В качестве рабочего вещества для возникновения вынужденного излучения в первых лазерах использовали стержни из искусственного рубина — кристалла окиси алюминия с небольшой (0,05—0,5%) примесью атомов хрома, придающих кристаллу красный цвет. Они-то и играют главную роль в возникновении стимулированного излучения, так как их электроны способны при возбуждении довольно длительно (3·10-3 сек) задерживаться на метастабильном уровне.
Если рубиновый стержень поместить внутрь спирально изогнутой мощной лампы (чаще всего ксеноновой), то такой рубиновый сердечник будет довольно равномерно освещаться лампой. Из широкого спектра свечения лампы какая-то одна группа частот окажется резонансной: при мощной вспышке лампы электроны атомов хрома одновременно (пусть на короткие доли секунды) взлетят на уровень возбуждения. Чтобы это произошло, вспышка ксеноновой лампы осуществляется разрядом батареи конденсаторов.
Итак, высший уровень возбуждения в атомах хрома заселен электронами. Дальше события развиваются молниеносно. Квант резонансной частоты (то ли высвеченный криптоновой лампой, то ли возникший в атоме хрома при разрядке метастабильного состояния), пролетая мимо возбужденного электрона, вызывает и его разрядку, освобождая второй, подобный себе квант. Если каждый из этих фотонов разрядит еще по одному возбужденному атому, количество фотонов снова удвоится. Налицо усиление света за счет вынужденного излучения.
Но лазер — детище второй половины XX в.— способен на большее. Если у торцов рубинового стержня установить зеркала (или нанести непосредственно на торцы, отражающий слой серебра), поток света, усиленного в стержне, отразится от зеркала, вернется в кристалл, отразится от второго зеркала и т. д. При каждом отражении интенсивность света возрастает за счет разрядки возбужденных атомов хрома. А возбуждение последних поддерживается периодическими импульсами ксеноновой лампы, которые как бы накачивают в кристалл энергию электронного возбуждения. Отсюда и название — «лампа накачки».
Интенсивность света в такой системе могла бы возрастать очень сильно. Но перегрев стержня прекращает генерацию вынужденного излучения. Поэтому в конструкции рубинового лазера — самого распространенного типа оптических квантовых генераторов в наши дни — предусмотрены, во-первых, охлаждение стержня и, во-вторых, своевременный отвод лучистой энергии. Одно из торцевых зеркал делается полупрозрачным, и когда лихорадочно (со скоростью света!) мечущийся внутри стержня от торца к торцу поток излучения достигает гигантской плотности, он вырывается наружу в виде мгновенного (длительностью в тысячные доли секунды) всплеска излучения невиданной яркости.
Рубиновый лазер генерирует излучение в красной области спектра с длиной волны 6943 А (небольшая часть излучения приходится на волну 6929 А). В энергию лазерного импульса преобразуется лишь небольшая часть энергии, излучаемой лампой накачки. Иными словами, коэффициент полезного действия рубинового лазера невелик — около 1%. Но это сравнительно небольшое количество лучистой энергии (мощность современных рубиновых лазеров колеблется от 1—2 до нескольких сот ватт) концентрируется прежде всего в пространстве — в узкий, практически не расходящийся пучок, а также во времени — в короткий импульс излучения. Если лазер генерирует лучистую энергию мощностью 1 Вт (т. е. 1 Дж. в секунду) [Джоуль равен 107 эрг.] и импульсы излучения продолжительностью в 0,001 сек следуют друг за другом с интервалом в 1 сек, то во время каждого импульса концентрация энергии в пучке достигает 1000 Дж. Особенности лазерного излучения, прежде всего его монохроматичность и когерентность, облегчают задачу концентрирования пучка в пятно ничтожного диаметра. Расчеты показывают, что предел концентрации — размер, соответствующий половине длины .волны света, т. е. для рубинового лазера минимальный возможный диаметр пятна — 0,2 мкм. Практически достигнутый предел — несколько меньше 1 мкм.
При такой фокусировке светового луча плотность энергии на единицу площади еще более фантастически возрастает, достигая совершенно невероятных величин, не осуществимых никаким иным способом. Но и это еще не предел — мощность лазерных установок непрерывно возрастает. Кроме того, есть еще один резерв — уменьшение длительности каждого отдельного импульса.
