100 знаменитых изобретений

Пристинский Владислав Леонидович

В 1900 г. немецкий физик М. Планк предположил, что излучение испускается небольшими порциями, которые он назвал квантами. С помощью квантовой теории Н. Бор построил новую модель атома с устойчивыми орбитами. Пока электроны находятся на этих орбитах, излучаемая ими энергия равна нулю. Излучение происходит в том случае, если электрон перейдет на орбиту с более низким энергетическим уровнем. В 1905 г. А. Эйнштейн, исследую фотоэффект, распространил квантовую теорию Планка на световые лучи. Квант света получил название «фотон».

Ученые давно обращали внимание на явление самопроизвольного испускания света атомами,

происходящее потому, что возбужденный каким-либо способом электрон вновь возвращается с верхних электронных оболочек атома на нижние. Такими переходами вызваны явления химической, биологической и световой люминесценции. Но люминесцентный свет слишком слаб и рассеян, поскольку каждый атом при люминесценции испускает свой свет в разное время, не согласованное с атомами-соседями. В результате возникает хаотичное вспышечное излучение.

В 1916 году А. Эйнштейн установил, что согласовать вспышки излучения отдельных атомов между собой позволило бы внешнее электромагнитное излучение, например свет. Оно может заставить электроны разных атомов одновременно взлететь на одинаково высокие возбужденные уровни. Это же излучение может произвести «световой выстрел»: направленное на кристалл, оно может вызвать одновременное возвращение на исходные орбиты сразу нескольких десятков тысяч возбужденных электронов. Это приведет к испусканию огромного количества квантов электромагнитной энергии. Направление и фаза колебаний квантов будет совпадать с направлением и фазой падающей волны. В результате энергия выходной волны будет многократно превосходить энергию волны, которая была на входе. Внешне это будет выглядеть как ослепительно яркая вспышка света практически одной длины волны или монохроматического света.

В 1917 г. Эйнштейн описал это в своей статье, но она прошла незамеченной, поскольку в то время больше внимания уделяли исследованиям по изучению строения атома. В 1939 году советский физик В. А. Фабрикант вернулся к введенному Эйнштейном понятию вынужденного излучения и обосновал возможность получения интенсивности излученного света, превышающей интенсивность падающих лучей. Его исследования заложили прочный фундамент для создания лазера. В 1951 г. В. А. Фабрикант, Ф. Бутаев и М. Вудынская получили авторское свидетельство на «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и радиоволн)».

Особенностями лазерного излучения являются монохроматичность, параллельность и когерентность. Монохроматичность, или одноцветность, означает, что лазер испускает свет, имеющий одну длину волны. Это позволяет фокусировать его в одну точку сверхмалых размеров с большой удельной мощностью. Этого нельзя сделать, например, с солнечным светом, поскольку он состоит из лучей разного цвета, которые при попытке собрать их в точку аналогичных размеров будут фокусироваться на различном расстоянии от линзы. Лучше всего фокусируются параллельные лучи, имеющие малую расходимость светового потока. Как правило, такие лучи имеют малую энергию, но в лазере удалось преодолеть это противоречие. Высокая мощность лазерных лучей обусловлена еще и когерентностью. Это означает, что световые колебания в них находятся в строго одинаковой фазе.

Примером простейшего лазера может служить оптический резонатор, состоящий из двух параллельных полупрозрачных зеркал, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Между ними помещается активная среда, электроны которой находятся на одинаково высоких уровнях возбуждения. При дополнительном возбуждении фотоны, испускаемые активной средой, попадают на зеркало и при этом частично проходят через него, частично отражаются и летят в противоположном направлении. При этом волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра, попадает в наиболее благоприятные условия и усиливается.

В том случае, если усиление превышает потери волны при отражении, волна будет усиливаться до тех пор, пока не достигнет некоторого предельного значения. После этого между зеркалами устанавливается стоячая волна и сквозь полупрозрачные стекла наружу выходит поток когерентного излучения.

В 1940-е годы советские ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов изучали поглощение радиоволн газами. Выяснилось, что любой газ поглощает волны определенной длины. Это натолкнуло на мысль использовать газы в роли генератора, в котором источниками излучения служили бы молекулы возбужденного газа.

В качестве активной среды Прохоров и Басов выбрали аммиак NH₃. Для того чтобы генератор начал работать, следовало отделить возбужденные молекулы от тех, которые пребывали в невозбужденном состоянии и поглощали фотоны. Для этого в сосуд, в котором был создан вакуум, впускался тонкий поток молекул. Они пролетали через конденсатор высокого напряжения, при этом молекулы, обладающие большой энергией, проходили через его поле, а молекулы с малой энергией уходили в сторону. Далее молекулы с высокой энергией попадали в оптический резонатор, в котором возникала генерация излучения со стабильной частотой, совпадающей с частотой излучения молекул аммиака.

В 1954 г. Басов и Прохоров создали в СССР первый квантовый генератор. Почти одновременно такой прибор, названный мазером, был создан в США Ч. Таунсом, Дж. Гордоном, Г. Зейгером. Эти приборы генерировали не световые, а радиоволны длиной 1,27 см.

В 1964 г. Басов, Прохоров и Таунс за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию квантовых генераторов и усилителей, были удостоены Нобелевской премии по физике.

Для создания лазера, генерирующего излучение в видимом диапазоне спектра, было необходимо: найти активное вещество, способное переходить в возбужденное состояние; создать источник возбуждения, способный сообщать активному веществу дополнительную энергию и переводить его в возбужденное состояние; найти источник энергии для подпитки источника возбуждения.

Первым лазером, работавшим в оптическом диапазоне, стал аппарат, созданный в 1960 г. американцем Т. Мейманом. В качестве рабочего вещества в нем использовался монокристалл искусственного рубина. В качестве отражающих зеркал резонатора служили отполированные и посеребренные торцы этого кристалла. Источником накачки служили две газоразрядные лампы-вспышки. На их электроды поступал импульс высокого напряжения с основного и вспомогательного конденсаторов блока запуска. Это напряжение составляло примерно 40 000 вольт. Импульс вызывал кратковременную (примерно 10^{– 3} с) и мощную вспышку ламп. Благодаря такой накачке кристалл рубина может дать в импульсе энергию до 1000 Дж и мощность до 10⁶ Вт.