Покоренная плазма

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 хрома составляла 0,05 процента.

Вынужденное излучение в рубине создают атомы хрома. Как это происходит?

Чтобы возникло вынужденное излучение, нужно, как вы уже знаете, создать активную среду, в которой большинство атомов хрома оказалось возбужденными. Очевидно, для этого нужна энергия. В опытах профессора В. А. Фабриканта использовалась энергия движущихся зарядов, здесь — световая энергия. Рубиновый стержень помещен внутрь спирали импульсной ксеноновой лампы. Она похожа на лампу фотовспышки, только имеет значительно большую мощность.

К электродам спиральной лампы — ее называют лампой накачки — тянутся провода от батареи конденсаторов. Включив высоковольтный выпрямитель, заряжают батарею до нескольких тысяч вольт, и это напряжение подается на электроды лампы накачки. Но разряд внутри нее пока не наступает. Его нужно поджечь. Для этого от небольшого трансформатора подают высоковольтный импульс. Как и в фотовспышке, этот импульс попадает на поджигающий электрод — пластинку, расположенную рядом со спиральной лампой. Импульс ионизирует газ в лампе, и теперь батарея конденсаторов разряжается через лампу. Сотые доли секунды живет плазма в спиральной лампе, но за это время лампа испускает мощный поток света.

К сожалению, не все лучи импульсной лампы полезны для лазера. Нужны только зеленые. Поглощая фотоны этого света, атомы хрома возбуждаются и с первого попадают на третий уровень. Однако здесь они долго не задерживаются. Отдав небольшую часть энергии соседним атомам кристалла, причем, эта энергия идет на нагрев, они оказываются на более низком, втором уровне. В этом состоянии они могут находиться сравнительно долго — почти три тысячных доли секунды.

Цель световой накачки в том и состоит, чтобы побольше атомов оказалось на втором уровне. Если мощность спиральной лампы велика, то это сделать удается: второй уровень оказывается более заселенным, чем первый, иными словами, возбужденных атомов будет значительно больше, чем не возбужденных.

А дальше происходит следующее. Предположим, какой-либо атом хрома самопроизвольно «сорвался» со второго уровня. Значит, он испустил фотон. Пролетая мимо соседнего возбужденного атома, этот фотон вынудит и того «выстрелить» фотоном. Эти два фотона «высветят» еще два — получится уже четыре фотона, потом восемь, потом шестнадцать и т. д. Получается фотонная лавина — вынужденное излучение атомов хрома.

Чтобы это излучение получилось мощным, нужно, очевидно, увеличить путь луча внутри стержня. Значит, нужно брать более длинные стержни? Нет, в лазерах обычно ставят рубиновые стержни длиной от пяти до тридцати сантиметров, а путь луча увеличивают при помощи зеркал. Торцы стержня шлифуются и покрываются тонким слоем серебра. Наткнувшись на такое серебряное зеркало, фотонная лавина отражается и на обратном пути присоединяет к себе излучение новых возбужденных атомов хрома. То же самое происходит, когда она встретится с противоположным зеркалом. Так и мечутся лучи внутри рубинового стержня, все больше и больше наращивая свою мощь.

Вы можете спросить, что будет, если фотонная лавина движется не вдоль оси стержня, а под углом? Ведь она, отразившись от одного зеркала, не попадет на второе! Да, такое тоже случается. В стержне может возникнуть несколько фотонных лавин, но усиливаться будет только та из них, которая падает строго перпендикулярно к зеркалам, остальные лавины и излучения отдельных атомов просто покинут рубиновый стержень. Но это не страшно: в каждом кубическом сантиметре рубина содержится более миллиарда миллиардов атомов хрома. И даже если они не все возбуждены, нужной нам фотонной лавине развернуться есть где.

Как же луч света выводится из рубинового стержня наружу? Довольно просто: одно из зеркал делается полупрозрачным. Столкнувшись с ним, лавина фотонов отражается обратно не вся, часть лучей прорывается через зеркало и выходит наружу. Это и есть полезное излучение лазера.