать как переход с более высокого энергетического уровня на более низкий, за счет чего происходит излучение фотонов. КПД полупроводникового лазера при возбуждении электронным пучком может достигать 40%. В качестве активного вещества использовался арсенид галлия, содержащий примеси n‑типа. Из этого материала делались заготовки либо в форме куба, либо в форме параллелепипеда — так называемый полупроводниковый диод. Пластинку диода припаивали к молибденовому лепестку, покрытому золотом, чтобы обеспечить электрический контакт с n‑областью. На поверхность p‑области был нанесен сплав золота с серебром. Торцы диода играли роль резонатора, поэтому они тщательно полировались. Одновременно в процессе полировки их с высокой точностью выставляли параллельно друг другу. Излучение выходило именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны служили контактами, к которым прикладывалось напряжение. На вход прибора подавались импульсы.

Лазеры очень быстро вошли в жизнь человека и стали применяться во многих областях техники и науки. Их промышленный выпуск начался в 1965 году, когда только в Америке более 460 компаний взялись за разработку и создание лазерных установок.