Покоренная плазма

К сожалению, не все лучи импульсной лампы полезны для лазера. Нужны только зеленые. Поглощая фотоны этого света, атомы хрома возбуждаются и с первого попадают на третий уровень. Однако здесь они долго не задерживаются. Отдав небольшую часть энергии соседним атомам кристалла, причем, эта энергия идет на нагрев, они оказываются на более низком, втором уровне. В этом состоянии они могут находиться сравнительно долго — почти три тысячных доли секунды.

Цель световой накачки в том и состоит, чтобы побольше атомов оказалось на втором уровне. Если мощность спиральной лампы велика, то это сделать удается: второй уровень оказывается более заселенным, чем первый, иными словами, возбужденных атомов будет значительно больше, чем не возбужденных.

А дальше происходит следующее. Предположим, какой-либо атом хрома самопроизвольно «сорвался» со второго уровня. Значит, он испустил фотон. Пролетая мимо соседнего возбужденного атома, этот фотон вынудит и того «выстрелить» фотоном. Эти два фотона «высветят» еще два — получится уже четыре фотона, потом восемь, потом шестнадцать и т. д. Получается фотонная лавина — вынужденное излучение атомов хрома.

Чтобы это излучение получилось мощным, нужно, очевидно, увеличить путь луча внутри стержня. Значит, нужно брать более длинные стержни? Нет, в лазерах обычно ставят рубиновые стержни длиной от пяти до тридцати сантиметров, а путь луча увеличивают при помощи зеркал. Торцы стержня шлифуются и покрываются тонким слоем серебра. Наткнувшись на такое серебряное зеркало, фотонная лавина отражается и на обратном пути присоединяет к себе излучение новых возбужденных атомов хрома. То же самое происходит, когда она встретится с противоположным зеркалом. Так и мечутся лучи внутри рубинового стержня, все больше и больше наращивая свою мощь.

Вы можете спросить, что будет, если фотонная лавина движется не вдоль оси стержня, а под углом? Ведь она, отразившись от одного зеркала, не попадет на второе! Да, такое тоже случается. В стержне может возникнуть несколько фотонных лавин, но усиливаться будет только та из них, которая падает строго перпендикулярно к зеркалам, остальные лавины и излучения отдельных атомов просто покинут рубиновый стержень. Но это не страшно: в каждом кубическом сантиметре рубина содержится более миллиарда миллиардов атомов хрома. И даже если они не все возбуждены, нужной нам фотонной лавине развернуться есть где.

Как же луч света выводится из рубинового стержня наружу? Довольно просто: одно из зеркал делается полупрозрачным. Столкнувшись с ним, лавина фотонов отражается обратно не вся, часть лучей прорывается через зеркало и выходит наружу. Это и есть полезное излучение лазера.

Теперь посмотрим, какого цвета будут лучи, испускаемые лазером. Зеленые? Ведь атомы хрома, возбуждаясь, поглотили из света накачки именно такие лучи! Значит, и отдать они должны точно такой же свет. Это было бы так, если бы атомы, излучая, спускались с третьего уровня, куда их забросили при накачке. На самом же деле вынужденное излучение возникает, когда атомы оказываются на более низком, втором уровне. Значит, становясь нормальными, попадая на первый уровень, они должны испускать фотоны меньшей энергии, чем у фотонов зеленого света. Так оно и получается в действительности: свет лазера красный, длина его волны 0,6943 микрона.

Лазер — это генератор света. Питаясь зелеными лучами лампы накачки, он создает красные лучи — лучи когерентного света, обладающие большой направленностью. Если луч лазера направить на Луну, то он создаст на ее поверхности пятно диаметром всего в 2 километра. Чтобы получить такой же эффект обычным способом, например, при помощи параболического отражателя, нужно взять зеркало диаметром в 150 метров!

Но, кроме острой направленности излучения, у лазера есть еще одно важное преимущество — большая мощность луча.

