...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Попов Георгий Леонтьевич

Первый лазер был создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом — сотрудником фирмы "Radio corporation of America". В нем он использовал кристалл рубина. Когда-то рубин был очень редким камнем, теперь его получают искусственно в больших количествах. Искусственный рубин — это окись алюминия. Сам по себе кристалл прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет объясняется присутствием небольшого количества атомов хрома (0,05-0,5 %). Чем больше хрома, тем краснее кристалл. Это связано с тем, что атомы хрома поглощают ультрафиолетовый, зеленый и желтый свет, а красный и синий свет они не поглощают. Смесь последних двух излучений выходит из рубина и придает ему специфическую "рубиновую" окраску.

Источником

индуцированного излучения в рубине являются именно атомы хрома. Они могут находиться на одном из трех разрешенных энергетических уровней. На самом нижнем располагаются невозбужденные атомы. Переселение атомов на верхние уровни осуществляется путем облучения рубина мощным потоком света от импульсной лампы накачки (похожей на ту, которая применяется в фотовспышке, но гораздо мощнее). Обычно она, как змея, обвивает рубиновый стержень. Этот поток света вторгается в глубь рубина. Но полезными в нем являются лишь зеленые лучи. Они возбуждают атомы хрома и забрасывают их сразу на третий уровень. Правда, там атомы хрома задерживаются недолго: через одну стомиллионную долю секунды они "спрыгивают" на второй уровень. Но фотонов при этом атомы хрома не излучают, а отдают небольшую часть энергии кристаллической решетке рубина.

Второй уровень — самый замечательный. На нем атомы могут находиться длительное время, не переходя в основное состояние. По обычным представлениям это время невелико — всего несколько тысячных долей секунды, но в "атомных" масштабах оно огромно и сродни человеческому долгожительству.

Конечно, атомы хрома будут "скатываться" спонтанно, самопроизвольно и с третьего, и со второго уровней на первый, но для этого им требуется значительно больше времени, чем перейти с третьего уровня на второй. Ясно, что число атомов, переходящих на второй уровень, будет во много раз больше числа атомов, возвращающихся "домой" на первый уровень.

Цель световой накачки состоит как раз в том, чтобы перенаселить второй уровень. Это тот трамплин, прыжки с которого приводят к индуцированному излучению. Физики называют этот уровень метастабильным.

Как происходит индуцированное излучение, вы знаете. Находящиеся на метастабильном уровне атомы хрома испускают спонтанные фотоны красного цвета. Когда спонтанный фотон идет в сторону от оси рубинового стержня, он покидает кристалл. Но если рождается фотон, идущий вдоль оси, он вызывает фотонную лавину. Число фотонов резко возрастает, как число камней в горном обвале.

Очевидно, чем длиннее путь, тем больше возбужденных атомов встретится на пути фотонной лавины и тем мощнее будет поток индуцированного света. Значит, нужно увеличить длину рубинового стержня! Но обычно поступают не так. В лазерах применяют сравнительно небольшие стержни — длиной 5-30 см и диаметром 3-20 мм. Длину же пробега луча внутри стержня увеличивают при помощи зеркал. Для этого торцы рубина тщательно полируют и покрывают серебром. Получается два отражающих зеркала, причем одно из них делают полупрозрачным для вывода потока света наружу. В результате лавина фотонов многократно проходит тело рубинового стержня, отражаясь от торцевых зеркал и наращивая свою мощь.

Заметим, что несмотря на малую примесь хрома его атомов в рубиновом кристалле очень много. Их количество исчисляется единицей с 19 нулями. Так что материал для образования фотонной лавины есть. Как только концентрация фотонов в лавине

достигает некоторой критической степени, кристалл начинает генерировать свет и ослепительная рубиновая молния пронзает пространство.

Твердотельные лазеры в настоящее время распространены достаточно широко. Но не только твердое тело может давать лазерный свет. Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Удивительно, как верно древние видели природу. Ведь эти четыре стихии, по существу, признаются и современной физикой. Нетрудно догадаться, что земле соответствует твердое состояние вещества, воде — жидкое, воздуху — газообразное. А что соответствует четвертой стихии — огню? Четвертое состояние вещества — это плазма.

Мы живем в плазменной Вселенной. Солнце — это гигантский шар горячей плазмы. Земля, начиная с высоты более 100 км, окружена слоем плазмы — ионосферой. Яркая линия, прочерчиваемая метеором на небе, — это свечение плазмы. Плазму порождает молния. Человек сам научился создавать плазму: в пламени газовой горелки, сопле ракеты, огненных буквах рекламных надписей, дуговых электропечах… Невозможно даже перечислить все примеры, где существует естественная или искусственно рожденная плазма.

"Работает" плазма и в лазерах. Плазма — "родная сестра" газа, так как получается из него путем нагрева или под воздействием электрического поля. Поэтому часто плазменные лазеры называют газовыми.

Мы с вами повседневно видим на улицах "неоновую рекламу" и любуемся ярко-красным цветом ее надписей. Это светится газ неон. Точнее, не газ. Под действием электрического поля в трубках, заполненных неоном, зажигается тлеющий разряд и образуется плазма. Ее свечение мы и наблюдаем.

Неон используется и в плазменных лазерах. Только не в чистом виде, а в смеси с другим газом — гелием, причем атомов гелия в 10 раз больше, чем атомов неона. Гелий попал в этот лазер не случайно. Именно в его взаимодействии с неоном состоит весь секрет возникновения индуцированного излучения.

Любопытна история открытия гелия. В середине прошлого века в небольшом немецком городке жил изобретатель, профессор химии Роберт Бунзен (1811–1899). Одним из его изобретений была горелка, в которую снизу по трубке поступал газ. Стоило только поднести спичку к верхнему концу трубки, и над горелкой вспыхивало пламя высокой температуры. Сейчас эта горелка называется бунзеновской. Профессор вносил в пламя горелки различные вещества и по цвету пламени определял их химический состав. Но так как разные вещества могли окрасить пламя в один и тот же цвет, Бунзен уже собирался бросить эту затею. Выручила случайность. Как-то во время опыта к Бунзену зашел его коллега по университету профессор физики Густав Кирхгоф (1824–1887). Он принес с собой ящик с линзами и стеклянной призмой, который называл спектроскопом. Когда почтенные профессора решили пропустить окрашенное пламя через линзы и призму, они увидели на стенке ящика разноцветные линии. И каждое вещество, сгорая в пламени горелки, давало на экране только свои линии, не похожие на линии других веществ. Так был открыт спектральный анализ веществ. По календарю шел 1859 год.

Спустя почти десять лет, 18 августа 1868 г., в индийский городок Гунтар приехал французский астроном Жюль Жансен. Сюда съехались многие ученые наблюдать полное солнечное затмение. Жансен захватил с собой спектроскоп. Направив его на светило, он увидел разноцветные линии — спектр плазмы, которую извергает Солнце. Одна линия оказалась неузнаваемой: ни одно из известных веществ на Земле не имело ее в своем спектре. Значит, открыто новое вещество! На Земле оно неизвестно, поэтому назвали его гелием — "солнечным веществом" (по гречески "солнце" — "гелиос"). Через два месяца, ничего не зная об открытии Жансена, английский астроном Норман Локьер повторил его.