Рубиновый лазер работает, как правило, отдельными вспышками. Они очень коротки — тысячные доли секунды. Чтобы определить мощность вспышки, нужно энергию световой вспышки в джоулях разделить на длительность вспышки в секундах. Известная формула из школьного курса физики. Как вы, наверно, помните, мощность получается в ваттах.
Теперь обратимся к цифрам. Недавно в печати было опубликовано сообщение, что создан лазер с выходной энергией в 350 джоулей. Вроде бы не очень много. Но он эту энергию «выплескивает» за 0,0005 секунды. Значит, луч имеет мощность в 70 киловатт! А ведь первые лазеры имели мощность в единицы киловатт.
В физических лабораториях идет постоянная борьба за мощность светового луча. Ученые нацелились уже на миллионы ватт, или мегаватты. Лазеры с такой мощностью созданы.
Я рассказал о работе рубинового лазера. В нем главные события происходят в кристалле — в твердом теле. Но и такой лазер без плазмы обойтись не может: накачка в нем осуществляется плазменной импульсной лампой. Неужели роль плазмы в этих удивительных приборах этим только и ограничивается? Конечно, нет.
Прошло еще очень немного времени после появления рубиновых лазеров, как стало известно, что разработан лазер нового типа. Этот собрат совсем не был похож на своего предшественника: у него не было ни стержня-кристалла, ни лампы накачки. И работал он не отдельными вспышками, а непрерывно испускал когерентный направленный свет.
Что это был за прибор? Давайте посмотрим.
У нас обыкновенная кварцевая трубка длиной около метра и диаметром полтора сантиметра. На концах — кольца-электроды, к ним тянутся провода от высокочастотного генератора. В трубке заперты гелий и неон — инертные газы которые превратившись в плазму, становятся деятельными создателями когерентного света. Трубка отличается от обычных лишь тем, что у ее концов установлены два зеркала. Лазер! — догадываетесь вы, и эта догадка верна.
В трубке атомов гелия в десять раз больше, чем неона. Такая пропорция не случайна. Когда включается высокочастотный генератор и в трубке зажигается тлеющий разряд, электроны чаще всего сталкиваются с атомами гелия и возбуждают их. Атомы гелия оказываются на втором уровне, на котором в атомных масштабах могут быть довольно долго. Такие возбужденные атомы сталкиваются с атомами неона и отдают им свою энергию.
У неона ступеньки уровней расположены чаще, чем у гелия. Поэтому, когда атом гелия избавится от энергии и вернется на первый уровень, атом неона, получив эту энергию, оказывается заброшенным на свой четвертый уровень. Второй уровень атомов гелия и четвертый неона совпадают. Так как в трубке атомов гелия значительно больше, чем атомов неона, то порции энергии идут от гелия к неону. Получается накопление атомов неона на четвертом уровне.
Но ведь атомы стремятся соскользнуть на более низкий уровень. Такие самопроизвольные переходы случаются и с атомами неона: они с четвертого спускаются на третий уровень. Но этот уровень напоминает скользкую ступеньку: на ней атомы почти не задерживаются и скатываются еще ниже. И несмотря на то что на третий уровень атомы неона подбрасываются еще и соударениями с электронами, все равно на нем их оказывается меньше, чем на более высоком, четвертом, уровне. А это как раз и является условием для возникновения вынужденного излучения атомов неона.
Как рождается вынужденное излучение в активной среде, вы уже знаете из рассказа о рубиновом лазере. Фотон, возникший при самопроизвольном переходе какого-либо атома неона с четвертого на третий уровень, пролетая мимо возбужденного до четвертого уровня атома неона, заставляет и его тоже перейти на третий уровень и испустить фотон. Дальше процесс повторяется, и в плазме возникает фотонная лавина. Многократно отражаясь от зеркал, эта лавина разрастается, и часть ее вырывается через одно полупрозрачное зеркало. Непрерывным потоком струится из газового лазера когерентный свет.
Разница в энергии между четвертым и третьим уровнями неона невелика, поэтому и фотоны, возникающие при вынужденном излучении, обладают небольшой энергией. А чем меньше энергия фотона, тем, как известно, больше длина световой волны. И действительно, газовый лазер излучает наиболее длинные световые лучи — невидимый инфракрасный свет. Длина его волны от 0,6 до 3,4 микрона.
Как видите, газовый лазер коренным образом отличается от рубинового. В нем взаимодействуют два разнородных газа, забрасывание атомов на верхние уровни производится не световой накачкой, а силами электрического поля, и, кроме этого, лазер испускает свет не импульсами, а непрерывно. Последнее обстоятельство, а также то, что в газе меньше плотность активных молекул, объясняет, что газовые лазеры имеют небольшую мощность — доли ватта. Но у них есть целый ряд преимуществ в сравнении с кристаллическими.