В океане энергии

Рубиновый лазер представляет собой стерженек рубина диаметром 0,5 см и длиной 4 см. Противоположные торцы стержня полируют, для того чтобы они были строго параллельны, и покрывают пленкой серебра. Вот и все. Освещают стерженек подходящим источником света, например ксеноновой лампой-вспышкой, и в ответ очень короткий, около Ю-3 с, импульс когерентного монохроматического излучения огромной мощности. Короткий потому, что атомы в рубине расположены компактно и вынужденные переходы в них осуществляются практически одновременно огромной мощности по той же причине; Имеются способы существенно сократить длительность импульса, доведя ее до Ю-9 с. Тогда мощность в импульсе достигнет 1010 Вт, что превосходит мощность самых больших электростанций мира.

Назад к газам

Располагать потоком световой энергии мощностью в десятки киловатт весьма заманчиво. В конце этой главы мы поговорим о применениях лазеров и мазеров. Но вас не смущает, что уж больно все гладко обстоит с рубиновым лазером? Не бывает так — природа ничего не дает даром. Давайте искать недостатки. Один из недостатков просто лежит на поверхности. В рубине атомы примеси расположены далеко друг от друга; но они все же взаимодействуют и друг с другом, и с атомами основного вещества гораздо сильнее, чем атомы в разреженном газе. Поэтому правильнее говорить не об отдель-' ных энергетических уровнях, а об очень узких, но все же энергетических зонах.

Точность, с которой поддерживается частота излучения рубинового лазера, не идет ни в какое сравнение с точностью частоты мазеров на разреженном газе с механическим разделением. Воспользовавшись терминологией оптиков, скажем, что ширина спектральной линии излучения рубинового лазера в лучшем случае составляет доли ангстрема. Это мало по сравнению, например, с шириной спектральной линии излучения красного фонаря, которым пользуются фотографы. Но все же долям ангстрема соответствуют сотни тысяч мегагерц. Часов, даже очень плохих, на рубиновом лазере не построишь.

Мы обратились к рубину в погоне не за точностью, а за мощностью. И на этом пути нас, конечно, подстерегают неприятности. Как работают трехуровневые схемы? Вещество поглощает от внешнего источника энергию, количество которой пропорционально разности между уровнями 3 и 1, а излучает количество энергии, пропорциональное разности энергий либо между уровнями 3 и 2 либо 2 и 1. То есть поглощается энергии больше, чем выделяется. Избыток поглощенной энергии преобразуется в тепло.

Речь идет о мощностях в десятки киловатт и размерах рубинового стерженька порядка 1 см3. Если бы рубиновый лазер излучал непрерывно, он испарился бы через доли секунды. Но и для импульсного излучения имеются свои пределы. Существует много причин, по которым часть энергии превращается в тепло. Например, неидеальное отражение от торцов рубинового стержня. Так что импульсные лазеры тоже перегреваются. Перегрев из-за потерь энергии — явление в технике очень даже привычное. Давно придуманы меры борьбы с ним — разные способы охлаждения. Рубиновый лазер, для того чтобы он не слишком перегревался, можно обдувать воздушной струей точно так же, как обдувается радиатор автомобиля.

Вот те на! Не успели мы порадоваться, создав конструкцию без всяких насосов, без газовых трубок и замкнутых объемов, как все начинается сначала: насосы, трубки, газовая струя. А что, если объединить два принципа? Сконструировать лазер на газовой струе.

Рассуждать станем так. Каким-то способом, каким — пока не знаем, нам удалось получить газ с инверсией населенностей. Выпустим струю из такого газа, и пусть эта струя проходит в промежутке между двумя зеркалами, благодаря чему и создается лазерное излучение. Газ при этом нагревается, но он тут же выходит из рабочего объема и поэтому нашей конструкции не грозит разрушение от перегрева. Отработавший газ выбрасывать не жалко — после вынужденного излучения атомы в нем вернулись в основные состояния, и он больше не представляет собой активное вещество.

Получается совсем неплохо. Один и тот же газ используется и для излучения, и для охлаждения. Но как сделать газ активным, создать в нем инверсию населенностей? Мы хотим построить мощный лазер, значит, плотность газа должна быть достаточно большой и методы механического разделения здесь не подходят. Атомы газа в отличие от атомов твердого тела непрерывно перемещаются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. В процессе такого взаимодействия происходит непрерывный обмен энергиями. Поэтому в газе все уровни заселены в соответствии с законом распределения, и нельзя выделить отдельные трехуровневые системы, как в твердом теле. В известном смысле из всех состояний вещества газообразное меньше всего подходит для создания инверсии населенностей. Недаром объем с газом всегда используется как классический пример при рассуждениях о распределении по энергиям.