Солнечный луч

Фотореактивация — недавно открытое явление. Изучение его идет быстрыми темпами. Использование скрытой гигантской силы лучей солнечного спектра откроет новые пути в овладении силами и тайнами природы.

Глава VI. Лазерный луч

В предыдущих главах этой книги речь шла об отдельных областях спектра солнечного излучения — видимом свете, ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, различающихся длиной волны и энергией квантов. Действие их на организм было различным именно в силу этих особенностей. Излучение лазеров — искусственного Солнца, созданного руками человека, относится к тому же оптическому диапазону, что и свет настоящего Солнца. Различий в длине волны, частоте колебаний, энергии квантов между излучением лазера и светом Солнца нет. И все же отличие существует, и настолько разительное, что с открытием лазеров в оптике появилась новая глава. Посвятим и мы последнюю главу книги о солнечном луче особенностям его рукотворного собрата.

До сих пор мы рассматривали только один физический механизм излучения квантов света: скачкообразный возврат возбужденного (т. е. обладающего избыточной энергией) электрона в основное, невозбужденное состояние. Избыточная энергия высвечивается при этом в виде кванта излучения, величина которого точно соответствует разности энергетических уровней (возбужденного и основного). Но есть, оказывается, еще один способ высвечивания — так называемое вынужденное, или стимулированное излучение, принципиальную возможность которого еще в 1905—1917 гг. предсказал Эйнштейн. Сущность этого явления, лежащего в основе лазерного излучения, состоит в следующем.

Возбужденный электрон нередко растрачивает некоторую часть своей избыточной энергии в виде мелких квантов инфракрасного излучения, соответствующих энергетическим уровням колебания и вращения атомных ядер. При этом возбужденный электрон переходит на промежуточный метастабильный (триплетный) уровень возбуждения. Чтобы вернуться в исходное основное состояние, электрон, угодивший в триплетную «яму», должен проделать довольно сложный путь: сначала вернуться на главный (синглетный) возбужденный уровень,— а для этого нужно приобрести растраченную ранее энергию,— и затем скачком возвратиться на невозбужденный уровень, отдав избыточную энергию в виде кванта излучения. Таков «обычный», уже знакомый нам механизм.

Но электрон, пребывающий на метастабильном уровне, т. е. в состоянии неустойчивого равновесия, может столкнуть также квант света, пролетающий мимо, если он обладает энергией, точно соответствующей разнице энергий метастабильного и основного уровней атома. Мы встречаемся здесь вновь с разновидностью явления электронного резонанса. В результате вынужденной разрядки метастабильного возбужденного состояния электрон возвращается в невозбужденное, основное состояние, а вместо одного кванта мы имеем два кванта, обладающие одинаковой энергией, длиной волны (а значит, и частотой) и, что самое удивительное, одинаковой фазой колебаний (см. рис. 20), и распространяющиеся в одном направлении.

Рис. 20. Схема вынужденного излучения атомов

а — поглощение фотона с переходом атома в возбужденное состояние; б — спонтанный возврат атома в основное состояние с излучением фотона; в — вынужденное излучение с образованием двух фотонов, обладающих одинаковой энергией, частотой и фазой колебаний

Свет — это диалектическое единство прерывности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств. В обычных температурных источниках света возникающие фотоны движутся хаотически, освобождаются несинхронно и отличаются определенным, более или менее выраженным, статистическим распределением частот и длин волн. Поэтому излучение обычных источников (в том числе и Солнца) полихроматично, ибо содержит всегда довольно широкий набор длин волн — «разноцветное» свечение; оно некогерентно, так как каждый квант излучается как бы сам по себе, вне связи с другими, и распространяется поэтому непараллельно с другими квантами и не в одной с ними фазе колебаний.

Стимулированному излучению присущи совершенно новые свойства. Вследствие явления резонанса квант «вынуждающий» и квант «вынужденный» имеют одинаковую (или, строго говоря, очень близкую) энергию, длину волны и частоту колебаний. Лазерное излучение поэтому в высокой степени монохроматично. Конечно, и в свете обычных источников можно искусственно выделить интересующую нас узкую спектральную область, если, например, луч Солнца с помощью мощной призмы развернуть в полосу спектра и затем весь спектр, кроме избранной узкой полосы, экранировать и поглотить. Но какую бы узкую часть спектра мы ни старались выделить, она будет содержать лучи с несколькими различными частотами и длинами волн. Кроме того, по мере повышения монохроматичности пучка лучей интенсивность его резко падает, вплоть до ничтожной величины.