Лазер... Очень многие про него слышали. А кое-кто даже видел, хотя бы на фотографиях. Ну и что? Ничего интересного: трубка или коробочка, а из нее выходит тоненький лучик, иногда зеленый или синий, чаще — красный. Фонарь и фонарь, ничего особенного. Есть ли о чем тут говорить? Оказывается, есть. И фонарь
этот не простой, и луч тоже не обыкновенный. Он может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету
поразить вражеский самолет, мгновенно просверлить отверстие в алмазе и раскроить тончайшую шел-
ковую ткань. А чтобы понять, как все это получается, сначала придется рассказать о том,

КАК ВОЗНИКАЕТ СВЕТ

Все в мире состоит из атомов — камни и деревья, металлы и газы. Любой, даже самый маленький кусочек вещества — это многие миллионы атомов, и все, что происходит с веществом, отражается на их состоянии. Возьмем, например, кусок железа и начнем его нагревать. Очень скоро мы почувствуем жар, исходящий от него. Нагреваем сильнее, железо начинает светиться сначала темно-вишневым, потом ярко-алым и, в конце
концов, ослепительно белым или чуть голубоватым светом. Почему?

Нагревая вещество, мы передаем его атомам энергию. Атомы при этом переходят в новое, возбужденное состояние, в котором, однако, долго находиться не могут. Они "успокаиваются", испустив порцию энергии,— квант света. Так толпа школьников, накопив энергию за время сидения на уроке, носится по двору,испуская крики, пока не успокоится...

Каждый квант можно представить себе как отрезок волны, летящей со скоростью света. Любая волна характеризуется своей длиной. От длины волны кванта зависит, сколько энергии он может с собой унести: чем меньше длина волны, тем эта энергия больше.
Длина волны красного света больше, чем голубого, и энергии красный квант несет соответственно меньше. Теперь становится понятным, почему при нагревании тела его излучение меняет яркость и цвет. Чем больше излучается квантов, тем ярче делается свечение. Кроме того, свет становится менее желтым, белеет.
Это значит, что в его спектре появляются голубые лучи. Ведь и белье подсинивают, чтобы оно стало белее, иначе оно будет казаться желтоватым. Коротковолновые голубые кванты уносят больше энергии, и именно на их долю приходится теперь большая часть излучения. А почему не все? Почему сильно нагретое тело из-
лучает лучи с разной длиной волны, весь длинный спектр — от тепловых лучей, называемых инфракрасными, до ультрафиолетовых, под которыми так легко загореть на солнце? Потому, что в сильно нагретом веществе возбужденные атомы сами начинают влиять друг на друга, так что на любом, даже самом маленьком,
участке поверхности длина световой волны и сила излучения все время меняются. Атомы отдают свет несогласованно, каждый сам по себе. Такое излучение называют некогерентмым.

Казалось бы, все просто: хочешь получить яркий свет—нагрей как следует нить накала лампы. Но не тут-то было, расчеты показывают, что температура нагрева получается такая высокая, что никакое вещество ее не выдержит. Наше Солнце светит, как тело, нагретое до 6000°, излучая с каждого сантиметра своей по-
верхности 7000 ватт энергии. Но энергия эта, как мы уже выяснили, распределена на всю ширину спектра. Если же мы захотим получить излучение одной длины волны, то на ее долю придется мизерная мощность в сотые доли ватта. Еще поднять температуру? Нельзя. Несколько тысяч градусов—предел для техники. Любой материал при таком нагреве пре вратится в пар. Этот путь повышения яркости для нас закрыт. А нельзя ли передать атому энергию каким-нибудь другим способом, не подвергая его столь жестокому испытанию огнем? Оказывается, можно. Атом способен не только испускать кванты, теряя энергию, но и поглощать их, возбуждаясь. Но атому "не нравится" быть в возбужденном состоянии. Энергию поглощенного
кванта атом стремится тут же отдать, излучить. Поэтому просто осветив кусочек вещества лампой, даже очень сильной, мы ничего не добьемся. Нужно сделать так, чтобы его атомы сначала накопили энергию, а потом все вместе сразу ее отдали, выпустив кванты залпом. Поможет нам в этом явление, называемое вынужденным излучением. Атом может отдать энергию не только самопроизвольно, но и тогда, когда с
ним столкнется посторонний квант, имеющий ту же длину волны, что и излучение атома. После
столкновения получаются два кванта, совершенно неотличимые друг от друга. Оба они имеют одинаковую длину волны и движутся в одном направлении. Движение их согласованно, их максимумы и минимумы совпадают, усиливая друг друга. Несколько миллиардов столкновений, и возникает излучение, когерентное и монохроматичное (то есть одноцветное, от латинских слов "моно»—один и "хром"—цвет). Атомы, испускающие кванты таким образом, похожи уже не на толпу вопящих школьников, а на хорошо спевшийся хор, подчиненный воле невидимого дирижера. Не случайно физики такие системы называют музыкальным термином: "гармонические квантовые ансамбли". Значит, если накопить достаочно большое количество воз-
бужденных атомов, которые будут «жить» в этом состоянии достаточно долго, и если создать мощный поток квантов, летящих в одном направлении, получим систему, способную генерировать когерентный свет и называемую

ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, ИЛИ ЛАЗЕР

Слово "лазер" составлено из первых букв английской фразы, означающей: "усиление света при помощи вынужденного излучения". Сделаем лазер так. Возьмем стержень или пластинку, сделанную из материала, от которого мы хотим добиться излучения. Материал должен быть прозрачным, чтобы свет пронизывал его насквозь. Самые распространенные материалы для стержней—искусственно выращенные кристаллы рубина или граната (или стекло, в которое добавлено небольшое количество редкого элемента неодима). Стержни обычно бывают диаметром от 6 до 20 миллиметров и длиной от 10 до 60 сантиметров. Сам лазер часто именуется по материалу стержня. Так, выражение "рубиновый лазер" совсем не означает, что весь прибор сделан из этого драгоценного камня. Просто внутри него находится кристалл искусственного рубина размером с карандаш. Рядом со стержнем поместим осветитель, его называют лампой накачки. Лампа будет импульсной, вроде тех ламп-вспышек, которыми пользуются фотографы,- все процессы в атомах проходят за миллионные доли секунды, так что надолго включать ее нет смысла. Осветитель вместе со стержнем окружим отражателем, чтобы ни один квант света накачки не пропал зря. Возле торцов рабочего стержня установим два зеркала:сзади — глухое, отражающее весь падающий на него свет (или уголковую призму), спереди — полупрозрачное. Зеркала установим строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня.
Лазер готов. Подключим к лампе накачки провода от источника питания и нажмем пусковую кнопку.
Лампа вспыхнула. Теперь для того, чтобы увидеть, что происходит в лазере, нам потребуется «лупа времени», позволяющая рассмотреть подробности событий, происходящих в миллионные доли секунды. Этой лупой послужит наше воображение.

Итак, лампа вспыхнула. Поток световой энергии обрушился на вещество стержня. Его атомы быстро переходят в возбужденное состояние. С каждым мгновением таких возбужденных атомов становится все больше и больше. Но долго в возбужденном состоянии они не живут, в среднем всего одну стомиллионную долю секунды, а потом переходят в нормальное, невозбужденное состояние.

На рисунке видно, как один атом испустил квант света, за ним—другой, третий... Но кванты эти летят почти поперек стержня. Поэтому, заставив по дороге излучить в том же направлении еще несколько атомов, они быстро его покидают. А лампа горит, и излучившие свет атомы вновь возбуждаются. Но вот совершенно случайно несколько атомов излучили кванты вдоль оси стержня. После каждого столкновения с атомами число квантов удваивается, поток излучения движется вдоль стержня и растет, как лавина. Отражаясь в зеркалах, излучение многократно пронизывает стержень, заставляя все атомы без исключения нести свою долю энергии в общий поток света. Сквозь полупрозрачное зеркало-окошко этот свет вырывается наружу. Вспышка! Ее длительность около одной миллионной доли секунды. А лампа все еще горит, и через три мил-
лионных доли секунды все повторится снова. И опять, и опять, до тех пор, пока яркости света уже
потухающей лампы-вспышки не станет мало для поддержания генерации. Лампа накачки горит около одной тысячной секунды, четверть этого времени она разгорается, столько же времени погасает. Но и за оставшееся время лазер успевает сделать около двухсот вспышек, слитых в один световой импульс длительностью несколько десятитысячных секунд. На скоростном снимке видно, что он похож на гребенку и
состоит из множества коротеньких пиков — отдельных световых вспышек. Поэтому такой режим работы лазера называется пичковым, или режимом свободной генерации, Именно так был сделан и работал первый лазер, построенный на кристалле рубина в 1960 году.

Первый отечественный лазер

Но не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть—увы! — уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркала. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота повторения импульсов зависит от того, насколько хорошо стержень лазера выдерживает высокую температуру. Неодимовые и рубиновые
лазеры дают одну-две вспышки в секунду, лазер на гранате - несколько сотен. Рекордная частота
генерации для импульсного лазера—двенадцать миллионов вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается уже как непрерывное.

