Страница 39 из 74
Впрочем, как говорил академик А. М. Прохоров, квантовые генераторы вполне могли появиться и гораздо раньше. Могли. А вот поди ж ты…
Детально разобраться в теоретических и экспериментальных предпосылках, наметить конкретную цель поисков, четко, засучив рукава, разработать весь комплекс идей квантовой электроники, реализовать их, создать приборы и довести дело до конца сумели именно Александр Михайлович Прохоров, Николай Геннадьевич Басов и (одновременно с ними, но независимо от них) Ч. X. Таунс с Дж. Гордоном и X. Цайгером из Колумбийского университета да еще Дж. Вебер (Мэрилендский университет).
Широко известные ныне принципиальные схемы квантовых генераторов в диапазоне видимого света были предложены в 1957–1958 годах учеными СССР (Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов) и США (Ч. Таунс, А. Шавлов).
Одним из барьеров, отделявших радиоволновые лазеры от оптических, была проблема резонаторов.
Говорят, будто пение тетивы боевого лука натолкнуло наших предков на мысль о сладкозвучных струнах. Потом к распоркам с туго натянутыми на них воловьими жилами приделали ящик с отверстием — звук стал громче, чище. А шедевры знаменитых скрипичных мастеров Страдивари, Амати, Гварнери ценятся именно за качество таких деревянных «ящиков», хотя, казалось бы, источником звука является только струна. Так вот: корпус гитары ли, скрипки ли — резонатор. Он выделяет и усиливает определенный тип вибраций, вызванных струной в воздухе. Примерно так действовал и металлический кожух, окружавший узкий молекулярный пучок («струну») в первом генераторе Прохорова и Басова. Настроенный на какую-то одну волну, он возбуждал и поддерживал именно ее, заставляя лавинообразно разрастаться поток одинаковых радиоквантов, исторгнутых возбужденными частицами. Для этого дистанция между его стенками подбиралась так, чтобы на ней укладывалась ровно одна половинка волны. Или две, три — лишь бы число их было целым.
Если же перейти от сантиметровых волн к миллиметровым, затем микронным (инфракрасный диапазон) и субмикронным (видимый свет), как тогда изготовить основной узел прибора? Неужто придется делать микроскопический ящичек?
В 1958 году А. М. Прохоров предлагает иное, принципиально новое конструктивное решение. Отражающие противоположные стенки, говорит он, могут быть раздвинуты на расстояние, которое в сотни и тысячи, если угодно, в сотни тысяч раз превосходит длину волны-коротышки. Надо лишь, чтобы на нем по-прежнему умещалось целое число полуволн. Чтобы выделить нужную разновидность колебаний, резонатор придется тонко юстировать. Ясно, что полировка торцов требуется идеальная: шероховатости не должны превышать длину падающей на них волны. А боковые стенки не нужны, от былой замкнутой трубки можно оставить лишь зеркальные донца. В наши дни все лазеры работают на основе открытых резонаторов. Боковые отражатели, имеющиеся в генераторах радиодиапазона, здесь отсутствуют. Путь наружу лучу преграждают только торцы. И кванты, которые устремились перпендикулярно к поверхности двух противолежащих зеркал, не смогут до какого-то момента выйти вон. Тысячекратно отражаясь, они будут при столкновении с частицами всякий раз вызывать вынужденное испускание фотона. Такой возвратно-поступательный поток начнет стремительно наращивать свою мощь.
Хорошо, а как же мечущийся туда-сюда луч-пленник вырвется наружу?
Сорок лет тому назад академик С. И. Вавилов и его сотрудник В. Л. Левшин описали замечательное явление. Желто-зеленое урановое стекло внезапно начинало лучше пропускать видимые лучи, когда яркость падающего на него света переваливала за какой-то предел. Правда, увеличение прозрачности не было большим, оно не превышало нескольких процентов, тем не менее открытие советских ученых имело огромное принципиальное значение: ведь коэффициент поглощения считался раньше величиной устойчивой, постоянной. На деле же оказалось, что он способен изменяться. Подобные эффекты нашли применение в лазерах. Созданы специальные оптические фильтры-затворы. Они не дают электромагнитному полю внутри резонатора разрядиться раньше срока. Но как только световой поток достигает огромной 176 мощности, он сам прокладывает себе «зеленую улицу» в веществе.
