Текст книги "Проклятые вопросы"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 23 страниц)

Прохоров мог рассказать ещё о десятках самых неожиданных применений лазеров. Он знал: учёных этим не удивишь и не испугаешь. Они уверены, что сухие формулы и лабораторные установки способны породить и более поразительные реальности.

И если бы Прохоров не обладал такой безоговорочной, даже безрассудной верой в силу человеческого интеллекта, в безграничность познания и в то, что каждый шаг в глубь тайн природы несёт открытия, мы не увидели бы сегодня в его лабораториях всего того, о чём он мечтал, что обещал тогда, в 1964 году.

РЫЦАРЬ ОРДЕНА ОГУРЦА

11 июля 1966 года … Банкетный зал затих, и юноша, долго взывавший к порядку, мог начать свою речь. Он открыл адрес в красивом переплёте, и вот что мы услышали:

«Дорогой коллега!

В день Вашего юбилея Вас приветствует и поздравляет Лапутянская академия наук.

Вы являетесь славным продолжателем научных исследований по квантовой электронике, начатых в нашей академии примерно 250 лет назад. Упоминание об этих исследованиях содержится в летописи академии, отрывок из которой позвольте здесь прочесть.

Летописец пишет: «Первый учёный, которого я посетил, был тощий человек с закопчённым лицом и руками, с длинными, всклокоченными и местами опалёнными волосами и бородой. Его платье и кожа были такого же цвета. Восемь лет он разрабатывал проект извлечения солнечных лучей из огурцов. Добытые таким образом лучи он собирал в герметически закупоренные склянки, чтобы затем пользоваться ими для согревания воздуха в случае холодного и дождливого лета».

И далее пишет летописец: «…Учёный не сомневался, что через восемь лет он будет иметь возможность продавать солнечные лучи для губернаторских садов по умеренной цене, однако жаловался, что запасы его невелики, и просил меня дать ему что-нибудь в качестве поощрения, тем более что огурцы в этом году были очень дороги. Я предложил профессору несколько монет»…

Дружный смех долго не давал оратору закончить это приветствие, но тренированный физик перекричал аудиторию и прочитал адрес до конца:

«Вы видите, дорогой юбиляр, что наука всегда зависела как от состояния сельского хозяйства, так и от расположения благодетелей.

Поняв это, Вы научились добывать деньги из такого пустяка, как атомы и молекулы…

Велики Ваши заслуги перед физикой. Вы заменили огуречное семя более твёрдым телом и, вооружившись им, уверенно идёте к высотам науки…

Учитывая Ваши успехи и главным образом Ваше личное обаяние, Лапутянская академия наук избрала Вас почётным членом.

Мы надеемся, что теперь, став членом нашей академии, Вы получите доступ к отчёту за 1726 год, написанному неким Джонатаном Свифтом (под шифром «Путешествие Гулливера»), и найдёте там много свежих идей для Вашей дальнейшей деятельности.

Позвольте поздравить Вас и вручить Вам мантию почётного члена Лапутянской академии наук».

Под одобрительные возгласы молодые физики натянули на высоченную фигуру юбиляра – Александра Михайловича Прохорова – чёрную мантию и повесили на шею эмблему: огромный огурец на тесёмке. Чёрную шапочку юбиляр надел сам: его почти двухметровый рост не позволил это сделать его инициативным ученикам…

Это было, когда Александр Михайлович праздновал свое пятидесятилетие и одновременно избрание его действительным членом Академии наук СССР.

…Большинство исследователей видят основную цель своей деятельности в открытии нового. Они ставят и решают важнейшие вопросы: как устроен атом? Что обеспечивает сходство потомков с предками? И многие другие. Установив, что вокруг атомного ядра вращаются электроны, а наследственная информация заключена в генах, они считают свою задачу выполненной.

Но есть другой тип учёных. Для них главным является вопрос «почему?». Они не могут успокоиться, не выяснив, в силу каких причин атомы стабильны, хотя законы классической механики и электродинамики предсказывают неустойчивость их планетарной модели.

История науки свидетельствует, что попытки ответить на вопрос – проклятый вопрос – «почему?» часто приводят к радикальной ломке устоявшихся взглядов, к настоящей революции идей.

