Страница 3 из 161
Создание такого вещества активной среды также представлялось чрезвычайно сложной проблемой. Дело в том, что условия получения усиления инверсной населенности уровней, соответствующих кванту излучения, предполагают сильно неравновесный термодинамический процесс. Ч. Таунс и А. Шавлов рассмотрели в своей статье в Physical Review (1958 г.) проблемы распространения представлений микроволновой мазерной генерации в область инфракрасного и видимого диапазона. Указав на принципиальную разрешимость проблемы и предполагаемые пути ее решения, они, тем не менее, подчеркивали трудность практической реализации; в частности, А. Шавлов считал рубин непригодным для этой цели.
Поэтому совершенно удивительным стал факт создания лазера на рубине Теодором Мейманом, мало известным физиком, работающим в промышленной фирме, который не находился в числе людей, уже старающихся реализовать предложения Таунса и Шавлова. Величайшая заслуга Меймана в том, что он показал, как легко построить действующий лазер вопреки всем опасениям. В связи с этим следует сказать, что в Советском Союзе очень быстро была воспроизведена конструкция Меймана. В Государственном оптическом институте (г. Ленинград) рубиновый лазер был запущен 2 июня 1961 г., а в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР18 сентября 1961 г. Причем для запуска лазера не потребовалось сложных технологий и особых экспериментальных методик. Оказалось возможным использовать рубиновый образец, вырезанный из искусственных камней, используемых в часовой промышленности, а для накачки использовались стандартные импульсные лампы, применяемые в авиации.
Как часто случается, как только был открыт СЃРїРѕСЃРѕР± создания РЅРѕРІРѕРіРѕ устройства, множество людей вскочили РЅР° подножку набирающего скорость поезда. Возникла целая лавина работ РїРѕ лазерам самых различных типов. Появились Рё претензии РЅР° приоритет. Р’ РєРЅРёРіРµ целая глава посвящена РІРѕР№РЅРµ патентов. Рљ сожалению, Мейман так Рё РЅРµ получил Нобелевской премии Р·Р° СЃРІРѕРµ гениальное достижение. РќРѕ его приняли РІ Зал славы Национальных изобретателей РЎРЁРђ, чести которой удостоена такая личность, как РРґРёСЃРѕРЅ. РљРЅРёРіР° Рњ. Бертолотти будет весьма полезной всем, кто интересуется историей науки Рё техники.
ПРЕД�СЛОВ�Е
Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе Война миров (1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэш Гордона (1950) широко использовались пистолеты, испускающие световые лучи, оружие, которое сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры.
Слово лазер теперь хорошо известно и неспециалисту, который буквально окружен применениями лазерного света, в области в области медицины (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникации (волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации на компакт-дисках, голограммы), а также в технологии (сверление, резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, печатание газет).
Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света СЃ особыми свойствами, радикально отличающимися РѕС‚ обычных источников, таких как свеча или лампочка. Р’ самом деле, свет лазера РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета (Р° РЅРµ смесь цветов белого света) Рё испускается РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (Р° РЅРµ РІРѕ всех направлениях, как свет лампочки). Рто позволяет нам собирать его линзой Рё фокусировать РІ область очень малых размеров. Спектральная чистота Рё направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность РІ малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.
В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.