Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света с особыми свойствами, радикально отличающимися от обычных источников, таких как свеча или лампочка. В самом деле, свет лазера одного цвета (а не смесь цветов белого света) и испускается в одном направлении (а не во всех направлениях, как свет лампочки). Это позволяет нам собирать его линзой и фокусировать в область очень малых размеров. Спектральная чистота и направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность в малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.
В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение — доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение — процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.
Для того, чтобы объяснить различные явления согласно исторической последовательности, мы проследим историю света и первые шаги квантовой механики. При этом мы учитываем, что развитие науки испытывает зигзаги так, что многие идеи оказываются слишком передовыми для своего времени и не находят признания и пользы, в то время как другие могут возникать одновременно и независимо в умах многих людей как неизбежное следствие предыдущих идей, являющихся необходимыми предпосылками.
ВВЕДЕНИЕ
Рождение мира, как оно описывается в Книге Бытия, фактически не противоречит большинству новейших космологических теорий Большого Взрыва, согласно которым Вселенная возникла в результате огромного взрыва с яркой вспышкой света.
Но как образуется свет? У ребенка этот вопрос не вызывает удивления, и он отвечает, что свет приходит от Солнца, или от электрической лампочки или от огня. Вообще говоря, это правильно. Однако почему Солнце испускает свет и, в продолжение вопроса, почему оно горит? На протяжении тысяч лет человечество не задавалось этим вопросом, а связывало свет с философскими и религиозными концепциями, делая упор на проблемы, связанные со зрением. В греческой мифологии мы встречаем титана Эпиметея который согласно мифу давал каждому живому существу при Создании специфические особенности, нужные для своей защиты и выживания. Так, он снабдил черепаху прочным панцирем, осу жалом и т.д. до тех пор, пока он не дошел до людей, и, исчерпав все возможности природы, не мог ничего найти для человека. Платон пишет, что человек стоял «наг, бос, без дома и защиты». Эпиметей попросил своего брата Прометея помочь ему. Тот похитил огонь у Зевса и подарил его человеку, способствуя тем самым прогрессу человечества, культуры и технологий. Зевс, полный злости и ревности, наказал Прометея, приковав его цепями к горам Кавказа, где каждый день орел терзал его печень. Желая не дать возможности людям насладиться этим даром, он приказал Эфесу создать первую зловещую женщину, прекрасную Пандору, которая стала женой Эпиметея. Она, сгорая от любопытства, открыла ящик, который должна была охранять и не открывать. Этот ящик был полон всеми демонами мира, и они разлетелись, принося несчастья всем людям.
Подобным же фантастическим образом природа света мыслилась древними египтянами, для которых свет получался как взгляд Ра, их бога Солнца.
В 1300 до н.э. некий жрец писал: «Когда бог Ра открывает свои глаза — возникает свет, когда он закрывает свои глаза — наступает ночь».
Можно было бы привести много других примеров, показывающих, что в античные времена происхождение и природа света рассматривались в религиозном и фантастическом духе.
Представления о свете древних греков
В VI в. до н.э., когда в Греции философия и наука развивались совместно, Пифагор сформулировал теорию света, согласно которой прямолинейные видимые лучи испускаются глазом и ощупывают объект, давая зрительное ощущение.
Согласно Эмпедоклу (около 483—423 до н.э.), Афродита (богиня любви) снабдила наши глаза четырьмя элементами, которые, по его мнению, являются сущностью всех вещей (земля, вода, воздух и огонь) и свет огня подобен человеку, использующему фонарь для освещения своего пути в темноте. Зрение получается в результате действия глаза на объект: глаза испускают свой собственный свет.
Платон (около 428-427 до 348-347 до н.э.) предполагал, что огонь в глазу испускает свет и этот внутренний свет смешивается с дневным светом, образуя связь между объектами внешнего мира и душой, являясь, таким образом, мостом, благодаря которому мельчайшие движения внешних предметов создают зрительное ощущение. Согласно этому философу две формы света — одна внутренняя и другая внешняя — смешиваются и действуют как посредник между человеком и с темнотой внешнего мира.
Начальные попытки механистического подхода к сущности зрения начались с Эвклида, великого александрийского математика, который жил около 300 до н.э. В своих сочинениях по оптике он дал четкую геометрическую теорию зрения. Он продолжал верить, что свет исходит из глаза, но в отличие от смутных светящихся и эфемерных испусканий, предполагаемых Эмпедоклом и Платоном, он рассматривал прямолинейные лучи света, к которым применима математическая дедукция. В своих развернутых математических работах он дал геометрическую форму зрительных лучей и вывел некоторые из законов геометрической оптики, которые известны по сегодняшний день. Он, а также как Архимед (около 287-212 до н.э.) и Герон (III или II в. н.э.) разделяли учение Пифагора. Напротив, Демокрит (470-360 до н.э.) и атомисты предполагали, что светящиеся предметы испускают атомы, которые создают образы этих предметов и которые, когда попадают в глаз, создают видение.
Ущерб, нанесенный Аристотелем
Позднее Аристотель (384-322 до н.э.) определял свет как «действие прозрачного тела и что свет сам по себе прозрачен», наблюдая, что прозрачное тело имеет «силу» пропускать свет, но только пока свет проходит через него, т.е. свет включает способность быть прозрачным.
Если мы смотрим на глаза кошки в темноте, то мы замечаем, что они ярко светятся и кошка легко передвигается в темноте; этот факт убеждал древних людей в реальном существовании огня в глазах, как это утверждали Эмпедокл и Платон. Однако возникал колкий вопрос: если в глазу имеется источник света, то почему человек не может видеть в темноте? Ответов было много, но Аристотель положил конец дискуссиям, настаивая, что темный воздух не прозрачен: только когда лампа зажигается, он становится прозрачным из-за того, что свет активирует его скрытную прозрачность, после чего человек способен видеть. Мы снова можем спросить: почему эти же соображения не применимы к кошке, которая видит и без зажженной лампы? Во всяком случае, все эти соображения не дают ответа на вопросы, касающиеся природы света и его возникновение. В течение Средних веков, когда проблемы природы обсуждались на основе аристотелевой философии, согласно которой «природа» вещей заключается, в конце концов, в них самих, не было никакого прогресса найти решение.