ЗРЕЛОСТЬ ЛАЗЕРОВ

Воображение и интуиция помогают мысли осуществить великие завоевания.

Л. де Бройль

ОТСТУПЛЕНИЕ

Развитие и совершенствование лазеров идёт с нарастающей скоростью, и этой тенденции не видно конца. Появляются новые типы лазеров, увеличивается мощность мощных лазеров, стабильность стабильных, диапазон перестройки перестраиваемых. Лазеры шагнули через ультрафиолетовый диапазон в казавшийся недоступным для них диапазон рентгеновских волн. Лазеры вызвали возникновение новых научных и технических дисциплин, а процесс совершенствования расширил возможности лазеров там, где недавно лишь начиналось их применение.

На заре квантовой электроники физики-острословы упражнялись в сочинении различных вариантов смысла слова MASER (в то время большинство ещё не привыкло к слову LASER, предпочитая ему словосочетание «оптический мазер»). Среди ряда «находок» было и такое: Military Application Seem Extremely Remot. В переводе на русский это значит: военные применения кажутся весьма отдалёнными.

Этот оптимистический прогноз продержался недолго. Идеологи звёздных войн считают лазеры одним из необходимых элементов космического оружия, направленного как против космических объектов, так и против наземных сооружений.

Лазер уподобился гиперболоиду инженера Гарина, порождённому фантазией писателя А. Толстого.

Но сегодняшняя реальность страшнее фантастики.

Современные лазеры способны излучать энергию, достаточную для того, чтобы вызвать катастрофические пожары в городах и лесах, уничтожать урожай и ослеплять людей, выводить из строя оптические приборы. Правда, лазерное оружие уступает ядерному по разрушительной мощи, по опасности последующих бедствий. Его применение не влечёт за собой генетических поражений и климатических катаклизмов. Но оно возбуждает в некоторых стратегах мысль о возможности победы в ядерной войне, основанной на том, что наносящий ядерный удар первым способен обезопасить себя от ответного удара при помощи лазерного щита.

Будем надеяться, что начатый по инициативе нашей страны процесс уничтожения ядерного оружия и средств его доставки дойдёт до конца и мы обойдёмся в XXI веке без ядерного оружия, поставим надёжный заслон на пути звёздных войн и в конце концов уничтожим ядерное, лазерное и обычное оружие… Что касается лазеров, то у них достаточно обширное мирное будущее.

Продолжим рассказ о настоящем лазеров, помечтаем об их будущем, которое самым органическим образом связано с нашим будущим. Мирное будущее лазеров – залог нашего мирного будущего.

ОБРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ

Чепуха, вправе сказать читатель. Время необратимо течёт от прошлого к будущему. Люди знали это в глубокой древности. Знали на основе собственного опыта. Время невозможно остановить, а тем более обратить вспять. Машина времени, способная возвращаться в прошлое, существует только в научно-фантастической литературе.

Задумайтесь над этим. Почему время необратимо? Это кажется весьма таинственным. Физики не могут объяснить, в чём суть необратимости времени, не могут свести её к каким-либо законам.

Необратимость течения времени является одним из основных свойств природы, столь же фундаментальным, как то, что мы живём в мире, имеющем три пространственных измерения. Люди привыкают к этому с рождения. Но с возрастом возникает стремление к познанию. Наряду с вопросами «как?», «какой?» возникает вопрос «почему?».

Применительно к времени этот вопрос приобрёл особое значение, когда учёные осознали, что в механике Ньютона и электродинамике Максвелла направление течения времени не фиксируется. Здесь прошлое и будущее – равноправны.

Постепенно выяснилось, что формальное обращение времени проявляется во многих теориях физических процессов, кроме тепловых. Это значит, что для любого возможного движения физической системы, не связанного с выделением или поглощением тепла, может осуществляться обращённое во времени движение. При этом система последовательно проходит в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, которые она прошла первоначально. Учёные пока обнаружили только один случай нарушения симметрии относительно направления течения времени: это распад долгоживущего К-мезона. Причина этого нарушения, природа сил его вызывающих, ещё не установлена.

