Философия оптимизма

В 40-е годы радиотехника вплотную подошла к задачам, которые нельзя было решить без квантовых представлений. В обычных радиоприемниках прием передачи затрудняется изменением частоты, «наползанием» одной станции на другую, вообще тем обстоятельством, что «спектральная линия» радиопередатчика широка, т. е. интервал частот очень велик.

Многие применения радиотехники (в их числе — наиболее перспективные, определяющие будущее) требуют, чтобы интервал частот электромагнитных колебаний при радиопередаче был очень узким, чтобы радиостанции не мешали друг другу при одновременной работе. В спектроскопии существует представление о монохроматическом свете с очень узкой спектральной полосой. Теперь понятия спектроскопии проникли в радиофизику. Оказалось, что. при разработке новых методов получения весьма монохроматических и стабильных по частоте колебаний нужно пользоваться понятиями квантовой физики. Дело в том, что широкие интервалы частот объясняются макроскопическим характером передатчиков. Этот макроскопический характер радиотехники заслоняет дискретный характер излучения, существование отдельных квантов электромагнитного поля. В 50-е годы стали подходить к очень слабым сигналам, представляющим собой весьма стабильные по частоте волны с очень малым разбросом частот. Их научились усиливать. Но теория таких сигналов оказалась в значительной мере за пределами классической физики. За ее пределами оказались новые принципы генерации когерентного излучения квантовых систем, которое имеет не только одну и ту же частоту, но и одну й ту же фазу в каждый момент.

Ключом к получению монохроматического и когерентного излучения были созданные в середине 50-х годов приборы, основанные на индуцированных переходах атомных систем с одних энергетических уровней на другие. Теория таких переходов — квантовая теория. Она вытекает из модели Бора, а сами переходы были предсказаны Эйнштейном. Речь идет о так называемом индуцированном излучении. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал статью «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» [51]. В ней речь идет о квантовой системе, т. е. системе частиц, которая испускает и поглощает кванты излучения, изменяя свою структуру. В качестве конкретного примера квантовой системы можно взять атом, состоящий из ядра и электронов и обладающий двумя уровнями энергии. Эти уровни можно представить себе как две электронные орбиты, одна из которых ближе к ядру (нижний уровень), а другая дальше от него (верхний уровень). Разумеется, можно было бы взять не атом, а молекулу, которая при одной конфигурации атомов обладает более высокой, а при другой — меньшей энергией. Но мы будем пока рассматривать в качестве примера излучения не молекулы, а атома.

Переходы электронов с одного уровня на другой могут быть спонтанными, но могут быть вызваны и действием излучения, потока фотонов. Существует двоякое взаимодействие атома с излучением. В одном случае фотон просто поглощается атомом, а в другом — атом излучает новый фотон. В 1927 г. Дирак заметил, что новый фотон неотличим от старого, он обладает той же энергией и тем же направлением. Если на верхнем уровне находится большое число электронов, они все синхронно переходят на более низкий уровень и тогда излучаются фотоны той же энергии и того же направления, но таких фотонов будет больше, чем в падающем излучении. Таким образом, создается возможность усиления излучения-за счет индуцированного излучения квантовых систем. Подобная возможность реализована в лазерах (название «laser» составлено из начальных букв английского названия эффекта: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света вынужденным излучением).

Лазеры — это приборы, основанные на принципе индуцированного излучения в оптическом диапазоне. Этим они отличаются от мазеров, использующих такое излучение в радиодиапазоне и представляющих собой другую ветвь квантовой электроники. Применение индуцированного излучения в оптическом диапазоне ближе и более явным образом связано с неклассической физикой, с квантовыми представлениями, чем в радиодиапазоне.

В чем же состоят особенности этого светового луча, усиленного вынужденным, индуцированным излучением, позволяющие видеть в нем провозвестника новой эпохи научного и технического прогресса?

Это прежде всего узкая полоса частот, высокая монохроматичность излучения. Далее, когерентность — тот факт, что вынужденное, индуцированное излучение разных атомов происходит согласованно, в одной фазе. Лазер позволяет получить мощное монохроматическое излучение. Свойством лазерного луча является его острая направленность, тот факт, что луч лазера не расширяется, вернее, очень мало расширяется. Лазер может давать пучок света большой мощности и высокой направленности излучения[52].