Рубиновый лазер работает, как правило, отдельными вспышками. Они очень коротки — тысячные доли секунды. Чтобы определить мощность вспышки, нужно энергию световой вспышки в джоулях разделить на длительность вспышки в секундах. Известная формула из школьного курса физики. Как вы, наверно, помните, мощность получается в ваттах.

Теперь обратимся к цифрам. Недавно в печати было опубликовано сообщение, что создан лазер с выходной энергией в 350 джоулей. Вроде бы не очень много. Но он эту энергию «выплескивает» за 0,0005 секунды. Значит, луч имеет мощность в 70 киловатт! А ведь первые лазеры имели мощность в единицы киловатт.

В физических лабораториях идет постоянная борьба за мощность светового луча. Ученые нацелились уже на миллионы ватт, или мегаватты. Лазеры с такой мощностью созданы.

Я рассказал о работе рубинового лазера. В нем главные события происходят в кристалле — в твердом теле. Но и такой лазер без плазмы обойтись не может: накачка в нем осуществляется плазменной импульсной лампой. Неужели роль плазмы в этих удивительных приборах этим только и ограничивается? Конечно, нет.

Прошло еще очень немного времени после появления рубиновых лазеров, как стало известно, что разработан лазер нового типа. Этот собрат совсем не был похож на своего предшественника: у него не было ни стержня-кристалла, ни лампы накачки. И работал он не отдельными вспышками, а непрерывно испускал когерентный направленный свет.

Что это был за прибор? Давайте посмотрим.

У нас обыкновенная кварцевая трубка длиной около метра и диаметром полтора сантиметра. На концах — кольца-электроды, к ним тянутся провода от высокочастотного генератора. В трубке заперты гелий и неон — инертные газы которые превратившись в плазму, становятся деятельными создателями когерентного света. Трубка отличается от обычных лишь тем, что у ее концов установлены два зеркала. Лазер! — догадываетесь вы, и эта догадка верна.

В трубке атомов гелия в десять раз больше, чем неона. Такая пропорция не случайна. Когда включается высокочастотный генератор и в трубке зажигается тлеющий разряд, электроны чаще всего сталкиваются с атомами гелия и возбуждают их. Атомы гелия оказываются на втором уровне, на котором в атомных масштабах могут быть довольно долго. Такие возбужденные атомы сталкиваются с атомами неона и отдают им свою энергию.

У неона ступеньки уровней расположены чаще, чем у гелия. Поэтому, когда атом гелия избавится от энергии и вернется на первый уровень, атом неона, получив эту энергию, оказывается заброшенным на свой четвертый уровень. Второй уровень атомов гелия и четвертый неона совпадают. Так как в трубке атомов гелия значительно больше, чем атомов неона, то порции энергии идут от гелия к неону. Получается накопление атомов неона на четвертом уровне.

Но ведь атомы стремятся соскользнуть на более низкий уровень. Такие самопроизвольные переходы случаются и с атомами неона: они с четвертого спускаются на третий уровень. Но этот уровень напоминает скользкую ступеньку: на ней атомы почти не задерживаются и скатываются еще ниже. И несмотря на то что на третий уровень атомы неона подбрасываются еще и соударениями с электронами, все равно на нем их оказывается меньше, чем на более высоком, четвертом, уровне. А это как раз и является условием для возникновения вынужденного излучения атомов неона.

Как рождается вынужденное излучение в активной среде, вы уже знаете из рассказа о рубиновом лазере. Фотон, возникший при самопроизвольном переходе какого-либо атома неона с четвертого на третий уровень, пролетая мимо возбужденного до четвертого уровня атома неона, заставляет и его тоже перейти на третий уровень и испустить фотон. Дальше процесс повторяется, и в плазме возникает фотонная лавина. Многократно отражаясь от зеркал, эта лавина разрастается, и часть ее вырывается через одно полупрозрачное зеркало. Непрерывным потоком струится из газового лазера когерентный свет.