Кино делает очевидной условную симметрию течения времени. Если на плёнке зафиксировано падение шарика или раз ряд молнии, то, прокручивая плёнку в обратном направлении (обратив течение времени), мы увидим, как шарик поднимается вверх, а молния постепенно укорачивается и исчезает.

Конечно, и не прибегая к обращению времени, можно заставить шарик изменить направление движения и лететь вверх. Для этого достаточно толкнуть его снизу вверх. Но существуют процессы, идущие лишь в одном направлении. Например, горение. Только в кино (двигая плёнку в обратном направлении) можно увидеть, как горящая спичка удлиняется, а потом пламя гаснет и спичка вновь оказывается целой. Термодинамика описывает этот процесс. Но она не объясняет необратимость времени. Наоборот, необратимость времени лежит в основе термодинамики.

Поэтому невозможно получить термодинамику из механики. Невозможно именно потому, что в механике не заложена необратимость времени.

В школе, по традиции, вначале изучают механику, затем электричество, магнетизм и только потом начатки электродинамики. Так в нашем сознании формируется дробление науки. Позднее нам трудно почувствовать и осознать единство природы, связи между различными отраслями науки, изучающими природу с различных точек зрения.

Поговорим о волнах. О видимых волнах, бегущих по поверхности воды. О невидимых, но слышимых волнах звука. О невидимых и неслышимых радиоволнах.

Вспомним об океанских волнах, вид которых произвёл огромное впечатление на молодого Ньютона, дав ему понять необозримость неведомого и ограниченность человеческих усилий. И ещё вспомним слова Козьмы Пруткова: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».

Последуем же совету премудрого Козьмы.

Бросим маленький камешек в самую середину кастрюльки, наполненной водой. В месте его падения возникнут разбегающиеся кольцевые волны. Об этих кругах и говорил мудрец. Добежав до стенок, они повернут обратно.

Если камень попал в центр кастрюльки, а её стенки не деформированы, волны, отразившись от стенок, побегут назад, оставаясь круговыми, и будут повторять свой путь раз за разом, как бы отражаясь от центра. Если не обращать внимания на медленное затухание волн, вызванное превращением их энергии в тепло, то картина будет многократно повторяться. Теперь невозможно узнать, родились ли волны в центре или их каким-то образом породили стенки кастрюльки. Если снять кинофильм, то изображения, видимые при движении киноплёнки в любом направлении, неотличимы от видимых при противоположном направлении движения киноплёнки. Так проявляется независимость механических явлений от направления во времени.

Если же стенки кастрюльки деформированы, то после первого прохода волны перестанут быть круговыми, и вскоре поверхность воды окажется покрытой хаотической рябью. Теперь снятый кинофильм утратит обратимость: просматривая его в одном направлении, мы увидим, что рябь становится всё более хаотичной, а при противоположном направлении хаос будет упрощаться и картина будет всё более регулярной. Не приводит ли в данном случае нерегулярная деформация стенки к необратимости процесса во времени? Это важный вопрос, но оставим его на дальнейшее.

Подобная рябь возникнет и в том случае, когда стенки кастрюльки идеально круглые, но на её дне имеются бугры и впадины, а слой воды так тонок, что наиболее высокие бугры едва покрыты водой. Даже если камешек падает точно в центре, круги будут деформированы уже при первом проходе. Так действует зависимость скорости распространения волны от глубины воды. При следующих проходах отличие фронта волны от круговой симметрии будет всё более возрастать.

Заметив это, естественно приходишь к вопросу: можно ли сделать так, чтобы и в кастрюльке с деформированным дном волны собирались в её центре?

Этот вопрос наверное не возник бы или оказался забытым, если бы речь шла только о волнах в кастрюльке.

Иное дело, когда речь идёт о световых волнах, особенно о волнах, испускаемых лазером.

Излучение лазера обладает большой упорядоченностью. Особенно упорядочены лучи газовых лазеров. Причина – высокая однородность газов по сравнению с твёрдым телом, например со стеклом или кристаллом. Чем однороднее рабочее вещество лазера, тем меньше расходится световой пучок, тем меньше разброс длин волн, излучаемых лазером. Тем легче собрать излучение лазера в маленькое пятнышко. А это бывает необходимо во многих случаях применения лазеров. Тем меньше ослабевает интенсивность лазерного излучения с увеличением расстояния. Это особенно важно при применении лазерных маяков в навигации или лазерных нивелиров в геодезии и при строительных работах.

