Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики

Классическая теория колебаний утверждает, что диполь, на который воздействует периодически изменяющееся электромагнитное поле, может, в зависимости от соотношения фаз между колебаниями поля и колебаниями самого диполя, либо поглощать энергию поля, либо отдавать ее полю. В первом случае имеет место положительная абсорбция, во втором — отрицательная абсорбция или вынужденное излучение энергии под влиянием электромагнитного поля. Это излучение отлично от обычного спонтанного излучения, происходящего под влиянием внутренней неустойчивости системы, и обычно складывается с ним. Так как вынужденное излучение стимулируется внешним полем, то, в отличие от спонтанного излучения, оно будет строго согласованным во времени.

А. Эйнштейн первым в 1917 г. распространил этот принцип на квантовые системы, указав, что атомы также должны испускать вынужденное излучение под влиянием падающей электромагнитной волны. Только при этом условии ему удалось вывести формулу Планка на основе статистических соображений.

В 1927 г. английский физик П. Дирак обратил внимание на то, что вынужденное излучение атомов должно иметь место лишь при условии совпадения частоты падающего электромагнитного излучения с одной из возможных частот для атомов данного сорта. Иными словами, атомы должны испускать такие же кванты, какие содержатся в падающем излучении.

Заинтересовавшись природой вынужденного излучения, советский физик, профессор В. А. Фабрикант решил подробно разобраться в этом вопросе. В 1939 г. В. А. Фабрикант защитил докторскую диссертацию, в которой впервые теоретически обосновал возможность создания оптических сред, усиливающих проходящий через них свет. В 1951 г. он вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал авторское свидетельство на эту идею, осуществление которой позволило бы создать принципиально новый способ усиления электромагнитного излучения.

На пути к созданию такой среды, значительная часть атомов которой, в нарушение термодинамического равновесия, длительное время находится в возбужденном состоянии, встретились очень большие трудности. Первыми их преодолели советские физики академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. В 1952 г. они сообщили на научной конференции о работе по созданию молекулярного усилителя и генератора радиоволн на аммиаке. В этом необычном генераторе все молекулы аммиака согласованно излучали электромагнитные волны одной и той же длины. Постоянство частоты генератора было так велико, что первым его применением оказалась служба времени. Построенные на таком принципе молекулярные часы имеют непревзойденно высокую точность.

Вскоре об аналогичном молекулярном генераторе радиоволн сообщил американский физик Ч. Таунс. Он же предложил называть такие генераторы мазерами.

Так родилась квантовая электроника.

Но всеобщее признание она получила лишь после создания квантовых генераторов оптического диапазона — лазеров. Первый лазер был создан в 1960 г. Немалая доля заслуг в создании лазеров также принадлежит советским физикам академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и профессору В. А. Фабриканту.

Вот как, например, выглядит газовый лазер.

Его основная деталь — продолговатая трубка, заполненная смесью двух благородных газов — гелия и неона. За торцами трубки находятся плоские строго параллельные зеркала, способные отражать до 99 % падающего на них света, одно из которых слегка прозрачно.

Возбуждая с помощью электродов газовый разряд в трубке, мы прежде всего сообщаем энергию атомам гелия, а они, в свою очередь, возбуждают путем столкновений атомы неона. Так как атомы неона излучают полученную энергию не мгновенно, а с некоторой задержкой, в газовой смеси возникает большое количество возбужденных атомов неона. Первые же кванты, излученные атомами неона, многократно отражаясь от зеркал, стимулируют путем вынужденного излучения лавинообразный процесс освобождения энергии, приводя к мощной вспышке монохроматического света. Этот процесс можно повторять с большой частотой.

Лазеры имеют много преимуществ перед обычными источниками света. Чтобы получить от нити лампы накаливания такую же яркость светового луча, какую дает лазер, надо нагреть ее до температуры в 10 миллиардов градусов, а это в полтора миллиона раз выше температуры поверхности Солнца.

Плотность энергии в пучке лазерного света так велика, что под влиянием ее расплавляются самые тугоплавкие материалы и прожигаются отверстия в алмазах.