В 1952 году Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым в СССР и Ч.Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире квантового генератора электромагнитного излучения СВЧ (сверх высокой частоты) радиодиапазона. В 1954 году такой квантовый генератор был создан независимо и почти одновременно в Физическом институте имени П.Н.Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Басова и Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч.Таунса). В 1960 году американским физиком Т.Мейманом был запущен первый квантовый генератор, работавший уже не в радиоволновом, а в оптическом диапазоне – лазер.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света (это излучение одной длины волны и одного направления, от латинских слов «моно» – один и «хром» – цвет) с высокой направленностью светового луча. Основной физический процесс, определяющий действие лазера, – это вынужденное испускание веществом излучения, которое происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией атома.

Рассмотрим, как устроен и функционирует твердотельный рубиновый лазер (см. рисунок). Длинный кристалл-стержень из рубина окружён трубчатой лампой-вспышкой в виде спирали. С обоих торцов стержня-кристалла есть два зеркала: одно сплошное, другое полупрозрачное. Импульсная лампа «накачивает» энергию в рубиновый стержень. В результате в нём возникает лавина фотонов. Многократно отражаясь в торцевых зеркалах, она усиливается и вырывается наружу лазерным лучом. Чаще всего в качестве материала для стержней твердотельных лазеров применяют искусственно выращенные кристаллы рубина или граната диаметром 6-20 миллиметров и длиной 10-60 сантиметров.

Рядом со стержнем (параллельно ему или вокруг него) располагается осветитель, его называют лампой накачки. Осветитель должен быть импульсным, вроде тех ламп-вспышек, которыми пользуются фотографы, так как все процессы в атомах проходят за миллионные доли секунды, и надолго включать лампу не имеет смысла. Осветитель вместе со стержнем окружён отражателем, чтобы максимально полно направлять энергию лампы накачки на стержень. Зеркала располагают параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня.

В первые мгновения после включения лазер излучает слабый свет. Но после многократных отражений зеркалами начинает возбуждаться все больше атомов внутри кристалла стержня. Этот процесс нарастает лавинообразно, и через доли секунды стремительный поток красного «рубинового» света прорывается сквозь полупрозрачное зеркало. Часть света продолжает «раскачиваться» между зеркалами, поддерживая непрерывную работу.

Лазеры создаются на основе различных материалов: кристаллов граната или рубина с примесью хрома; стекла с добавками редкоземельных элементов; растворов анилиновых красок в воде, спирте, и других растворителях; полупроводниковых материалов, например, арсенида галлия (это соединение галлия с мышьяком); различных газов и др. Как видите, лазеры бывают не только твердотельными, но и жидкостными, и газовыми. В настоящее время изобретены лазеры самых различных типов и конструкций.

В газовых лазерах между зеркалами находится запаянная трубка с газом, который возбуждается электрическим током (см. рисунок). Трубка газового лазера во время работы светится как газосветная реклама. По ее цвету можно узнать, на каком газе работает лазер: неон светится красным светом, криптон – желтым, аргон – синим.

В газодинамическом лазере свет рождает струя раскалённого газа при давлении в десятки атмосфер (см. рисунок). Проносясь между зеркалами, молекулы ионизированного газа отдают энергию в виде света, рождая устойчивый лазерный луч, выходящий через полупрозрачное зеркало перпендикулярно потоку газа.

В полупроводниковом лазере свет излучается слоем между двумя полупроводниками разного сорта. Атомы вещества, находящиеся в так называемой «переходной зоне», способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперёк зоны и генерировать свет (см. рисунок). Убедитесь, что именно тут лучшие тамада Москвы. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребрённые грани кристалла полупроводника. Весь лазер получается чуть больше пуговицы.

Достаточно широко распространены жидкостные лазеры на красителях. Они так называются потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость наливают в ванночку-кювету, установленную между зеркалами, и во время работы прокачивают насосом через холодильник. Накачкой служит газовый лазер, его луч вводят в кювету через окошко. Меняя кюветы с раствором или меняя выходной светофильтр, можно изменять длину волны излучения (цвет света) в широких пределах.

Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.д.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и др.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

А существует ли в природе нечто, похожее на квантовый генератор? Поскольку лазер это творение человеческих рук, в естественной природе таких условий быть не может, – скажете вы. Но астрономы обнаружили, что некоторые галактики работают как исполинские квантовые генераторы, излучающие электромагнитные волны длиной до нескольких сантиметров. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а накачкой служит космическое излучение. Не исключено, что вскоре будут обнаружены и природные лазеры – квантовые генераторы не радио-, а именно оптического диапазона.

(C) 2013. Иванова Любовь Антоновна (г. Иркутск)