В других случаях одно из зеркал снабжается глазком — к нему луч, многократно отражаясь, подбирается постепенно.
Не так ли исподволь нараставший накал многочисленных исследований вылился в ослепительную вспышку изобретательской мысли, прорвавшуюся лазерным лучом через заслоны неизведанного?
Потоки когерентного света ведут себя совсем иначе, чем те, с которыми до сих пор имела дело оптика. В лазерном луче кванты равномощны и одинаково направлены; они наступают не редкой разношерстной толпой, не врассыпную, а тесно сомкнутыми шеренгами, как бы в ногу, плечом к плечу. Такая сплоченность боевых порядков способна утроить и учетверить ударную мощь многофотонной фаланги. То ли будет, когда (если!) появятся рентгеновские и гамма-лазеры!
Ультрафиолетовые уже существуют.
Луч можно перекрасить!
Зловонное исчадие выхлопных труб, тянущееся шлейфом позади автомобиля, на темном фоне кажется сизым. Но взгляните сквозь дым на снег: облачко неожиданно предстанет перед вашими глазами… бурым! Ясно, что скопище мельчайших крупинок не обладает собственным цветом — в отличие, скажем, от чернил. Его окраска обусловлена рассеянием света. Правда, облака тоже состоят из крохотных частичек. Между тем плывут над нами восхитительными белоснежными клубами. Вся хитрость тут вот в чем: составляющие их водяные капельки крупнее дымовых — тех, что образованы из дегтеподобной жидкости, возникающей при горении топлива. И рассеивают свет иначе — все волны примерно одинаково, без особого пристрастия к сиреневым тонам.
Открыв эти законы, английский физик Рэлей на грани нашего и минувшего века объяснил многократно воспетую лириками переменчивую окраску неба.
Ее виновники — молекулы воздуха, считал он. Они мельче крупинок дыма и, стало быть, рассеивая солнечный свет, еще пуще выметают из него голубизну, «насыщая» ею атмосферу. Потому-то полуденное небо и напоминает «синий шелк», а солнечный лик с земной поверхности кажется желтее, чем он есть на самом деле. Иное дело утром и вечером. Солнечные лучи по отношению к нам падают уже не отвесно, а косо. Путь, который пробегают они в атмосфере, отбирающей у них синеву, длиннее. Свет достигает наших глаз, уже растеряв по дороге почти весь свой «небесный цвет». Лишившись сине-фиолетового слагаемого своей семицветной гаммы, он проникает в наши зрачки покрасневшим (вспомните «бурый» дым!).
Базируясь на выводах Рэлея, патриарх квантовой физики Макс Планк создал стройную теорию, объяснившую ослабление света при его прохождении через прозрачную, оптически однородную среду. Минули годы, прежде чем обнаружилось: фундаментальная постройка, возведенная двумя крупнейшими зодчими физики, не что иное, как воздушный замок.
Мираж был рассеян нашим соотечественником, впоследствии академиком, видным советским физиком, а тогда совсем еще молодым доктором натуральной философии Леонидом Мандельштамом. Ученый убедился, что оптически однородная среда не способна рассеивать свет. Не отдельные молекулы, равномерно распределенные в объеме, обусловливают цвет неба, ибо они чересчур малы для этого, а их случайные скопления: в газовой среде беспрерывно возникают и тут же рассасываются, умирают и снова рождаются микронеоднородности, флуктуации, когда в одном месте «густо», а по соседству «пусто». Каждый такой мимолетный сгусточек (он меньше длины световой волны) действует под стать дымовой частице. Но если крупинка или капелька — образование устойчивое, долговечное, то локальное уплотнение в газе, напротив, эфемерно, неуловимо быстротечно. Периодически сменяясь разрежением, оно то сильнее, то слабее рассеивает свет. Эта искрометная рябь должна придавать воздушному океану игристость шампанского. Атмосфера должна мерцать! Но если даже газоразрядные лампы, моргающие относительно редко (периодичность — 50 герц) создают иллюзию непрерывного сияния, то стоит ли говорить о более высокочастотных и слабых, к тому же еще микроскопических небесных вспышках? Их не так-то просто обнаружить даже чувствительнейшей аппаратурой.