Физиков давно преследовало желание совместить в одном приборе два качественных преимущества разных лазеров: способность стеклянных лазеров к генерации световых пучков, обладающих большой энергией, с малой расходимостью пучков, присущей газовым лазерам.

Уже первые оценки показали, что главным препятствием здесь являются неоднородности оптических свойств среды, в которой распространяются лучи лазера. Таковы неоднородности показателя преломления атмосферы, вызывающие отклонения лучей света от прямой линии и искажение фронта световых волн.

Конструкторы много работают над тем, чтобы повысить энергию, излучаемую компактными твердотельными лазерами, без ухудшения «качества» их излучения. Почему это так важно?

Энергия излучения лазера непосредственно связана с объёмом вещества, охваченного процессом генерации этого излучения. Но чисто технологические причины приводят к тому, что величина внутренних неоднородностей в лазерном веществе увеличивается с ростом его объёма. Увеличение внутренних неоднородностей в свою очередь приводит к ухудшению «качества» лазерного излучения. Излучение, выходящее из лазера, становится более неоднородным по сечению светового пучка. Пучок быстрее расширяется по мере удаления от лазера. А спектр излучения становится более широким (в нём присутствует большее число световых волн, различающихся своей длиной).

Казалось, этого можно избежать при помощи лазера, содержащего очень малый объём активного лазерного вещества. Ведь его несложно сделать однородным, а значит, «качество» генерируемого излучения станет высоким. Затем, конечно, нужно пропустить излучение этого лазера-генератора через мощный лазер – усилитель. Но надежда на то, что таким путём можно получить высококачественное мощное лазерное излучение, эфемерна. Ведь мощный лазер-усилитель должен содержать большой объём активного лазерного вещества. А это неизбежно приводит к увеличению неоднородности усиленного лазерного пучка.

Можно ли преодолеть эту трудность? Как добиться того, чтобы (несмотря на неизбежные неоднородности материала, работающего в лазере-усилителе) свойства усиленного излучения были бы не хуже свойств излучения, подлежащего усилению?

Ответ на эти вопросы подсказывают мысленные опыты с кастрюлькой, проведённые нами выше. Нужно заставить свет, прошедший через неоднородную среду, возвратиться обратно точно по тому пути, по которому он распространялся первый раз! Тогда все искажения, возникшие при первом прохождении, повторятся на обратном пути, но с обратным знаком. А значит, в итоге все искажения взаимно уничтожатся!

Выполнить этот простой рецепт весьма непросто. Даже в случае волн в кастрюльке с деформированным дном. Здесь рецепт звучит так: деформируйте стенки кастрюльки таким образом, чтобы при первом пробеге фронт волны коснулся её деформированных стенок повсюду одновременно. Благодаря тому что фронт волны на поверхности воды хорошо виден, это требование, хотя бы в принципе, выполнимо.

Иное дело – фронт световой волны. Сделать его видимым – сложная задача. Она может быть решена, например при помощи голографии. При помощи голографии можно достичь и главной цели – повернуть световую волну в обратном направлении так, чтобы в месте поворота фронт волны, бегущей обратно, точно совпал с фронтом приходящей волны.

САМООБРАЩЕНИЕ

Но группа учёных Физического института РАН достигла этой цели другим путём, более простым, чем голография. Они заставили саму исходную световую волну сформировать своеобразное «зеркало», отражение от которого заставляет отражённую волну вернуться обратно, повторяя во всех деталях путь волны, идущей в первоначальном направлении. Они назвали этот процесс самообращением волнового фронта.

Возможность самообращения реализуется только для очень мощного излучения, когда законы обычной оптики уступают место законам нелинейной оптики, появление которой предсказал С. И. Вавилов.