Современный мощный лазер с водяным охлаждением

Так что же получается, спросите вы? Импульс света лампы просто превратили в импульс света лазера да еще с потерями. Стоило ли огород городить?! Стоило. Свет этот, полученный с таким трудом, имеет массу необычных свойств. Во-первых, луч его идет, почти не расширяясь. Для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от лампы в пучок. Это
помогает, но мало: уже на расстоянии километра от прожектора луч становится раза в два шире.Лазеру же собирающие зеркала и линзы не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света, потому что в излучении участвуют только те кванты, которые идут вдоль оси стержня. Во-вторых, свет, излучаемый лазером, монохроматичен, он имеет только одну длину волны, один цвет. Белый свет, состоящий из смеси многих длин волн, проходя через оптические детали—линзы и призмы,—может
разлагаться на простые цвета; все видели радугу на небе или на стене, когда свет солнца, как в призмах, разложился в каплях воды, на краю зеркала или стекла буфета. С лазерным лучом этого не произойдет, поэтому его можно сфокусировать в пятно диаметром 0,01 мм.

В-третьих, хотя лазер и использует небольшую долю "накачанной" в него энергии, мощность его вспышки может быть очень велика: сотни и тысячи ватт. Это происходит потому, что мощность вспышки равна ее энергии, деленной на ее длительность—тысячные доли секунды. Мощность электродвигателя, паровой машины, нагревателя, потока излучения и вообще любая мощность измеряется в ваттах. Лампочка, горящая в настольной лампе, имеет мощность 40—60 ватт, утюг—500 ватт, электро-плитка—1000—2000 ватт, то есть
1—2 киловатта, двигатель автомобиля «Москвич»—40—60 киловатт, а моторы мощного самосвала развивают мощность до 2,5 мегаватт (миллионов ватт).

Киловатт энергии может нагреть до кипения ложку воды за одну секунду. Нагреватель мощностью в 400 киловатт за то же время вскипятит литр воды, а источник тепла мощностью 1 мегаватт ежесекундно будет давать 2,5 литра кипятка. Вспомнив, как долго закипает на плите чайник, можно составить некоторое представление о том, какие мощности скрыты в лазерном луче. Солнце, имея температуру шесть тысяч градусов, на одной длине волны излучает мощность в сотые доли ватта. А лазер—тысячи ватт. Возникает вопрос: до какой температуры пришлось бы нагревать вещество, чтобы оно стало светиться так же ярко, как лазер? Ответ получается ошеломляющим. Лазер излучает свет такой же яркости, как тело, нагретое до температуры несколько тысяч миллиардов градусов! Сам он при этом остается холодным. Во всяком случае, те сто—двести градусов, на которые он может нагреться,— ничто по сравнению с температурой, которой не выдержит ни одно вещество на свете. Вот что такое импульсный лазер. Его вспышка несет огромную
мощность—тысячи ватт. Мощность эту можно повысить, увеличив размеры всего лазера. А можно позади лазера поставить еще один лазерный стержень с лампой-вспышкой, то есть еще один лазер, но без зеркал. Импульс света первого лазера заставит сработать второй. Оба световых импульса, сложившись, удваивают энергию вспышки. Но вот беда: с увеличением длины стержня растет и длительность импульса—пока все атомы в длинном стержне испустят световые кванты, пройдет время. Кроме того, размеры стержня нельзя увеличивать беспредельно: чем больше стержень, тем больше потери света в нем. Дополнительная энергия, приобретенная с таким трудом за счет излучения нового участка стержня, полностью теряется из-за погло-
щения света этим же участком. Поэтому стержни даже из лучших материалов нет смысла делать длиннее 50—60 сантиметров, это просто не даст почти ничего, кроме заметного удорожания лазерных деталей. А они и без того недешевы. Значит, этот путь не может нам дать большого увеличения мощности излучения. Но
остается другой: что, если сократить время вспышки, вогнать всю ее энергию в сотни, в тысячи раз меньший промежуток времени? Тогда во столько же раз возрастет и ее мощность! Она будет тогда измеряться уже миллионами ватт. Получится в буквальном смысле

ГИГАНТСКИЙ ИМПУЛЬС

Закроем заднее стекло до тех пор, пока горящая лампа-вспышка не накачает энергию в атомы стержня.
Все атомы возбуждены, а генерация начаться не может: путь для света закрыт затвором. Если теперь на мгновение открыть затвор, то все атомы одновременно испустят световые кванты. Вся энергия вспышки,
раньше выделявшаяся в виде нескольких сот импульсов, теперь оказалась спрессована в один, длитель- ностью в миллиардные доли секунды, импульс. Его мощность можно сравнить с мощностью нескольких крупных электростанций, таких, как Братская ГЭС. Это излучение, да еще сфокусированное в крошечное пятнышко, можно применить для многих целей. Но все-таки это—короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две проволочки и сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое. Его дают

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