Як проектували лазер
У заключній главі прийнято підбивати підсумки. Але ми не будемо витрачати час на перерахування питань, які не встигли розглянути. Розповімо краще про лазерах, які є найяскравішим втіленням квантової теорії. Лазери ставляться до піонерським винаходам. Так називаються винаходи, які не мають аналогів. Хоча в рекламі можна зустріти фразу типу, “новий телевізор не має аналогів”, насправді це не так. У будь-якого телевізора є аналог, оскільки навіть новітній телеприймач зобов’язаний приймати стандартний сигнал від телестудії. Піонерським є винахід, що працює на нових наукових принципах, які ще потрібно відкрити. Наприклад, пароплав винайшли на початку 19-го століття. Але цей винахід не можна назвати піонерським, так як паровоз винайшли ще в 18-му столітті. Взагалі кажучи, парову машину могли зібрати ще древні греки, які мали уявлення про енергію пари. Лазер – інша справа. Щоб винайти лазер, знадобилося спочатку створити новий розділ фізики – квантову електроніку. Це було зроблено вже в 20-му столітті. Звернімося до фактів.
Всім відома звичайна лінза. Вона переломлює промені світла, зводячи їх в крихітне плямочка. Променем від лінзи можна підпалити папір або суху траву. Але лист металу цим променем пропалити неможливо, енергія недостатньо сконцентрована. Справа в тому, що заломлення променів залежить від частоти світла. Саме з цієї причини сонячний промінь розпадається в спектрометрі в райдужну смужку. Тому, як не шліфують лінзу, фотони різного кольору будуть потрапляти в різні місця і великої концентрації світлової енергії не одержати. От якби всі фотони мали однакову частоту. Тоді їх можна було б сфокусувати в одну точку на мішені, де щільність енергії зросла б у сотні тисяч разів. Таким променем можна марнувати оболонки ракет або збивати супутники з орбіти. Виникає питання, де взяти джерело світла, який видав би в потрібний момент потрібну кількість фотонів з однаковою частотою? До цих пір ми переконувалися, що атоми випромінюють фотони, які поглинають самі. Цього вимагає класичний принцип теплового рівноваги.
Припустимо, що створена нерівноважна середовище, яке поглинає фотони, але не випромінює відразу, а зберігає енергію деякий час в однакових збуджених електронних оболонках. Таке продовжений стан збудження називають метастабільним. Якщо все метастабільні оболонки, як по команді, ізлучат разом однакові фотони, то це буде те, що потрібно. Слід зауважити, що в водородоподобном атомі метастабільний стан неможливо. Сферична оболонка такого атома не спроможна “затримувати дихання”, вона відразу випромінює надлишок енергії. Очевидно, тут потрібен твердий прозорий кристал, з домішкою атомів, у яких електронні оболонки можуть роздуватися, як грибообразной хмара, над оболонками основних атомів. Оболонки основних атомів будуть підпирати грибоподібні оболонки домішки, не дозволяючи їм досить довго повернутися в початковий стан. Допустимо, такий кристал ми знайшли. Але де той “спусковий” механізм, який змусив би все метастабільні оболонки разом випроменити однакові фотони?
Його знайшов Ейнштейн. Вивчаючи в наукових звітах розбіжність балансу між атомами середовища і зовнішніми фотонами (зі звітів випливало, що деякі зразки випромінюють більше фотонів, ніж поглинають), він прийшов до висновку, що крім класичного теплового випромінювання світла в речовині присутній додатковий квантовий механізм, який створює надлишок фотонів. Уявімо, що в водородоподобном атомі дозволені рівні енергії з наступними значеннями: Е = -10, -6, -3, -1, -0.5 і т. Д. (ЕВ). При високій температурі в зразку є достатньо атомів, в яких електрони перебувають на 2-му рівні: Е2 = -6 еВ. Припустимо, в даний атом потрапляє фотон з енергією hν = 4 еВ. Відповідно до теорії квантів, атом не може поглинути цей фотон, щоб електрон перейшов на більш високий рівень. Для 3-го рівня це багато (потрібно рівно 3 еВ). Для 4-го рівня це мало (потрібно рівно 5 еВ). Зате енергія цього фотона в точності дорівнює надлишку енергії електрона щодо першого рівня Е1 = -10 еВ. Отримавши “удар” саме від фотона 4 еВ, електрон може скинути надлишок енергії 4 еВ у вигляді кванта 4 еВ і повернутися на 1-й рівень. В результаті з атома вилетять два фотони з однаковою енергією hν = 4 еВ.