Б. Я. Зельдович (сын учёного, которого знает весь научный мир, академика Я. Б. Зельдовича) и его сотрудники решили привлечь к выполнению этой задачи процесс, называемый вынужденным рассеянием Мандельштама – Бриллюэна. Напомним, что на рубеже двадцатых годов нашего века советский учёный Л. И. Мандельштам и французский учёный Л. Бриллюэн независимо друг от друга предсказали, что неоднородности плотности вещества, порождаемые хаотическим тепловым движением молекул, приводят к столь же хаотическим изменениям показателя преломления, а следовательно, к рассеянию света, проходящего через это вещество. Такое рассеяние было позднее обнаружено Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и подробно изучено Е. Ф. Гроссом.

Создание мощных лазеров внесло существенное изменение в процесс этого рассеяния. Свет от самых мощных нелазерных источников практически не влияет на свойства вещества, через которое он распространяется. Мощный лазерный свет, напротив, изменяет оптические свойства прозрачных тел. В частности, он приводит к значительным изменениям показателя преломления вещества. Это в свою очередь влияет на распространение света в веществе, сквозь которое проходят лучи мощного лазера. При этом вместе с мощностью лазерного пучка изменяется и процесс его распространения в веществе. Возникает самовоздействие лазерного излучения. Существует ряд веществ, свойства которых особенно сильно изменяются под действием мощного лазерного излучения. Учёные называют их нелинейными средами, имея в виду, что в них особенно заметны законы нелинейной оптики.

Если исходная лазерная волна обладает пространственной неоднородностью, например в результате прохождения через неоднородное вещество лазера-усилителя, то интенсивность этой волны сильно изменяется в пространстве. Когда такая неоднородная волна проникает в нелинейное вещество, она вызывает в нём сильные изменения показателя преломления. Эти изменения в свою очередь влияют на распространение лазерного излучения. При этом сильно увеличивается его рассеяние.

Для того чтобы подчеркнуть особенности такого процесса, физики называют его вынужденным рассеянием, имея в виду, что оно много больше, чем рассеяние нелазерного света, и что оно является одним из проявлений самовоздействия мощных лазерных пучков.

Б. Я. Зельдович и его сотрудники использовали важную особенность вынужденного рассеяния Мандельштама – Бриллюэна. Складываясь с первоначальным лазерным излучением, распространяющимся в глубь оптически нелинейного вещества, свет, возникающий в результате вынужденного рассеяния, формирует в этом веществе области со значительными перепадами коэффициента преломления. Такие перепады, подобно зеркалу, отражают падающий на них свет. По распределению в пространстве эти области, эти «зеркала», совпадают с фронтами волн первоначального лазерного излучения.

Так, проникая в вещество, показатель преломления которого сильно зависит от интенсивности лазерного излучения, это излучение порождает в веществе «зеркала». Их форма такова, что первоначальное лазерное излучение отражается и распространяется назад точно по тем же направлениям, по которым оно вошло в вещество. Это и есть обращение волнового фронта. И это явление подсказало прозорливым исследователям способ, каким можно избавиться от искажений лазерного луча!

Давайте рассуждать вместе с учёными. Итак, волна, повернув назад, проходит через лазер-усилитель точно по тому пути, по которому она прошла первоначально. При этом она вновь испытает искажения из-за неоднородности вещества лазера-усилителя. Эти искажения точно равны по величине, но обратны по знаку искажениям, испытанным ею при первом прохождении через усилитель. В результате из усилителя выйдет дважды усиленное излучение, полностью свободное от искажений. Его оптическое качество не ухудшено по сравнению с излучением маломощного лазера-генератора!

Впоследствии было установлено, что не только вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна, но и другие процессы вызывают самовоздействие лазерного излучения в веществах, показатель преломления которых зависит от интенсивности лазерного излучения.

Академия наук СССР, учтя заслуги Б. Я. Зельдовича в исследовании и применении явления самообращения волнового фронта лазерного излучения, избрала его своим членом-корреспондентом.

ДВЕ ЦЕЛИ

Рассмотрим два случая использования явления самообращения волнового фронта.

Первый из них относится к попытке применить мощные лидеры для получения термоядерной энергии.

Мы знаем, что в таком реакторе маленькая мишень, содержащая тяжёлые изотопы водорода, маленькая водородная «льдинка», должна со всех сторон освещаться мощным лазерным излучением. Мощность его должна быть столь большой, чтобы быстро и сильно сжать мишень, одновременно нагревая её до сотен миллионов градусов. При этом водородная мишень превратится в гелий, что сопровождается значительным выделением энергии. Эта энергия и будет передаваться потребителю.

