Покоренная плазма

Разница в энергии между четвертым и третьим уровнями неона невелика, поэтому и фотоны, возникающие при вынужденном излучении, обладают небольшой энергией. А чем меньше энергия фотона, тем, как известно, больше длина световой волны. И действительно, газовый лазер излучает наиболее длинные световые лучи — невидимый инфракрасный свет. Длина его волны от 0,6 до 3,4 микрона.

Как видите, газовый лазер коренным образом отличается от рубинового. В нем взаимодействуют два разнородных газа, забрасывание атомов на верхние уровни производится не световой накачкой, а силами электрического поля, и, кроме этого, лазер испускает свет не импульсами, а непрерывно. Последнее обстоятельство, а также то, что в газе меньше плотность активных молекул, объясняет, что газовые лазеры имеют небольшую мощность — доли ватта. Но у них есть целый ряд преимуществ в сравнении с кристаллическими.

Во-первых, газовый лазер дает по частоте исключительно однородный сигнал. Отклонения от основной частоты составляют всего одну десятимиллиардную долю. Такое отклонение обычными оптическими методами невозможно даже измерить — приходится применять специальные, довольно сложные методы.

Во-вторых, газовый лазер не боится резких перепадов температур, чего нельзя сказать о рубиновом. Стержень рубинового лазера при работе очень сильно нагревается, приходится его охлаждать либо воздухом, либо жидким азотом. Но равномерно охладить кристалл не удается: внутренние слои стержня всегда оказываются горячее наружных. А раз так, кристалл может лопнуть, как лопается стакан, когда в него наливают кипяток. Газовый лазер таким недостатком не страдает.

Наконец, третье преимущество газовых лазеров состоит в том, что его можно делать любых размеров, для чего нужно брать необходимой длины разрядные трубки. Размеры кристаллического лазера определяются длиной стержня, который, как уже отмечалось, длиннее тридцати сантиметров не делают. Слишком длинный стержень труднее изготовить и труднее осуществить его световую накачку.

Газовые лазеры только начинают свою жизнь. Описание первого из них было опубликовано лишь в 1961 году. Некоторое время спустя удалось сделать лазер, который, как и рубиновый, создавал видимый, красный свет. В этом лазере, трубка которого тоже наполнялась смесью гелия с неоном, электрический разряд поддерживался постоянным напряжением около 1700 вольт. Полное давление газов в трубке достигало 0,7 миллиметра ртутного столба.

Появились также новые газовые лазеры, создающие инфракрасный свет. Так, разряд в смеси аргона с кислородом, осуществленный в одном из таких лазеров, создавал вынужденное излучение длиной волны около 8,5 микрона. Газовый лазер на смеси криптона и паров ртути излучал инфракрасный свет с длиной волны в 6 микрон. Все это говорит о том, что возможности, которыми обладает плазма как источник вынужденного излучения, только начинают раскрываться. Целый ряд специалистов-физиков, в том числе и профессор В. А. Фабрикант, считают, что в скором времени газовые лазеры среди квантовых усилителей света выйдут на первое место.

Преимущества их, упомянутые выше, позволяют на это надеяться.

Лазер — прибор, который уже сейчас нужен ученым, инженерам, химикам. Как для газовых, так и для кристаллических лазеров имеется непочатый край задач, которые другими средствами выполнить либо труднее, либо невозможно вообще. Какие это задачи, вы сейчас узнаете.

Детище квантовой механики — лазер стремятся взять на вооружение многие науки и отрасли техники. Ученые и инженеры разных специальностей спорят между собой, считая, что лазер с большим эффектом может быть использован именно в данной отрасли, а не в какой-либо другой. Однако возможности, заложенные в этом удивительном приборе, столь велики, что он оказывается полезным и связистам, и врачам, и металлургам, и исследователям космоса.

Связисты, например, считают, что лазеры станут основными устройствами для обеспечивания наземной, космической и даже подводной связи.

