Лазеры. 
Концепции современного естествознания

В 1964 г. Нобелевская премия по физике была присуждена двум русским физикам А. М. Прохорову и Н. Г. Басову, а также американцу Ч. X. Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера». Эти три автора стали первопроходцами в области квантовой электроники. Они выступали разом как в качестве техникологов, так и физиков. Нас в данном случае интересует физическая сторона дела^[1].

Рис. 2.21. Поглощение и излучение фотонов электронами при их переходе с одного уровня на другой.

В составе атома электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. При соответствующих условиях, поглощая или излучая фотоны, они переходят с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения всецело определяется величиной Е = Е₂— Е_х На рис. 2.21 схема а) соответствует поглощению фотона электроном, который в результате переходит на энергетический уровень Е₂. Схема б) изображает спонтанное излучение фотона электроном. В результате электрон переходит на энергетический уровень Еу и излучается один фотон. Спонтанное излучение электронами фотонов допускается законами квантовой теории поля. Особый интерес представляет случай в), а именно вынужденное излучение. Оно вызывается фотоном, который не поглощается, но тем не менее инициирует излучение нового фотона. В итоге электрон переходит на энергетический уровень Е_х а к индуцирующему фотону добавляется еще один фотон. Их стало два, т. е. произошло усиление светового потока. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон.

Рассматриваемый тип вынужденного излучения впервые был предсказан А. Эйнштейном в 1916 г., а объяснен с квантово-полевых позиций П. Дираком в 1927 г. Эти же ученые объяснили, что вынужденное излучение может доминировать над поглощением фотонов лишь в случае, если число атомов с Е₂ значительно превосходит число атомов с энергией Е_{. Для возникновения вынужденной генерации необходимо, чтобы населенность энергетического уровня Е₂ была значительно выше населенности энергетического уровня Е_х. В естественных условиях населенность низкоэнергетического уровня всегда выше населенности более высокого уровня. Это объясняется тем, что атомная система, сохраняя свою идентичность, всегда стремится к энергетическому состоянию с наименьшей энергией. В естественных условиях оно достигается главным образом за счет спонтанного излучения электронами фотонов. Если населенность уровня Е₂ больше, чем населенность уровня Е_{ то говорят, что вещество находится в инверсном (от лат. inversio — переворачивание, перестановка) состоянии.

Инверсное состояние вещества достигается за счет механизма, называемого накачкой. Он состоит в том, что на рабочее вещество тем или иным способом, например посредством электрического разряда, солнечного излучения или специально побранных химических реакций, осуществляется воздействие.

Итак, вынужденное излучение было осмысленно уже в первой трети XX столетия. «Но, — как подчеркивал А. М. Прохоров, — самое интересное — никто не сказал, что можно на этой основе сделать генератор… Это принципиальная вещь, генератор монохроматического излучения. Это как раз и являлось краеугольным камнем в развитии лазерной техники. Это была революция». И далее: «Ни один теоретик, никто не сказал, что это можно сделать. Никто нас не поддержал — вот это я четко вам (интервьюеру. — В. К.) могу сказать»^[2].

Решающая идея состояла в том, что активную среду необходимо поместить в резонатор, состоящий из двух зеркал — непрозрачного и полупрозрачного (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Оптический резонатор

Среда начинает испускать спонтанное излучение во все стороны. Внутри рабочего вещества остается лишь то излучение, которое движется строго перпендикулярно зеркалам. Если резонатор настроен на частоту этой части излучения, то оно, многократно отражаясь от зеркал, выполняет роль тех фотонов, которые вызывают вынужденное излучение. Это означает, что существует обратная связь между излученными фотонами и атомами, находящимися в инверсном состоянии. Открытие этой обратной связи как раз и стало основным концептуальным подвигом Прохорова, Басова и Таунса. Это открытие позволило создать мазеры и лазеры.

Мазер (сокращение от англ, microwave amplification by stimulated emission of radiation — усиление микроволн с помощью вынужденного излучения) является генератором электромагнитных волн сантиметрового диапазона, невидимых человеческим глазом. Лазер (сокращение от англ, light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения) — оптический квантовый генератор. Первые мазеры были изготовлены соответственно в США и СССР в 1954 и в 1955 гг. Первые лазеры были созданы на шесть лет позже, в США — в 1960 г. и в 1961 г. в СССР.

Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX столетия. Применение лазеров настолько широко, что описание их применения выходит за рамки данного параграфа. Укажем лишь, что лазеры широко используются не только в науке и в промышленности, но и в быту. Лазеры содержат музыкальные центры, DVD-плееры, компьютеры с CD/DVD-приводом, лазерные принтеры, сканеры, лазерные указки, лазерные рулетки. Лазерные шоу стали любимым зрелищем современной молодежи. Впрочем, далеко не каждый из их участников знает, что лазеры стали возможны благодаря научным открытиям целой плеяды выдающихся физиков, прежде всего А. М. Прохорова, Н. Г. Басова и Ч. X. Таунса. Пожалуй, следует отметить, что эти три автора никогда не оспаривали друг у друга приоритет разработки физических оснований квантовой электроники.

Выводы

• • Успехи квантовой физики стимулировали развитие квантовой электроники.
• • Мазеры и особенно лазеры стати триумфом способности человека использовать физические законы в своих интересах. Человек не в состоянии отменить эти законы, но он способен их использовать такими изощренными способами, до которых природа «не додумалась».

• [1] При этом мы во многом руководствуемся следующей интернетовской публикацией. URL: http://www.teachmen.ru/work/Laser_lec/
• [2] Интервью с академиком А. М. Прохоровым. URL: http://www.//vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VIET/PROKI IOROV. HTM