), одной из самых странных теорий в науке за всю историю, но при этом бесспорно точно подтвержденной экспериментами[113].
Эксперименты с микроволновой спектроскопией были также первым шагом к разработке лазера, по мере того как Таунс и другие искали способы расширить диапазоны длин волн, которые они могли изучать, до низких частот (более длинных волн), чем те, что использовались в военное время для развития радаров. Низкие частоты представляли интерес, поскольку многие молекулы поглощали и излучали свет в этой части спектра, и Таунсу пришла мысль использовать сами молекулы для генерирования микроволн.
Таунс создал пучок молекул аммиака в возбужденном энергетическом состоянии и послал их через микроволновую камеру – металлическую камеру с маленькой дырочкой, как та воображаемая коробка, которую мы использовали в главе 2 для представления модели черного тела, созданной Планком. Размер камеры был выбран таким образом, чтобы соответствовать длине волны микроволн, излучаемых молекулами аммиака. Любые фотоны, которые излучались молекулами аммиака, проходя через него, бодро отскакивали туда-сюда внутри углубления, оставаясь там на долгое время до того, как могли выскочить обратно через дырочку.
Само по себе это не было бы так интересно, поскольку уровень спонтанного излучения фотонов молекулами на этих длинах волн весьма невысок, но благодаря процессу индуцированной эмиссии, этот прибор работал как усилитель. Возбужденная молекула аммиака, входя в камеру, могла встретить фотон уже внутри точно на нужной частоте, чтобы (потенциально) индуцировать излучение второго фотона, идентичного первому. Следующие молекулы уже обнаруживали двух фотонов внутри, и вероятность индуцированного излучения увеличивалась, и поскольку процесс повторялся снова и снова, количество фотонов возрастало. Таунс описал это с помощью аббревиатуры MASER – Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation – микроволновый усилитель с индуцированным излучением радиации).
Мазер Таунса был достаточно интенсивным источником микроволн в крайне узком диапазоне частот, что логично вытекало из модели фотона, разработанной Эйнштейном в 1917 году, хотя Эйнштейн и не рассматривал такой вариант в своей статье. В обычном газе большая часть атомов находится в низкоэнергетическом состоянии, поэтому фотон крайне редко встречается с возбужденным атомом, когда он вызывает индуцированное излучение. В своем мазере Таунс использовал поток молекул, которые он уже возбудил электрическим током, то есть они в большинстве своем уже были в высокоэнергетическом состоянии, что и было необычным и получило название «инверсия популяционных населенностей». Эта инверсия создает ситуацию, когда вероятность встречи фотона и молекулы в высокоэнергетическом состоянии гораздо более вероятна для индуцирования излучения.
Каждый новый фотон имеет идентичную частоту (и направление движения, поляризацию и другие оптические свойства) с тем, который его индуцировал. Так как каждый из этих фотонов может, в свою очередь, индуцировать излучение другого идентичного фотона, этот процесс ведет к экспоненциальному росту фотонов (один выбивает два, дальше четыре, дальше восемь и так далее) в очень узком диапазоне длин волн[114].
Малая часть света может быть выпущена через маленькие дырочки в камер, и его частота измеряется с высокой точностью. Мазеры, использующие атомы водорода, – критически важный элемент системы, используемой для определения и распределения времени от атомных часов, помогающая поддерживать точный период времени между циклами колебаний в цезиевых часах.
Вслед за разработкой мазера Таунс начал обсуждение, как расширить эту базовую идею на области видимого спектра, со своим коллегой (и кузеном) Артуром Шавловым[115]. Таунс и Шавлов сумели исхитриться и создать «оптический мазер», хотя на саму мысль их навел студент Гордон Гулд, который дал прибору его современное название. После разговора с Таунсом Гулд записал несколько мыслей в записной книжке[116] под заголовком LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – световой усилитель с помощью индуцированного излучения радиации. Название закрепилось, хотя лишь немногие помнят его происхождение как аббревиатуры, и стало отдельным от первоначального «мазера».
Ключевые компоненты лазера такие же, как и у мазера: «инверсия популяционных населенностей[117]» со множеством электронов в высокоэнергетических состояниях внутри атомов или молекул, на нужной частоте и камера для того, чтобы держать там излученные фотоны, отскакивающие от стенок и взаимодействующие с атомами. Как мы увидим, получение этих компонентов считается более трудной задачей для видимого света, чем для микроволн, но если их сделать, механизм работает так же: фотоны, какие уже находятся в камере, индуцируют излучение из возбужденных атомов, и число фотонов растет экспоненциально.
