Журнал «Компьютерра» № 19 от 23 мая 2006 года

До появления статьи Эйнштейна «Квантовая теория излучения» физики не сомневались, что проникающие в материальную среду фотоны взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул лишь двумя путями – либо поглощаются и переводят частицы среды на более высокий энергетический уровень, либо испускаются с одновременной потерей этими частицами части своей энергии. Эйнштейн первым понял, что существует еще одна возможность. Допустим, частица вещества уже находится в возбужденном состоянии с энергией E2. Тогда при встрече с фотоном, энергия которого равна разности между E2 и энергией E1 другого, «нижележащего» состояния этой частицы, частица излучит фотон, а сама перейдет в состояние E1. Очень важно, что новорожденный квант полностью тождествен первому – у него такая же энергия E2–E1, такое же направление движения, такая же поляризация и такая же фаза. Получается, что исходный фотон принуждает частицу «породить» его собственную копию. Такой тип излучения называется вынужденным (в 1924 г. этот термин первым использовал американский физик Джон ван Флек, John van Vleck).

В обычных условиях возникновение вынужденного излучения маловероятно. На это есть две причины. Во-первых, энергия затравочных фотонов должна надлежащим образом соотноситься с энергетическим спектром возможных состояний частиц среды, что случается далеко не всегда. Во-вторых (и это важнее), в норме среда пребывает в термодинамическом равновесии, и абсолютное большинство ее частиц находятся в состоянии с минимальным значением энергии (его называют основным).

Падающий фотон имеет неизмеримо больше шансов встретиться именно с такой частицей и поглотиться ею, нежели попасть в окрестность частицы, способной в результате контакта излучить фотон-копию. Поэтому неудивительно, что вынужденное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим понятием. Косвенные экспериментальные свидетельства реальности этого явления впервые появились в 1928 г., а прямые – почти двумя десятилетиями позже.

Получить вынужденное излучение заметной интенсивности в принципе несложно. Лучший (но, как сейчас известно, не единственный) рецепт предписывает изготовить среду, которая содержит на верхнем уровне E2 больше частиц, чем на нижнем E1. В этом случае у фотона с энергией E2–E1 больше шансов запустить процесс генерации вынужденного излучения, нежели поглотиться. Среда, которая отвечает этому условию, называется инверсной. Инверсные среды получают искусственно, разными способами, причем все они требуют затраты энергии. Самостоятельно такие среды возникают очень редко – например, это происходит в верхних слоях марсианской атмосферы, где под действием солнечного излучения резко увеличивается доля молекул углекислого газа, находящихся в возбужденном состоянии. Любопытно, что это явление было открыто лишь в 1981 г. – через много лет после появления лазера.

Инверсная среда может быть источником излучения, но, как правило, физически неинтересным. Такая среда всего лишь самопроизвольно (как говорят физики, спонтанно) излучает по всем направлениям фотоны одинаковых энергий (монохроматический свет). Именно это и происходит на Марсе – вынужденное излучение молекул двуокиси углерода равномерно рассеивается по всем направлениям.

Ситуация радикально изменится, если из инверсной среды извлекать энергию, сконцентрированную в узком пучке. Проще всего это сделать, поместив среду в трубку с зеркалами на концах, перпендикулярными к оси трубки. Поскольку спонтанное излучение распространяется во все стороны, какая-то часть его направится строго вдоль оси трубки. Эти фотоны, и только они, многократно отразятся от зеркал и извлекут из среды свои многочисленные копии. В результате пространство между зеркалами заполнится одинаковыми фотонами, мечущимися в обоих направлениях. Пока воздействие на среду обеспечивает сохранение инверсии, это положение сохраняется. Однако если хоть одно зеркало сделать полупрозрачным, то часть фотонов уйдет наружу (непрерывно или импульсами, в зависимости от того, как именно осуществляется инверсия). В итоге возникнет либо стабильный, либо пульсирующий поток (в случае пары полупрозрачных зеркал – два потока) идентичных фотонов. Подобное излучение называется когерентным. В идеале все когерентные фотоны обязаны двигаться параллельно, но на практике луч все же будет расходиться, хоть и незначительно. Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного когерентного светового излучения.

Выходит, что для работы лазера необходимы три основных компонента: оптическая среда, способная пропускать и излучать фотоны; физический механизм, приводящий ее в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой); наконец, устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (так называемый оптический резонатор), в данном случае – торцевые зеркала.