Ейнштейн назвав цей механізм “вимушеним випромінюванням”, так як чужий фотон змушує збуджений електрон випроменити свій фотон. Якщо ці два фотони потраплять в два інших атома, де є такі ж збуджені електрони, то після двох зіткнень в просторі з’являться чотири фотона з однаковою частотою. Враховуючи швидкості фотонів, за частку секунди станеться лавиноподібне розмноження фотонів, причому всі вони будуть мати однакову частоту. Якщо ці фотони зібрати в пучок увігнутими дзеркалами і пропустити через систему лінз, то теоретично все випромінювання буде бити в одну точку і марнувати все на світі. Справа за малим, потрібно підібрати відповідний кристал.
Мейман використав кристал рубіна, який состо ит з окису алюмінію з домішкою хрому. Особливість рубіна в тому, що він містить хром у вигляді тривалентних іонів, в той час як зазвичай хром має валентність шість. При поглинанні світла рубіном три зовнішні оболонки хрому розширюються, займаючи місце відсутніх. Набряклі оболонки хрому підпираються оболонками алюмінію, які перешкоджають їх поверненню в початкове положення. Так забезпечується метастабільний стан оболонок хрому. За рахунок ефекту замикання час життя метастабільних оболонок в рубіні збільшується в сто тисяч разів! З’явилася надія, що майже всі атоми хрому встигнуть прийняти участь в розмноженні фотонів. Проблема в тому, що к. п. д лазера обмежений концентрацією хрому. Вона не повинна бути надмірною, щоб кристал не втратила прозорість. Тому ми не вправі чекати великої потужності від такого лазера. Але тут справа принципу. Вперше в науці з’явилася можливість створити монохромний промінь не фільтрацією сонячного світла, а за допомогою квантового механізму вимушеного випромінювання, передбаченого Ейнштейном.
Як джерело енергії накачування Мейман використав потужну імпульсну ксенонової лампи, виготовлену у вигляді трубки, завитий в спіраль. Кристал рубіна у вигляді циліндрика розміром з олівець закріпили всередині спіралі. Дзеркала для фотонів напилю на торці кристала. В одному з дзеркал залишили віконечко для вихідного променя. Лампу обмотали фольгою для кращого відображення світла всередину. Досвід почався.
Після найпотужнішою спалаху лампи практично всі валентні електрони атомів хрому, поглинувши фотони з довжиною хвилі 694 нм (червоне світло), перейшли в метастабільний стан, де були замкнені оболонками алюмінію на період часу 10-3 с. Але, згідно з принципами квантової теорії, як мінімум один збуджений електрон майже відразу (через 10-8 с) повинен був просочитися через електронний бар’єр і повернутися на нижній рівень. При цьому атом хрому повинен випроменити фотон червоного кольору, який почне лавиноподібний процес генерації випромінювання. Все так і сталося. Вже через 10-4 с після моменту спалаху все метастабільні електрони вимушено випромінюючи міріади фотонів і повернулися в початковий стан. Фотони, концентруючись, металися уздовж осі кристала між дзеркалами, поки не стиснулися в надтонкий промінь, який вийшов через вікно на торці рубіна і пропалив дірку в мішені. Весь процес генерації лазерного монохромного променя зайняв менше однієї мілісекунди. Успіх був очевидний. Надалі Мейман організував комерційне виробництво лазерів і став заможною людиною.
Перший лазер мав невелику потужність, всього кілька ват. В даний час винайдені інші лазери, в тисячі разів могутніше. В якості робочого середовища в них використовують кристали, органічні рідини і навіть гази. Нові лазери застосовуються для різання металу, кераміки, в хірургічній практиці. У пресі іноді з’являються повідомлення про бойові лазерах, але ці проекти поки знаходяться на стадії дослідних розробок. Проблема в тому, що для збивання ракети потрібно лазерний промінь з потужністю не менше 100 кВт. Це означає, що для надійної роботи бойового лазера потрібен генератор енергії з потужністю близько 10 МВт. Такі генератори є, але вони так громіздкі, що вся лазерна система поки не поміщається ні в літаку, ні на танку.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)