В обычном рубиновом лазере полупрозрачное зеркало препятствует слишком раннему разряду; световой импульс вырывается наружу лишь после достижения какой-то критической плотности светового потока. Если затвор на выходе из кристалла сделать более плотным, концентрацию световой энергии можно еще более увеличить. Но зато и импульс прервется раньше — так что особого выигрыша получить не удастся. Очевидно, выход состоит в том, чтобы сделать затвор переменной плотности: когда световой поток внутри кристалла достигнет предельной плотности, достаточно «раскрыть шлюз», и разрядка даст гигантский импульс еще невиданной концентрации.
Такие лазеры (с переменной, или модулированной добротностью) уже созданы. Общее количество излучаемой энергии в них не увеличивается; возрастает лишь ее концентрация во времени за счет сокращения длительности импульса до 10-12 сек и даже ниже. С помощью лазеров такого типа удается, например, достичь температуры 1—2 млн. градусов и выше — задача, совершенно неосуществимая большинством других способов. Правда, это повышение температуры невообразимо кратковременно и совершается в ничтожном объеме вещества. Но это уже реальность сегодняшнего дня, перед которой меркнут не только зеркала Архимеда, но и пламя самых мощных дуговых печей.
Лазерный луч находит себе применение в опытных установках термоядерной энергетики — с его помощью особенно удобно в кратчайшее время поднять температуру плазмы до предела, за которым становится возможным и энергетически выгодным слияние легких ядер. Можно предполагать, что когда использование термоядерной энергии станет реальностью и из стен лабораторий выйдет на простор промышленной энергетики, лазер займет достойное место в качестве одной из важнейших деталей процесса. Но это лишь одно из бесчисленных реальных применений искусственного Солнца.
...и невозможное становится возможным
Рассказ об удивительных способностях лазерного луча не окончен. Монохроматичность и когерентность и особенно концентрация энергии достигают в лазерном луче невиданных размеров. А количественные изменения рано или поздно приводят к появлению новых признаков, свойств, явлений — нового качества. Таков всеобщий закон объективной диалектики природы, неоднократно подтверждавшийся и подтверждающийся по мере развития научного познания. Лазерный луч — еще одно тому доказательство.
Как влияет мощный световой поток на свойства вещества? Как ведет он себя в прозрачной среде, которая его не поглощает? Над этими вопросами впервые задумался выдающийся советский физик-оптик, будущий президент Академии наук СССР Сергей Иванович Вавилов. В то время, 30—50 лет назад, источники света были маломощными, о лазерах и не мечтали. Законы оптики казались незыблемыми, как египетские пирамиды. Г. Г. Слюсарев в своей книге «О возможном и невозможном в оптике», вышедшей на самом пороге лазерного века, категорически утверждал: невозможно сжигание предметов на большом расстоянии; невозможно получение параллельных пучков светового излучения, переносящих энергию на значительные расстояния; явления преломления и отражения света обратимы (за вычетом рассеяния и поглощения) и т. п.
Лазерный луч ниспроверг все эти и многие другие, дотоле незыблемые твердыни, открыл новую главу науки о свете, получившую название «нелинейной оптики». Лишь С. И. Вавилов пророчески предвидел возможность нелинейных явлений при использовании очень мощных световых потоков. Удивительные физические особенности лазерного излучения нашли выражение в целом ряде новых оптических явлений. Выше уже шла речь о том, что луч лазера можно сфокусировать в пятнышко менее микрона в диаметре. Обычный, немонохроматический луч сфокусировать в точку принципиально невозможно: каждая волна, каждый диапазон частот образует в этом случае свой фокус, а общее пятнышко окажется достаточно большим (явление хроматической аберрации). Луч лазера, сделав невозможное возможным, ниспроверг один из запретов классической оптики.
Но революция в оптике, начатая с созданием оптических квантовых генераторов, этим не ограничивается. Один из классических законов оптики, экспериментально найденный Столетовым и сформулированный Эйнштейном, утверждает, что выбить электрон из металла (фотоэлектрический эффект) может свет определенной частоты и длины волны. Если длина волны света становится больше какой-то величины (так называемого красного порога), то фотоэффект не наблюдается, сколько бы мы ни увеличивали интенсивность освещения. Эйнштейн дал объяснение этому явлению с позиций квантовой теории: каждый фотон света самостоятельно и независимо от других фотонов взаимодействует с электроном, отдавая ему свою энергию. Если этой энергии достаточно для преодоления внутриатомного взаимодействия — электроны вылетают, образуя фототок. Если энергия каждого кванта недостаточна для выбивания электрона — эффекта не будет, как бы много фотонов с малой энергией ни падало на металл. Итак, считалось твердо установленным, что увеличением количества света нельзя компенсировать недостатки его качества, нельзя преодолеть красный порог.
