Лавина электронов

Имя этого солнца - лазер (по первым буквам полного английского названия: "Lightamplification by stimulated emission of radiation" - "Усиление света путем вынужденного излучения").

Лазер - это генератор света, генератор световых электромагнитных колебаний. Но что же в нем особенного и чем его свет отличается от луча прожектора?

Для уяснения сущности лазера придется вспомнить, что такое свет, как он возникает и как человек создал свое земное солнце.

Даже для схематичного ответа на эти вопросы мы вынуждены обратиться к модели атома. Электроны, вращаясь вокруг ядра, могут находиться только на орбитах, расстояние которых от ядра фиксировано. Переход их с одной орбиты на другую всегда связан со скачком в пространстве. Величины этих скачков различны у различных атомов. Чем на более далекой от ядра орбите вращается электрон, тем большей энергией он обладает. Каждой орбите соответствует, таким образом, определенный энергетический уровень электрона.

Рис. 28

Под действием внешних сил, например при столкновении с другими атомами, электрон может переходить с одного уровня на другой. Но при этом не должен нарушаться закон сохранения энергии, справедливый и для микромира. При переходе на более высокий энергетический уровень электрон должен получить энергию, равную разности энергий этих уровней. При переходе на более близкий к ядру уровень электрон должен отдать энергию, опять-таки равную разности энергий этих уровней.

Электрон, как и все материальные тела, стремится занять положение с минимальным энергетическим потенциалом, то есть перейти на орбиты, близкие к ядру, подобно тому как брошенный вверх камень падает вниз или вода стекает в более низкое место.

Внимание, читатель! Мы подходим к тайнику, который с большим трудом удалось открыть блестящим мыслителям Земли - Планку, Эйнштейну и Бору: отдавать свою энергию электрон, "прыгающий" на более близкую к ядру орбиту, может только в виде излучаемых им электромагнитных колебаний. Как просто! Частота этих колебаний, или длина волны излучаемых вол! зависит только от разницы этих уровней и не зависит от структуры атома.

При большой разнице этих уровней излучают энергоемкие рентгеновы лучи. При меньшей - излучаются световые волны. И наконец, при малой разнице уровней радиоволны.

Любой источник света: Солнце, звезды, молния, электрическая лампочка, светлячок - содержит атомы с электронами, поднятыми на верхние энергетические уровни. Они излучают свет при своем переходе на нижние уровни. У атомов много возможных (или разрешенных) энергетических уровней. Поэтому, "прыгая" с разных уровней на один и тот же нижний, электроны будут испускать световые лучи разной частоты или разного цвета. Эти цвета сливаются и дают то, что воспринимает наш глаз: солнечный свет, или обычный белый свет. Он, следовательно, есть смесь цветов от темно-красного до фиолетового (отсюда и название "белый шум" в радиотехнике: хаотическая смесь колебаний всех частот). Если часть этих составляющих отсутствует, то свечение приобретает ту или иную окраску. Этот же принцип получения света за счет "прыгающих" вниз (конечно, в энергетическом смысле) электронов лежит в основе лазера, но с существенной модификацией.

Рис. 29

В лазере электроны "прыгают" не с разных энергетических уровней на разные более низкие энергетические уровни, а все с одного верхнего на один и тот же более низкий. Но это еще не все. Этот коллективный прыжок совершается строго одновременно, или синхронно. Проносится мгновенная лавина электронов.

Поэтому элементарные колебания, излучаемые каждым прыгуном, точно повторяют друг друга во времени. Такие колебания называются синхронными, или совпадающими по фазе, а также когерентными.

Мне кажется, что сейчас самое время ввести понятие фазы. Нужно оно для измерения сдвига во времени между двумя (или несколькими) колебаниями равной частоты. Обычно период колебаний разбивают на 360 градусов, и сдвиг между колебаниями ψ измеряется в градусах. Как мы видели, ноги идущего человека "колеблются" в противофазе, то есть имеют сдвиг на 180 градусов, или на полпериода.

В нашем примере с одновременно прыгающими электронами с одной орбиты на другую сдвиг их фаз равен нулю (ψ=0). Поэтому имеет место простое суммирование колебаний, излучаемых отдельными электронами. Это позволяет получить от лазера очень мощный световой импульс. Так как все электроны прыгают с одной и той же энергетической ступеньки, то излучаются колебания одной и той же частоты. Поэтому лазер дает не белый свет, а одноцветный; в зависимости от величины ступеньки он будет либо красный, либо зеленый и т. д.

Неотъемлемой частью лазера является так называемая активная среда, в которой тем или иным способом создается состояние, когда число электронов на верхних уровнях больше, чем на нижних. Такой средой может быть твердое вещество, жидкость или газ. Для одновременного, а не случайного (спонтанного), как при получении белого света, перехода электронов нужна внешняя синхронизирующая сила. Ею может быть, например, свет с длиной волны, соответствующей разности энергий уровней перехода. Освещая активную среду, луч заставит электроны синхронно прыгнуть на нижний уровень. При этом они будут излучать свет той же длины волны. Но этот световой поток может быть существенно более мощным.

Описанный эффект есть не что иное, как усиление света. Если же к такому усилителю добавить как бы обратную связь, то есть часть усиленной волны использовать для управления "активной средой", то получим генератор световых колебаний. Он и получил название "лазер".

Да не обвинит меня строгий читатель в попытке гальванизировать мумию вечного двигателя.

В самом деле, излучаемый световой поток частично возвращается в генератор и обеспечивает следующий цикл излучения и т. д. и т. д. Ошибка в этих рассуждениях в том, что не учитывается затрата энергии на непрерывную подготовку активной среды. За счет этой внешней энергии, часто называемой энергией подкачки, и работает лазер.

С точки зрения наших задач лазер обладает тремя ценными свойствами.

Это, во-первых, возможность получения светового потока большей мощности по сравнению с мощностью любого другого земного источника света.

Во-вторых, высокая направленность излучения. Так, пучок лазера, направленный на Луну, осветит область, диаметр которой не более 40 километров.

В-третьих, гигантская несущая частота светового луча позволяет одновременно передавать с его помощью невиданный поток информации. Этот поток может быть в миллионы раз больше, чем в радиоканалах. Последнее очень существенно для нашей задачи (см. ниже).

В настоящее время лазеры генерируют колебания в диапазоне волн от 300 до 0,3 микрона, а излучаемая мощность достигает в непрерывном режиме десятков ватт, в импульсном - многих миллионов ватт.

Уже эти мощности позволяют выходить в космос через световое окно и освещать наших ближайших космических соседей. На Земле уже принят луч лазера, посланный к Луне и отраженный от нее.

Но ведь искусственное солнце только делает первые шаги. В будущем оно, по-видимому, грозный конкурент радиоволнам для межзвездной связи.

Мы установили, что две щели в доспехах Земли пропускают в обе стороны свет и радиоволны. Использованием этих окон в режиме "вовне" мы займемся в следующей главе. Здесь же нас интересует режим "извне". То, что поступает к нам в световое окно известно всякому зрячему обитателю Земли. А что шлют нам звезды в радиоокно?