Можно представить себе, сколь сложно сосредоточить энергию многих лазеров на мишень, движущуюся внутри рабочей камеры установки. Сосредоточить так, чтобы мишень освещалась одновременно и равномерно со всех направлений. Здесь приходится решать две задачи: обеспечение одновременности генерации и «прицеливание» независимых лазеров-генераторов на мишень.

Применение обращения волнового фронта радикально упрощает обе задачи. Для этого мощные лазеры-генераторы заменяют ещё более мощными лазерами-усилителями, а мишень освещают излучением вспомогательного лазера. Мишень рассеивает его излучение. Рассеянное излучение попадает на лазеры-усилители и проходит сквозь них, приобретая большую дополнительную энергию. Позади каждого из них расположено устройство, обращающее волновой фронт излучения, заставляя его второй раз пройти через усилитель. Так как излучение с обращённым волновым фронтом точно повторяет (но в обратном направлении) путь излучения, прошедшего через усилитель, то оно неизбежно попадает на мишень. При этом становятся ненужными устройства для «прицеливания». Ненужными, несмотря на то, что мишень выстреливается в рабочую камеру реактора и движется в ней под действием силы тяжести.

Для того чтобы отпала необходимость прицеливания вспомогательного лазера на летящую льдинку, его пучок расширяют при помощи оптических линз так, что он освещает всю среднюю часть камеры. «Прицеливание» усилите лей не нужно потому, что их излучение в результате обращения волнового фронта вернётся в ту точку, где находилась мишень, когда её осветил пучок излучения вспомогательного лазера. Ведь скорость света столь велика по сравнению со скоростью движения мишени, что мишень не успевает сместиться за время, нужное свету, рассеянному ею, для прохождения от мишени сквозь усилитель и обратно.

Явление обращения волнового фронта использовано при разработке некоторых вариантов лазерного оружия звёздных войн.

Путём небольшого видоизменения эту систему можно применить для поражения космических объектов, например спутников связи и других сугубо мирных объектов и, конечно, для разрушения ядерных ракет. Для этого система убийца помимо маломощного лазера, излучение которого усиливается мощным наземным лазером, должна быть снабжена большим зеркалом, направляющим усиленный пучок лазерного излучения на цель.

РУКОТВОРНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Мы знаем лазер на искусственном рубине, на искусно подобранной смеси газов. Оказалось, что это не единственные вещества, которые могут зажечь лазерный свет.

Теперь мы познакомимся ещё с одним типом лазера. Рабочим веществом в нём служит стекло. Стекло – твёрдое тело, но по своему строению оно мало отличается от очень вязкой жидкости, например смолы. Разница между ними много меньше, чем различие стекла и кристалла.

В большинстве кристаллов образующие их ионы располагаются регулярно так, что их взаимное расположение многократно повторяется подобно рисунку на обоях. Конечно, это не полная аналогия, ибо рисунок повторяется на плоскости, а расположение ионов – в пространстве.

В стёклах упорядоченность может быть обнаружена только в расположении ближайших соседей. Дальше царствует хаос. Именно это и роднит стекло с жидкостями. Различие между ними лишь в величине вязкости. Она столь велика, а текучесть стекла столь мала, что по механическим свойствам оно близко к хрупким твёрдым телам.

Имеется ещё один признак отличия. Кристаллы плавятся, превращаясь в жидкость при вполне определённой для каждого вида температуре. Физики называют такое их превращение фазовым переходом. Кристаллическая фаза, говорят они, переходит в жидкую фазу при постоянной температуре. Так, лёд превращается в воду при 0 °C и в обычных условиях не может оставаться льдом при более высокой температуре.

Стекло же не знает такого перехода. При медленном нагревании его вязкость постепенно уменьшается до тех пор, пока не станет столь малой, что стекло превратится в жидкость. Изменение температуры во время такого перехода может достигать сотен градусов.