Уже испытан лазер в оптическом телефоне. Не провода, а острый луч переносил на большое расстояние человеческую речь.

Яркость луча при разговоре менялась, потом эти изменения вновь преобразовывались в звук. Правда, это были только первые опыты, но есть все основания надеяться, что появятся портативные устройства с лазерами, которые позволят наладить связь в горных и труднодоступных местах, через проливы и т. д.

Многие специалисты предсказывают настоящую революцию, которую совершат лазеры после их внедрения в радиотехнику.

На земном шаре в разных странах ежегодно вступают в строй десятки новых радиостанций, используемых для радиовещания, самолетовождения, радиотелефонной коммерческой связи. В эфире становится тесно. Если не считать радиоволн короче десяти метров, то в эфире могут работать без взаимных помех не более трех с половиной тысяч станций. Применение же лазера позволит передавать одновременно до десяти миллионов телефонных разговоров, программ вещания и телевидения.

Система лазерной связи будет в некоторой степени напоминать современные линии связи, применяемые в телевидении. Сейчас изображение передается при помощи радиоволн длиной в несколько метров. Эти ультракороткие волны, подобно свету, распространяются прямолинейно, поэтому для передачи их на далекие расстояния приходится строить башни радиорелейных линий, либо прокладывать кабель.

В будущем на таких башнях займут свое место лазеры, которые, как по эстафете, будут одновременно передавать и многие программы телевидения, и телефонные разговоры, и вещательные передачи. Антенной в лазерах служит прозрачная фокусирующая линза диаметром всего в несколько сантиметров, тогда как для передачи даже самых коротких радиоволн пришлось бы применять антенны диаметром в несколько десятков метров.

Свет имеет один недостаток: он сильно поглощается частицами пыли, тумана, находящимися в воздухе. Поэтому в тех местах, где атмосфера часто бывает непрозрачной, световой луч лазеров предполагают передавать по трубам. Уже произведены подсчеты, которые показали, что затраты на строительство таких трубопроводов довольно быстро окупятся.

Зато в космосе, где световые лучи не встречают никаких препятствий, лазер станет основным средством связи. Уже сейчас есть лазеры, создающие настолько яркий луч, что он может быть обнаружен на расстоянии шестидесяти пяти и более тысяч километров. Непрерывное совершенствование кристаллических лазеров все больше и больше увеличивает «дальнобойность» их лучей. Газовые лазеры, которые, очевидно, будут выступать в качестве приемников, будут способны отмечать самые далекие, самые слабые световые сигналы. Недавно построен газовый усилитель света со смесью гелия с ксеноном, который в сто тысяч раз усиливает принятый сигнал! Подобных усилителей радиотехника не знает.

Исследователи космоса в недалеком будущем при помощи лазеров будут изучать слабые световые сигналы, приходящие от самых далеких звезд, осуществлять связь между космическими кораблями, получать многочисленную информацию с искусственных спутников Земли и с ракет, заброшенных в межзвездные дали. Высокая направленность луча позволит осуществлять это при небольших мощностях источников питания. Можно обойтись и без таких источников вообще. Для накачки рубинового лазера, как вы знаете, нужен зеленый свет, а его сколько угодно в излучении Солнца. Достаточно сфокусировать солнечные лучи на кристалле, и лазер будет работать на этой даровой энергии.

Пока все это проекты и предсказания. Но уже сейчас найдена одна область применения лазерной связи, в которой новые приборы становятся единственно применимыми, — это под водой, где связь при помощи радиоволн невозможна. До последнего времени для этой цели использовался ультразвук, но он не обеспечивал необходимой дальности и не был достаточно надежным средством связи. Если в рубках подводных кораблей установить лазеры, то они надежно свяжут мореплавателей между собой. Причем, эти лазеры должны испускать не красный, а голубовато-зеленый свет, так как именно такие лучи меньше всего поглощаются морской водой.