Ну а далее мазер испускает излучение на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточными и нижним уровнями. (Разделение частоты накачки и рабочей частоты сыграло большую роль в эволюции всех квантовых приборов.)
В 1956 г. Николас Бломберген (р. 1920, Нобелевская премия 1981 г.) предлагает отойти от использования только газовых сред как рабочего вещества и взять за основу при разработке мазеров принцип трех уровней в кристаллах.
В том же 1956 г. Таунс показывает, что такие трехуровневые системы можно найти в некоторых твердых кристаллах, содержащих примеси. Эти атомы, будучи возбуждены высокой частотой накачки, могут затем достаточно долго сохранять возбуждение на промежуточном, рабочем уровне, чтобы потом, когда их количество достигнет критического значения, разом под действием фотона резонансной частоты излучить накопленную энергию.
В 1958 г. Таунс и его шурин, муж младшей сестры, Артур Л. Шавлов (р. 1921, Нобелевская премия 1981 г.) сформулировали условия построения мазера, излучающего в инфракрасной, видимой и даже ультрафиолетовой областях спектра.
А в 1960 г. Теодор Г. Мейман (р. 1927) запустил первый твердотельный лазер (от английского выражения light amplification by stimulated emission оf radiation — световое усиление с помощью стимулированного излучения), излучавший красный свет, со стержнем из искусственного рубина с зеркальными концами. Рубин химически представляет собой прозрачный окисел алюминия (Al2O3), матрицу с примесями в виде атомов хрома, которые и создают его окраску, а в лазерах являются «работающими» трехуровневыми системами.
В дальнейшем были предложены и осуществлены различные схемы построения лазеров. Одной из самых популярных стало стекло с атомами неодима, работающее по четырехуровневой схеме — рабочим переходом является переход между третьим и вторым уровнями, что обеспечивает возможность получения больших мощностей[48] и т. д. Дальнейшее развитие лазеров носило лавинообразный характер, приведя к образованию новой области — квантовой электроники. Накачка лазеров может производиться током, светом, излучением других типов лазеров, а также в ходе химических реакций. Ныне лазеры — газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные — используются в связи, машиностроении, медицине, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве и в военных областях.
Особую роль, включая сейчас уже даже домашнюю электронику, играют миниатюрные лазеры на так называемых гетеропереходах, созданные группой Жореса Ивановича Алферова (р. 1930). Он разделил Нобелевскую премию 2000 г. с Хербертом Кроемером за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров», и с Джеком Килби за работы в области интегральных схем.
Нередко в ходе исследовании приходится придумывать какие-то необычные приспособления их подручных материалов. Так, поскольку измерить интенсивность излучения лазера было в начале работ не очень просто, в лабораториях стали использовать такую «единицу»: число лезвий безопасных бритв (выбирали стандартные), прожигаемых одиночным импульсом. И вот в серьезных докладах зазвучали слова типа: «Использовали лазер в три бритвы…»
Развитие физики лазеров привело к выделению такой области исследований как лазерная химия, возможно лазерное разделение изотопов, исследуются возможности лазерного индуцирования термоядерных реакций (А. Д. Сахаров, 1962) и т. д. Рассматриваются возможности объяснения ряда наблюдаемых небесных явлений с учетом мазерных эффектов в их излучениях.
Уже очень давно высказывались предположения, что, в принципе, можно было бы осуществить эффект индуцированного излучения не на атомных, а на ядерных уровнях — это позволило бы строить лазеры в рентгеновском и даже гамма-диапазонах (их заранее назвали разерами и газерами), однако до сих пор реальных результатов в этом направлении получено не было.
Важнейшими особенностями лазерного излучения являются его высокая монохроматичность, т. е. строгая одинаковость частоты всего излучения, когерентность, т. е. равенство фаз по всему излученному импульсу (напомним, что только когерентные волны могут интерферировать), краткость импульсов и их мощность, острая направленность луча, выходящего из резонатора. Так, еще 9 мая 1962 г. луч лазера, направленный на Луну, создал на ее поверхности освещенное пятно диаметром около 6,4 км, видное с Земли. Современные лазеры могли бы послать «зайчик» меньшего размера, но гораздо большей яркости.
