Свет 

Что такое лазер?

Сообщение об одном из совместных французско-советских космических экспериментов вызвало у читателей газет чувство восхищения и… множество вопросов.

На советском космическом аппарате, опустившемся на Луну, было установлено зеркало особой формы и конструкции, изготовленное во Франции. Лазер должен был послать с Земли луч света, который, отразившись от зеркала и вернувшись на Землю, позволил бы ученым с большой точностью измерить расстояние до Луны. Судя по снимкам, французское зеркало-отражатель имело очень скромные размеры, не больше полуметра в диаметре.

Что же это за чудодейственный прибор — лазер, обладающий такой снайперской точностью?

Слово «лазер» образовано из начальных букв длинной фразы на английском языке, означающей в дословном переводе: «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Мудрость и восхищение гармонией мироздания владели А.Эйнштейном, доказавшим, в частности, возможность создания лазеров.

Ученые давно обращали внимание на явление самопроизвольного испускания света атомами, происходящее благодаря тому, что возбужденный каким-либо способом электрон вновь возвращается с верхних электронных оболочек атома на нижние. Недаром явление химической, биологической и световой люминесценции, вызванное такими переходами, издавна привлекало исследователей своей красотой и необычностью. Но свет люминесценции слишком слаб и рассеян, Луны ему не достичь…

Каждый атом при люминесценции испускает свой свет в разное время, не согласованное с атомами-соседями. В результате возникает хаотичное вспышечное излучение. У атомов нет своего дирижера!

В 1917 году Альберт Эйнштейн в одной из статей теоретически показал, что согласовать вспышки излучения отдельных атомов между собой позволило бы… внешнее электромагнитное излучение. Оно может заставить электроны разных атомов временно взлететь на одинаково высокие возбужденные уровни.Этому же излучению нетрудно сыграть роль и спускового крючка при «световом выстреле»: направленное на кристалл, оно может вызвать одновременное возвращение на исходные орбиты сразу нескольких десятков тысяч возбужденных электронов, что будет сопровождаться могучей ослепительно яркой вспышкой света, света практически одной длины волны, или, как говорят физики, монохроматического света.

Работа Эйнштейна была почти забыта физиками: исследования по изучению строения атома занимали тогда всех значительно больше.

Перед нами первая страница рукописи главного труда Эйнштейна — теории относительности.

В 1939 году молодой советский ученый, ныне профессор и действительный член Академии педагогических наук В. А. Фабрикант вернулся к введенному Эйнштейном в физику понятию вынужденного излучения. Исследования Валентина Александровича Фабриканта заложили прочный фундамент для создания лазера. Еще несколько лет интенсивных исследований в спокойной мирной обстановке, и лазер был бы создан.

А если природу обмануть каким-нибудь хитроумным способом? Например, подобрать молекулу или атом с двумя возбужденными уровнями и одним нижним, с которого будут «вычерпываться» электроны?

Сильным возбуждением — интенсивным светом, мощным электрическим полем, потоком заряженных частиц — можно заставить электроны из нижнего спокойного положения перепрыгнуть на самый верхний уровень — своего рода перевалочный пункт.

Для получения мощного источника когерентного света необходимо, чтобы на верхних уровнях электронов было больше, чем на нижних. Природа всегда стремится сделать наоборот — ведь нижние состояния более устойчивы и обладают меньшей потенциальной энергией. Это свойство доказал еще в прошлом веке замечательный австрийский физик Больцман. По выведенному им математическому закону распределения на верхних энергетических уровнях частиц всегда должно быть меньше, чем на нижних.

Изобретены лазеры самых различных типов и конструкций, в том числе и такие, в которых электроны в кристалле раскачивает мощный свет, а не электрический ток.

Обычно электроны не способны продолжительное время находиться в возбужденном состоянии, они быстро переходят на прежнее место. Но здесь, в трехуровневой системе, возвращающимся электронам подготовлена близкая площадка для мягкого «приземления» — второй возбужденный уровень, на котором электроны могут пребывать достаточно долго (по атомным масштабам). Во всяком случае, время их жизни на нижнем возбужденном уровне может в десятки тысяч раз превышать время жизни в самом верхнем положении!

Таким оригинальным способом можно создать так называемую «инверсию населенностей», когда на верхних уровнях (вопреки законам природы, справедливым для условий теплового равновесия!) будет больше электронов, чем на нижних.

Остается, кажется, лишь немногое — включить вынуждающее излучение, которое заставит электроны по команде спуститься вниз — и новый, ослепительно яркий источник света получен!

(Продолжение исследований читайте здесь)
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.

Читать далее