Кванты и музы

Лазеры, почти невидимые глазом, и проводящие свет прозрачные плёнки и волокна толщиною в тысячные доли миллиметра, линии задержки импульсов, специальные оптические системы памяти, основанные на принципах голографии, — таковы ЭВМ будущего. Уже сегодня в лабораториях можно увидеть совершенно удивительные, невиданные прежде образцы узлов оптических ЭВМ. Образец блока ввода информации в ЭВМ на оптических деталях — это множество мельчайших лазеров, просвечивающих фотопластинку, на которой при помощи голографии закодирована любая информация. Ею могут быть книги, кинофильмы, телефильмы. Текст одной страницы занимает площадь размером в острие иглы! На одной пластинке может быть умещён текст «Войны и мира».

Когда-нибудь библиотеки или кинотеки будут хранить не книги, а такие вот пластинки. В небольшой комнате уместится богатство Библиотеки имени В. И. Ленина. И на экранах своих телевизоров мы сможем увидеть любой кинофильм, любую книгу, даже страницу и отдельную строчку. Опытные образцы таких систем уже есть. Но важно, чтобы они стали доступны всем. Скоро так и будет.

Работы в области оптоэлектроники настолько перспективны и важны, что сегодня эту науку можно считать одним из китов, на которых будет построена связь и вычислительная техника будущего.

И ещё одна важнейшая сфера лазерных исследований — создание новых, более совершенных, удобных и более мощных лазеров.

Первые лазеры, начавшие работать в 1960 году, внешне ничем не были похожи друг на друга. Общим был цвет испускаемых ими лучей — красный. Но эта общность, конечно, возникла случайно. Не случайным были чрезвычайно слабая расходимость лучей (много меньшая, чем расходимость лучей лучшего прожектора) и крайняя узость их спектра, несравнимая с шириной спектра любого другого источника света. И то, и другое — результаты применения пары параллельных зеркал, между которыми располагалось светящееся вещество лазера.

Дальше начинались различия. В самом первом из лазеров свет исходил из кристалла рубина, который облучался ярким белым светом ламп-вспышек. Рабочим веществом другого лазера служила смесь гелия и неона, а возбуждение свечения вызывалось электрическим током, проходящим через эту газовую смесь, — то же фактически происходит в обычных неоновых трубках газосветной рекламы. Свет первого лазера испускался редкими короткими импульсами, второй светил непрерывно.

Последующее развитие лазеров первоначально пошло по пути поиска других кристаллов и других газов, способных к лазерной генерации света. Это, конечно, был наиболее очевидный, но далеко не единственный путь. Вскоре к кристаллам и газам присоединились полупроводники и стекло, затем жидкости (наиболее эффективными оказались растворы органических красителей).

Возникли новые режимы работы лазеров, новые методы возбуждения. Для этой цели удалось применить электронные пучки, энергию ударных волн и быстрое охлаждение горячих газов, истекающих из специальных сопел. Лазеры «научились» испускать всё более короткие импульсы света. Длительность их стала меньше, чем миллиардная доля секунды.

Все эти результаты появились как следствие естественного развития новой области науки. Однако уже первые шаги в этом направлении открыли возможности новых практических применений лазеров. Как только это было осознано и оценено, началась планомерная разработка специализированных лазеров, отвечающих конкретным запросам науки и техники. В свою очередь, появление новых лазеров открывало всё новые пути их использования. Этот замкнутый процесс ещё далеко не закончен. Но уже теперь он зашёл так далеко, что нам придётся ограничиться лишь несколькими примерами, не пытаясь описать здесь сколько-нибудь полно новые типы лазеров и все их применения.

Проблема лазерного термояда потребовала создания лазерных систем огромной мощности и очень большой энергии, излучающих лазерные импульсы с большой точностью в заданные моменты времени. Иначе невозможно одновременно — со многих сторон — поразить мишень из термоядерного горючего. Мощность, развиваемая таким лазером, превосходит мощность самой большой гидроэлектростанции. Но конечно, вследствие ничтожно малой длительности лазерного импульса излучаемая энергия не очень велика, хотя она и превосходит энергию среднего орудийного выстрела.

Для промышленных целей — сверления и обработки поверхности рубинов, алмазов, твёрдых сплавов — применяются твёрдотельные лазеры (обычно на стекле) или лазеры ГИПЕРБОЛОИДЫ И ГИПЕРБОЛЫ на смеси углекислого газа с азотом и гелием.

Лазеры на стекле, окрашенном ионами редкоземельного элемента неодима, работают не только в промышленности, но и в медицине, где они помогают излечивать некоторые формы рака и служат хирургам в качестве инструмента для бескровных операций. Без них не обходятся дальномеры и оптические локаторы, они позволяют обнаруживать загрязнения в атмосфере и измерять скорость ветра и течения воды.

Лазеры на углекислом газе используются для сварки и резки металлов, для раскроя материи и кожи. Они также приносят пользу медикам и химикам, технологам и физикам.

Большая часть лазеров излучает свет с вполне определённой длиной волны, изменять которую удаётся только в очень узких пределах.

Последующее развитие лазеров пошло в двух противоположных направлениях.

Одно из них — создание сверхстабильных лазеров, длина волны которых фиксирована с огромной точностью. Она известна и остаётся неизменной в пределах миллионной части от миллиардной доли своей величины. Это наибольшая точность, достигнутая в науке и технике.

Второе направление — разработка лазеров, длина волны которых может по желанию оператора изменяться в широких пределах и устанавливаться в точности на заданное значение. Для этой цели обычно применяются лазеры, рабочим веществом которых служат растворы красителей. Такие лазеры незаменимы для решения сложных задач разделения изотопов и для управления химическими реакциями. Лазерный метод позволяет более экономично, чем какой-либо другой, отделять один изотоп лёгких элементов от его двойников. Сейчас усилия многих учёных направлены на создание эффективного метода разделения изотопов урана, этого основного горючего для атомных электростанций. Лазер помогает химикам получать новые соединения, недоступные традиционным химическим методам. Ему по корились даже инертные газы. В течение долгого времени они оправдывали своё название, не вступая в химическое соединение с другими элементами. Сравнительно недавно учёным с помощью лазера удалось заставить их при известных условиях нарушить свою инертность. Полученные соединения были взяты в качестве рабочих веществ новых лазеров, которые обещают стать весьма эффективными.

Квантовая электроника не только открывает новые возможности другим областям науки и техники, но и активно использует их новейшие достижения. Например, полупроводниковые лазеры, в которых первоначально применяли лишь соединения индия с сурьмой, теперь работают и на более сложных соединениях трёх и четырёх элементов, а также на элементах из кремния и германия высшей чистоты.

После появления лазеров было реализовано и одно из поразительных изобретений — голография. Мощные газовые и твёрдотельные лазеры позволяют зафиксировать и воспроизвести объёмные изображения предметов. Записывать и анализировать разнообразную сложную информацию. Производить измерения различных величин, таких, как скорость и смещение, изменение температуры и давления, производить анализ состава крови и расшифровку текстов, решать множество других разнообразных научных и технических задач, каждая из которых вполне заслуживает отдельного подробного описания.

Итак, перед нами раскинулась и засверкала радуга возможностей, которые таятся в новой области науки — квантовой электронике.

Мы узнали о решительной готовности лазерщиков перевести на принципиально новые рельсы развитие целых областей промышленности и техники. Покорение энергии ядра даст неиссякаемые энергетические ресурсы.

Осуществится давняя мечта человечества напоить водой пустыни, превратить районы вечной мерзлоты в сады, преодолеть космические дали…