В 1985 г. Чу и его коллеги создали такое пересечение лазерных лучей (его назвали «оптической патокой»), в котором скорость атомов газа уменьшалась в несколько тысяч раз, а это соответствует уменьшению температуры в сотни раз. Разработанная ими же атомная ловушка, использующая лазеры и магнитные катушки, могла фиксировать охлажденные атомы и давала возможность их исследования. Между 1988 и 1995 гг. Коэн-Тануджи и его коллеги добились охлаждения атомов до температуры в 1 микрокельвин, что соответствует скорости их колебаний всего в 2 см/с. Среди других прикладных программ методы, которые они разработали, позволяют создать атомные часы чрезвычайно высокой степени точности, порядка одной секунды за три миллиарда лет.
Стоит упомянуть еще одно направление лазерных исследований.
Представляется естественным, попытаться использовать лазеры для ускорения частиц, например электронов. И такие попытки, конечно, делались и продолжают делаться. Но вот совсем не тривиальной представляется постановка обратной задачи: использовать лазерное излучение для охлаждения вещества — так послать лучи, чтобы они тормозили тепловое движение атомов.
Эту задачу поставили и решили Стивен Чу и Уильям Дэниел Филлипс (оба род. 1948) в США и Клод Нессим Коэн-Тануджи (р. 1933) во Франции, удостоенные Нобелевской премии 1997.
3, Нелинейная оптика
В 1962 г. Н. Бломберген опубликовал, вместе с коллегами, общую теорию нелинейной оптики, которую впоследствии он и многие другие исследователи существенно расширили (работы по нелинейным эффектам в оптике, которые вели до того — например, С. И. Вавилов — упирались в малую мощность существовавших источников излучения).
Бломберген показал, что в лазере или в среде, через которую проходит его излучение, могут появиться гармоники, кратные основной частоте и подобные обертонам в звуке, в результате чего можно получить излучение более высоких частот. Описав предполагаемое взаимодействие трех лазерных пучков, в результате которого образуется четвертый пучок, частотой которого можно управлять с высокой точностью, Бломберген заложил теоретические основы для создания лазера с перестраиваемой частотой. А это позволило Шавлову развивать лазерную спектроскопию, получить новые, весьма подробные сведения о строении атомов и молекул: отмечая, какие именно частоты предпочтительно поглощаются или испускаются, спектроскопист может определить характеристические энергетические уровни, т. е. строение исследуемого материала. Точное знание частоты пучка, что обеспечивается монохроматической (одночастотной) природой лазерного света, а также возможность точно настраивать частоту на различные энергетические уровни позволяют проводить более глубокий анализ веществ.
Нелинейные оптические процессы можно попытаться разделить на две группы: первая — это те, которые определяются взаимодействием света со многими атомами и через это — самих атомов друг с другом, а вторая группа определяется взаимодействием многих фотонов с одним атомом, когда влиянием соседей можно пренебречь, эту группу явлений называют многофотонными процессами.
Один из самых красивых эффектов первого типа — это явление самофокусировки (Г.А. Аскарян, 1967): сходящийся пучок света в веществе так увеличивает показатель преломления на своем пути, что в среде возникает «световод» — луч далее не расходится, а распространяется в виде трубки или пучка нитей.
Среди многофотонных процессов особенно примечательны два: образование высших гармоник и многофотонная ионизация. Дело в том, что как уже отмечалось, прямым путем не удается построить лазер, генерирующий достаточно мощное излучение в ультрафиолете, не говоря уж о более высокочастотных частях спектра. Поэтому основные надежды возлагаются на получение гармоник достаточно высокого порядка — к настоящему времени получены уже более чем сотые гармоники, но с малыми КПД. В этой области остается еще очень много неясного, и поэтому она интенсивно исследуется.
Глава 4
Приборы для физики ядра и частиц
1. Для чего они нужны?
Аппаратура, используемая исследованиях ядра и частиц, состоит из детекторов частиц (приборов для их регистрации) и устройств для их создания и ускорения. Но помимо того, разработка таких приборов ведет к созданию энергетических установок (ядерных реакторов), а в будущем, возможно, к термоядерным реакторам и, не исключено, — к новым типам двигателей, новому оружию и т. д.