Сорок лет назад С. И. Вавилов и В. Л. Левшин наблюдали первый нелинейный эффект — изменение коэффициента поглощения вещества под действием света. В обычных условиях, сколько бы света ни падало на вещество, его поглощающая способность остается прежней — своеобразная бочка Данаид! Но ведь возбужденный атом, поглотивший электрон, приобретает новые квантовые, а значит, и оптические свойства. Поглотить еще один квант того же света он уже обычно не может. Пока число таких возбужденных атомов в веществе относительно невелико, их изменившиеся свойства внешне не проявляются. Но мощный световой поток и в этом случав должен привести к качественно новым явлениям. В опыте Вавилова и Левшина при поглощении урановым стеклом света мощной искры прозрачность стекла под влиянием сильного освещения возрастала.
С открытием лазера стало ясно, что опыт Вавилова — не исключение: мощный световой поток как бы прокладывает себе дорогу в веществе, изменяя дотоле незыблемую константу — коэффициент поглощения. Новый эффект самоканализации сразу же нашел применение. Для получения гигантских импульсов в лазерах с модулированной добротностью стали применять не механические, а оптические затворы: при достаточно высоком уровне возбуждения кристалла возникают нелинейные явления, и затвор, дотоле непрозрачный, открывается сам.
Аналогичная судьба постигла еще одну константу классической оптики — показатель преломления. Свет, как известно,— электромагнитные колебания, электромагнитное поле. Синхронность, однофазность световых колебаний в лазерном луче и большая плотность энергии в нем создают напряженность электрического поля до миллионов вольт на сантиметр. Такое поле оказывает сильное влияние на электроны атомов вещества, через которое проходит луч. Если частота и амплитуда колебаний электронов близки к частоте световых колебаний, то проходящий лазерный луч, вызывая резонансные колебания электронов вещества, изменяет, модулирует себя: возникает волна удвоенной частоты. Подбор кристаллов делает возможным превращение невидимого света неодимового лазера (лежащего в ближней инфракрасной области с длиной волны 10·600 А) в видимый (
= 5300 А) зеленый луч; а красный свет рубинового лазера может быть таким же образом превращен в ультрафиолетовый с коэффициентом полезного действия, близким к 50%!
Принцип удвоения частоты уже используется практически для получения лазеров, работающих в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Тот же эффект при прохождении в кристалле двух разных световых потоков дает более сложный эффект взаимной модуляции; рождаются две новые волны: одна с частотой, равной сумме, другая — разности частот первичных волн. Это явление используется для получения радиоволн, ультракоротких и миллиметровых.
Изменение показателя преломления вещества под влиянием мощного светового потока приводит к еще одному необыкновенному явлению: лазерный луч, проходящий в однородной прозрачной среде, самофокусируется! При этом плотность лучистой энергии в пучке света еще более возрастает. И если в прозрачной среде попадаются хоть малейшие неоднородности, поглощение в них хотя бы ничтожной части энергии вызывает растрескивание, разрыв стекла или другого прозрачного материала.
В свое время выдающемуся русскому физику П. Н. Лебедеву пришлось потратить годы и проявить поистине ювелирное мастерство, чтобы доказать реальность светового давления. А лазер и здесь сделал невозможное возможным, сложное и абстрактное — простым и наглядным. Лазер мощностью всего 0,25 вт — лилипут в мире великанов — в состоянии удерживать на своем луче, направленном вертикально вверх, стеклянный шарик диаметром 0,025 мм. А в фокусе луча мощного импульсного лазера давление превышает тысячу тонн на квадратный сантиметр! Перечень революционных свойств лазерного луча можно было бы продолжить. К их числу относится, например, возникновение в веществе ультра- и гиперзвуковых колебаний. Но и сказанного достаточно, чтобы понять, что с созданием оптических квантовых генераторов в учении о свете открылась новая глава.
Луч-исследователь и луч-труженик
Мы познакомились пока с устройством лишь одного, правда, наиболее распространенного лазера — рубинового. Но сегодня семья лазеров уже весьма многочисленна и продолжает расти не по дням, а по часам. Познакомимся же с наиболее интересными ее членами.
Если заменить рубин бариевым стеклом с добавкой ионов элемента неодима, мы получим лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, с длиной волны 10600 А (1,06 мкм). Неодимовый лазер более экономичен, его КПД более 4% и значительно превышает таковой рубинового лазера. Из неодимового стекла можно получать стержни любой величины и создавать лазеры большой мощности — до нескольких тысяч джоулей. В качестве активного вещества — рабочего тела лазеров используется также стекло с добавкой атомов иттербия, гадолиния, гольмия, тербия и других редкоземельных элементов. Лазер на кристалле флюорита, активированном диспрозием, излучает на волне 2,35 мкм, на кристалле иттрий-алюминиевого граната, активированном неодимом, излучает на той же волне, что и лазер на неодимовом стекле — 1,06 мкм, но не в импульсном, а в непрерывном режиме при комнатной температуре. Существуют и другие типы лазеров.