Проклятые вопросы - Ирина Радунская

Этот элемент представляет собой кювету с раствором одного из специальных красителей. Кювета и рабочий элемент лазера расположены соосно между зеркалами обратной связи. Концентрация красителя выбрана такой, что зеркала «не видят» друг друга из-за сильного поглощения света красителем.

При включении лампы-вспышки в ионах, сообщающих лазерные свойства веществу, из которого изготовлен рабочий элемент лазера, быстро накапливаются запасы энергии. Эта энергия частично превращается в световую энергию в результате люминесценции — явления, порождающего свечение люминесцентных ламп (например, ламп дневного света), свечение циферблатов часов, свечение гнилушек, светлячков и некоторых морских организмов. Это свечение возникает в ионах рабочего элемента лазера, причём в каждом из ионов независимо — по законам случая.

Однако по мере накопления энергии в рабочем элементе всё большее количество ионов приобретает способность к люминесценции. Постепенно таких ионов становится так много, что они перестают быть независимыми. Когда способность к люминесценции приобретёт более половины ионов, содержащихся в рабочем элементе, возникнет эффект, предсказанный Эйнштейном в 1918 году, задолго до лазерной эры. Эйнштейн назвал его вынужденным испусканием. Суть его состоит в том, что фотон, испущенный одним ионом (или другой квантовой системой микромира), побуждает другие ионы того же типа испустить точно такой же фотон, причём в том же направлении. Имеется в виду, что первый из испущенных фотонов пролетает достаточно близко к ионам, получившим дополнительную энергию (в нашем случае — получившим её от лампы-вспышки).

В результате этого число актов вынужденного испускания быстро, подобно лавине, возрастает по мере того, как первоначальный фотон порождает себе свиту близнецов. Физики называют такой процесс вынужденной люминесценцией. Она развивается особенно сильно вдоль рабочего элемента и, выходя через его торец, обращённый в сторону кюветы с красителем, поглощается в нём.

Но поглощающая способность красителя не безгранична. Поглощая фотоны, он постепенно обесцвечивается. При этом часть фотонов проникает сквозь кювету, отражается от зеркала, вторично проходит сквозь кювету и опять попадает в рабочий элемент. Там эти фотоны снова вызывают новые акты вынужденного испускания. Поток фотонов, усиленный таким образом, отражается от второго зеркала обратно в рабочий элемент.

Так начинает действовать обратная связь и возникает лазерная генерация. Теперь она развивается много быстрее, чем при применении механических средств. Импульсы излучения, возникающие в таких лазерах, обладают замечательными свойствами. Анализ показал, что они состоят из регулярной последовательности чрезвычайно коротких импульсов, длительность которых может составлять лишь доли наносекунды (наносекунда равна 10-9 секунды). Промежутки между сверхкороткими импульсами излучения равны времени, затрачиваемому светом для то го, чтобы дважды пройти расстояние между зеркалами, осуществляющими обратную связь.

Физики научились выделять один из этого потока сверхкоротких импульсов. А недавно они разработали способы дополнительного уменьшения длительности импульсов вплоть до нескольких фемптосекунд (фемптосекунда равна 10–15 секунды). Это открыло возможность изучать кратковременные процессы, происходящие за время, в течение которого свет успевает пролететь расстояние всего в три микрона.

Для некоторых технических целей нужны столь большие энергии, что их невозможно получить при помощи лазеров, описанных выше. Поиски новых возможностей привели к успеху.

Прохоров и его сотрудник Конюхов особенно преуспели в создании лазеров нового типа — газодинамических лазеров. Их действие основано на особенностях охлаждения очень горячих газов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями в особых соплах. При таком движении в газе нарушается тепловое равновесие. Молекулы, обладающие более высокой внутренней энергией, начинают численно преобладать над теми, внутренняя энергия которых меньше.

Именно в подобных случаях вынужденное испускание фотонов, предсказанное Эйнштейном, преобладает над поглощением. Пропустив такой газовый поток между зеркалами, реализующими обратную связь, получают лазерную генерацию.