Первой технической трудностью для перехода от мазера к лазеру было создание инверсии популяционных населенностей. Большинство атомов в возбужденном состоянии с энергиями, соответствующими частотам в видимом диапазоне света, имеют крайне короткие периоды существования (сроки жизни) перед тем, как они спонтанно излучат фотон (как это и было предсказано моделью Эйнштейна) и перейдут в низкоэнергетическое состояния, что делает трудным поддерживать нужное количество возбужденных атомов для индуцирования. Атомы, у которых длинные сроки жизни, чтобы их было легче инвертировать, сложно возбуждать напрямую (опять-таки, как предсказывала теория Эйнштейна). Эта проблема в общем виде была решена с использованием многоуровневой схемы, где электроны возбуждаются косвенными способами. Например, гелий-неоновый лазер использует возбужденные атомы гелия для передачи энергии атомам неона по мере их столкновений в плазме. Косвенный процесс производит обращение большого числа атомов неона с относительно длинными сроками жизни в конкретном высокоэнергетическом состоянии, чем плазма только из неоновых атомов могла бы генерировать напрямую. Смесь гелия и неона вместе в плазме обеспечивает отличное средство для работы лазера на красных длинах волн, с которыми мы знакомы в ранних сканерах в супермаркетах[118]. По мере того как электрический ток, создающий плазму, продолжает работу, атомы гелия будут продолжать возбуждаться и возбуждать атомы неона в свою очередь, обеспечивая длительную работу лазера.
Другой серьезной технической проблемой при переходе от мазера к лазеру и основным препятствием для Таунса было, как сконструировать камеру, чтобы улавливать фотоны. Микроволновая камера состояла из почти полностью закрытого пространства, окруженного металлическими стенками с размерами, сравнимыми с длиной волны самих микроволн. Для работы с мазерами Таунса это было несколько сантиметров, и только маленькими дырочками, они позволяли запускать внутрь возбужденные молекулы и извлекать свет. Эта концепция не слишком хорошо работает для оптических длин волн даже сегодня, потому что сделать полностью закрытую камеру с габаритами лишь в несколько сотен нанометров будет весьма непростой задачей, а в 1957 году это было просто невозможно.
Это рабочая схема для гелиево-неонового лазера. Атомы гелия возбуждаются до высокоэнергетического состояния за счет столкновений с электронами в плазме. Столкновения между атомами гелия и неона возбуждают атомы неона и переводят их в «долгоживущее» состояние, создавая инверсию населенностей, что и используется для создания красного лазера.
Нужная идея, которая позволила изобрести рабочий лазер (реализованная Гулдом и Шавловым, а также Александром Прохоровым в СССР), заключалась в том, что нужная камера не обязательно должна быть закрытой; вполне достаточно использовать два зеркала, направленных отражающей поверхностью друг к другу, чтобы фотоны отражались туда-обратно между ними. Эта более открытая конструкция оставляла достаточно места, где могло поместиться очень много атомов или молекул. Некоторые системы газовых лазеров используют камеры длиной в несколько метров. Также она придает лазеру одну из его определяющих характеристик: так как камера «ловит» фотоны вдоль одной линии, свет, производимый лазером, выходит из него узким единым лучом. Небольшая частица света внутри камеры вырывается наружу, потому что одно из зеркал чуть-чуть не полностью отражает свет, позволяя нескольким процентам фотонов, попадающих на его поверхность, проскакивать.
Камера и усиление среды в лазере. Отдельный фотон, двигаясь справа налево, стимулирует второй фотон из среды, и затем оба фотона отражаются назад через газ, чтобы создать четыре. Выходной луч из лазера получается из небольшого числа всех фотонов, которые пробиваются через одно из зеркал.
«Решение, которое ищет проблемы»
Когда появилась идея открытой камеры, развитие практически применимых лазеров двинулось вперед с первым рабочим лазером, построенным Теодором Майманом[119] в Лаборатории Белла в 1960 году с использованием атомов хрома внутри стержня из синтетического рубина в качестве усилительной среды. Первый лазер использовал ксеноновые лампы-вспышки для создания инверсии населенности: резкий и яркий импульс белого света возбуждал атомы хрома до высокоэнергетических состояний, при этом некоторые из них попадали в энергетические состояния со сроком жизни до 5 миллисекунд, что считается долгим по стандартам атомной физики. Это производило короткоживущую инверсию населенностей, ведущую к короткому импульсу света лазера.
В течение нескольких следующих лет были разработаны множество лазеров других типов со средой усиления от газов, наподобие гелий-неонового лазера, описанного выше, до жидкостей, содержащих молекулы органических красителей (впервые продемонстрированы в 1966 году) и вплоть до твердотельных лазеров с использованием полупроводниковых материалов (первый лазер на основе арсенида галлия был продемонстрирован в 1962 году). Лазеры на основе полупроводников оказались особенно важными, поскольку они компактны – размера компьютерной микросхемы – и могут встраиваться в любую бытовую электронику. Если у вас есть