Стекло изредка встречается в природе. Это сплав окислов различных металлов, возникающих при извержении вулканов. Иногда капли стекла образуются при попадании молнии в песчаную почву. Стекло, применяемое людьми, изготавливается искусственно. Для этого в специальных печах расплавляют специально подобранные смеси окислов, тщательно перемешивают расплав и медленно остужают. Мастера на опыте определили составы смесей, позволяющих получать прозрачные бесцветные или окрашенные стекла.

Большая часть применяемых стёкол содержит в качестве основной части двуокись кремния. Такие стёкла называют силикатными.

Создатель первого лазера, работающего на стекле, американский учёный Е. Снитцер, изготовил для своего лазера особое стекло, добавив в исходный состав окись неодима, одного из редкоземельных элементов. Ионы неодима придали стеклу нежный сиреневый цвет. Снитцер изготовил из него круглый стержень, торцы которого были тщательно отполированы и посеребрены. Его генерация возбуждалась вспышками.

Лазерное излучение, порождаемое ионами неодима, лежит за пределами видимого спектра в начале его инфракрасной части. Многовековое совершенствование технологии производства стекла позволило изготавливать из него большие, весьма однородные блоки, предназначавшиеся для объективов крупных телескопов.

На этой основе технологами было налажено изготовление рабочих элементов для лазеров, намного превосходивших рабочие элементы из рубина по размерам и однородности. Важно и то, что они обходились гораздо дешевле.

Затем появились полупроводниковые лазеры. Возможность их создания предсказал Басов. Но реализация таких лазеров оказалась очень трудной.

Американским учёным удалось найти путь, технически сложный, но во многом более доступный. Они сформировали двухслойный полупроводниковый элемент, в котором на границе слоёв образуется тонкая прослойка. В ней и осуществляются условия, необходимые для усиления света, идущего вдоль пограничного слоя. Для реализации лазерного усиления достаточно пропускать поперёк пограничного слоя слабый электрический ток. Для получения лазерной генерации здесь можно обходиться без зеркальных слоёв. Достаточно научиться аккуратно скалывать края этого полупроводникового сэндвича так, чтобы сколы были параллельны между собой.

Преимущество полупроводникового лазера состоит в его способности преобразовывать энергию электрического тока непосредственно в энергию лазерного излучения. Вспомним, что в лазерах на рубине и стекле энергия электрического тока предварительно преобразовывается лампой-вспышкой в нелазерный свет. В газовом лазере электрическая энергия предварительно возбуждает газовый разряд. Полупроводниковые лазеры не нуждаются в подобных предварительных преобразованиях, и поэтому они работают более эффективно.

Второе преимущество полупроводникового лазера – простота управления величиной интенсивности его излучения.

Она меняется в зависимости от силы электрического тока, питающего лазер.

Наконец, третье преимущество полупроводниковых лазеров – их малые габариты и вес, а также, конечно, малый расход электрической энергии.

Однако полупроводниковые лазеры не могут конкурировать с другими по энергии и мощности излучения. Причина – быстрое ухудшение их лазерных характеристик при повышении температуры в рабочем элементе.

Выделение тепловой энергии в активном веществе во всех лазерах – неизбежный вредный спутник процессов, приводящих к возбуждению лазерных свойств. Поэтому перед физиками стоит задача уменьшить тепловыделение приборов, улучшить теплоотвод от лазерного элемента.

Все типы лазеров, о которых мы говорили, в большей или меньшей степени характеризуются одноцветностью излучения. Наиболее монохроматично излучение газовых лазеров, наименее – полупроводниковых. Степень одноцветности зависит от вида оптического спектра рабочего вещества. Спектр газов имеет вид очень узких спектральных линий. Спектры твёрдых тел характеризуются более широкими спектральными полосами. Они образуются от слияния близко расположенных спектральных линий.

В результате каждый тип лазера даёт излучение вполне определённого цвета: рубиновый – тёмно-красное; гелий-неоновый – красное; более алого оттенка; стеклянный «неодимовый» лазер – невидимое излучение с длиной волны около одного микрона. Цвет излучения каждого полупроводникового лазера зависит от его состава, и, меняя состав, можно варьировать длину волны лазерного излучения в широких пределах.

Получить лазер, дающий свет одного тона – большая победа учёных. Однако имеются области применения лазеров, в которых жёсткая монохроматичность является не достоинством, а недостатком.