Таким образом, газодинамический лазер состоит из устройства для нагрева газа, сверхзвукового сопла, системы обратной связи — оптического резонатора — и устройства для нейтрализации отработавшего газа.

Самые мощные газодинамические лазеры работают на смеси углекислого газа с азотом и другими примесями, близкими к тем, о которых говорилось выше. Но в отличие от них генерацию в газодинамических лазерах получают в продуктах сгорания углеводородных топлив. Так можно в течение длительного времени получать непрерывную лазерную генерацию с мощностью до сотен киловатт.

Несколько слов о химических лазерах. Их получили академик Басов, член-корреспондент РАН, В. Л. Тальрозе, профессор А. Н. Ораевский и их сотрудники. Они добились больших успехов в разработке и создании химических лазеров. Энергия, необходимая для генерации, черпается в них непосредственно из химической реакции газов. Наиболее изучена и наиболее широко применяется реакция соединения фтора с водородом.

Полупроводниковые лазеры тоже прошли большой путь развития. Основной задачей исследователей было уменьшение величины электрического тока, необходимого для получения лазерной генерации. Уменьшение силы тока позволило ограничить нежелательное тепловыделение, а значит, устранить необходимость применения специальных охлаждающих устройств. Многочисленные попытки достичь этой цели изменением конструкции полупроводниковых лазеров или созданием новых полупроводниковых материалов не привели к существенному продвижению к цели. Требовалась новая радикальная идея. Следовало отказаться от попыток улучшать известное. Путь эволюционных изменений себя исчерпал.

Радикальное предложение внёс сотрудник Ленинградского физико-технического института РАН, ныне академик, лауреат Нобелевской премии за 2002 год Жорес Иванович Алфёров. Нет ничего удивительного в том, что радикальная идея в области полупроводников возникла в ленинградском Физтехе. Ведь там существует мощная школа физиков, учеников и последователей создателя Физтеха академика А. Ф. Иоффе, первым понявшего широкие перспективы исследований и применений полупроводников. В Физтехе исследования физики полупроводников и поиск путей их технического применения велись с первых лет существования этого первого научного учреждения, созданного советским народом после победы Октябрьской революции.

К началу Великой Отечественной войны из стен Физтеха вышли и были освоены промышленностью принципиально новые полупроводниковые выпрямители электрического тока, чувствительные фотоприёмники и эффективные генераторы, питавшие партизанские радиостанции.

Алфёров установил, что основным препятствием на пути совершенствования полупроводниковых лазеров является то, что кристаллическая структура полупроводниковых элементов зависит от их состава. Но для изготовления полупроводникового лазера необходимо создать структуру, в которой объединены два неодинаковых полупроводника. Объединены так, чтобы между ними возник тонкий плоский переходный слой. Именно свойства этого переходного слоя определяют достоинства и недостатки полупроводникового лазера.

Выход, предложенный Алфёровым, состоит в том, что нужно научиться создавать тонкие слои полупроводника, обладающие различным химическим составом, различными электрическими свойствами, но одинаковой кристаллической структурой. Если кристаллическая структура приграничных слоёв двух полупроводниковых веществ одинакова и одинаково ориентирована в пространстве, то возникает оптимальное согласование их свойств.

Такой переходный слой получил название «гетеропереход». «Гетеро» — от греческого слова «другой».

Применение гетеропереходов привело к существенному улучшению свойств различных полупроводниковых приборов. Особое значение они приобрели при создании новых типов лазеров. Таким путём удалось в десятки тысяч раз уменьшить силу тока, необходимого для достижения лазерной генерации.

В результате этого полупроводниковые лазеры получили широкое применение. Главная область, где в полной мере проявляются их достоинства, — световодные системы связи. С их помощью в этих системах электрические сигналы преобразуются в оптические, которые распространяются в световодах на расстояния в сотни и тысячи километров. Полупроводниковые приёмники вновь превращают световые сигналы в электрические. После усиления эти сигналы направляют к пользователям или вновь подают на следующий полупроводниковый лазер. Порождаемые им сигналы могут быть введены в следующий участок световода. Так, длинными скачками, информация передаётся на тысячи километров.