Как устроен лазер?

Описанные физические идеи позволили советским академикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу в 1954 году, используя возбужденные молекулы аммиака, разработать «мазер» — мощный излучатель радиоволн. Эта выдающаяся научная работа была заслуженно отмечена Нобелевской премией по физике.

А что, если подобным же образом, изменив состав газа, создать и лазер — источник оптического излучения? Для этого различие между спокойным и возбужденным состоянием газовых молекул по количеству запасенной энергии должно быть в точности равно энергии квантов видимого и невидимого света. А для того, чтобы лазер излучал непрерывно, а не короткими, хотя и сильными вспышками, необходимо все время перебрасывать электроны с нижнего уровня на верхний. Ученые никак не могли придумать, как это сделать.

Опытные доказательства квантовых переходов внутри атома, как и разгадка фотоэлектрического эффекта, позволили всем скептикам, в том числе и самому Планку, удостовериться в реальном существовании частиц излучения. Вывод закона излучения не был простой игрой в формулы.

Макс Планк написал в своих биографических заметках, что новые идеи в науке чаще всего побеждают потому, что постепенно умирают защитники старых. Квантовые взгляды самого Планка пришли в физику, к счастью, не столь грустным и длительным путем.

Лазерным лучом приваривают тончайшие проводки к электронным схемам.Лазеры участвуют в операциях, вырезая поврежденные сосуды и участки кожи.

Все вычисления, сделанные по формуле Планка, расчеты энергии квантов или фотонов разных длин волн с высокой степенью точности совпали с экспериментом. Например, когда квантами определенной энергии облучали атом, для которого было известно энергетическое расстояние между возбужденным и невозбужденным состоянием электрона, электрон всегда послушно перескакивал с одной орбиты на другую, заранее теоретически предсказанную.

Вероятно, именно это обстоятельство и навело ученых на мысль: лучше всех справится с задачей постоянной «переброски» возвратившихся электронов снова с нижнего уровня на верхний… свет, излучаемый самим лазером. Просто надо выпускать из лазера не весь свет — небольшое его количество необходимо вернуть обратно в кристалл для повторного возбуждения электронов.

В 60-х годах нашего столетия были созданы лазеры из различных материалов: из кристаллов рубина с примесью атомов хрома, из стекла с добавками редкоземельных элементов, лазеры газовые, жидкостные, полупроводниковые, химические.

Внешне любой лазер устроен очень просто. Например, кристалл-стержень из рубина обычно окружен трубчатыми лампами-вспышками. Иногда лампа-вспышка изготавливается в виде спирали и надевается на длинный кристалл, напоминая змею, обвивающую трость дрессировщика. С обоих торцов кристалла ставят два зеркала: одно сплошное, другое полупрозрачное.

Слабый свет излучает лазер в первые мгновения. После многократных отражений между зеркалами начинает возбуждаться все больше атомов внутри кристалла. Процесс напоминает лавину в горах, и через доли секунды стремительный поток красного света вырывается сквозь полупрозрачное зеркало. Часть света лазера продолжает раскачиваться между зеркалами, поддерживая непрерывную работу «световой пушки».

Веселый фантазер барон Мюнхгаузен летал верхом на пушечных ядрах и утверждал, что жители Луны воюют друг с другом,восседая на трехглавых гусях. Сколько выдумок подарил бы нам Мюнхгаузен, если бы он хоть раз заглянул в современный оптический телескоп!

Это сравнение не случайно. Лучи света, испускаемые лазером, не только обладают большой энергией и способностью легко сверлить отверстия в стали, пробивать бетонные стены и сваривать самые тугоплавкие материалы. Эти лучи строго параллельны друг другу и мало расходятся в стороны после преодоления очень больших расстояний. Именно поэтому лучи лазера были выбраны для светового выстрела по Луне…

Если на Луну послать пучок радиоволн с помощью, например, радиотелескопа в г. Пущино под Москвой, выполненного в виде зеркальной чаши диаметром 22 метра, то на поверхность естественного спутника Земли попадет лишь небольшая часть сигнала. Пучок радиоволн, пробежав в космосе 300 тысяч километров, расплывается в пятно с поперечником в 30 тысяч километров, намного превышающим размер Луны! Лазер, испускающий невидимые инфракрасные волны, «осветит» на Луне круг диаметром 2—3 километра, а лазерный источник видимых лучей образует пятно еще меньшего размера.

Благодаря этим экспериментам расстояние от Земли до Луны известно с точностью до 10 метров! Прохождению лучей с наземных установок в космос мешает воздушная атмосфера, и ученые задумали установить лазеры на спутниках Земли.

Для измерения расстояния между Землей и Луной советские и французские инженеры использовали именно лазерные лучи. Да и барон Мюнхгаузен, живи он в наше время, несомненно, выбрал бы для путешествия на Луну и для разведывательных полетов в лагерь неприятеля легкий и точный луч лазера…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.