путем облучения светом, и отдают такие же световые лучи, когда для этого создаются нужные условия (см. стр. 218). Другими словами, они возбуждаются фотонами определенной энергии и отдают такие же фотоны. К числу подобных кристаллов принадлежат, например, рубин, берилл и др. Кристаллы рубина отдают излучение с частотой 430 тера-герц, что соответствует волне 0,7 микрона, находящейся в области красного цвета у самой нижней границы видимых световых лучей. Кристаллы фтористого кальция, включающие атомы урана, излучают на волне 2,5 микрона (120 тера-герц), т. е. в области инфракрасных лучей.

Заметим кстати, что подобные устройства получили название квантовых генераторов, или лазеров. Слово лазер составлено из первых букв его полного английского названия: Light amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе примерно означает: усиление света посредством стимулированного излучения. Кроме названия лазер , в литературе встречаются: мазер , где буква м является первой буквой слова microwave - микроволновый, и иразер , где и и р суть первые буквы слов infra-red - инфракрасный. Мазером называют лазер, излучающий волны миллиметрового и сантиметрового диапазонов, а иразером - инфракрасные лучи.

Hpucma.nji рубана

Стеклянная трубка

Усиленный ли

Охладитель

Общая схема такого устройства, стреляющего светом , относительно проста. Основой лазера служит кристалл цилиндрической формы, плоскости торцов которого строго параллельны и тщательнейщим образом отполированы. Оба торца покрываются зеркальным отражающим слоем. В середине одного из этих слоев по оси цилиндра проделы-вается отверстие, через которое и происходит выстрел

пучком света. Отражающий слой обычно осуществляется серебрением торцов.

Строгая параллельность торцов кристалла нужна для того, чтобы излучаемые атомами фотоны не вылетали после отражения во внещнее пространство там, где им не положено. При параллельности торцов они отражаются от торца к торцу, пока не попадут в выходное отверстие. Серебрение способствует лучшему отражению. Длина кристалла должна быть кратной длине волны генерируемого светового пучка; обычно она составляет несколько сантиметров. Для примера можно указать, что в одной из конструкций рубинового лазера длина кристалла 7 см, а диаметр 3 см. Рубины применяются искусственные.

Кристалл лазера облучается ( заряжается ) мощной ртутной лампой. Такую лампу часто называют лампой накачки, потому что она как бы накачивает энергию в кристалл.

В кристалле рубина приходят в возбужденное состояние ионизированные атомы хрома. Применяемый в лазерах синтетический рубин представляет собой окись алюминия с примесью трижды ионизированных атомов хрома в количестве 0,1 %. Когда более половины атомов- хрома перейдут в возбужденное состояние, они мгновенно разряжаются , излучая через оставленное в слое серебрения окошко луч красного света огромной интенсивности.

Направленность луча исключительно велика; кроме того, она увеличивается оптическими средствами. Расходимость луча менее одной сотой градуса. Если столь остро направленный луч послать с Земли на Луну, то диаметр освещенного круга на ее поверхности будет всего около 16 км. Для того чтобы осуществить подобную направленность при излучении радиоволн длиной, например, только 3 см, пришлось бы применить параболическую антенну диаметром около 3 км, что практически выполнить невозможно.

В 1963 г. были изготовлены лазеры мощностью 10 кет. В луче света такого лазера развивается удельное давление до 300 атмосфер. Излучение лазера можно сфокусировать, причем в зоне действия сфокусированного луча будет исключительно сильный нагрев. Например, луч лазера нетрудно сфокусировать так, что сечение его будет всего 0,1 мм в диаметре; площадь кружка такого диаметра будет 0,01 мм. Плотность энергии в луче при этом будет составлять до П млн. вт/см. Вспышка излучения весьма коротка, но

она все же производит нагрев до 7 ООО-8 000° С. При такой температуре испаряются все вещества. Поэтому лучом лазера можно прожигать отверстия в любом самом тугоплавком металле и, между прочим, в алмазах. Можно сфокусировать еще более тонкий луч, почти микронной толщины. Такой луч нельзя сравнить с иглой: он тоньше иглы примерно во столько же раз, во сколько игла тоньше бревна. .Лазеры могут быть использованы для радиолокации (может бьп-ь, надо сказать светолокации?). .Луч лазера может быть любым способом промодулирован и, следовательно, использован для телефонной передачи. В литературе можно найти упоминания о десятках разнообразных применений лазеров вплоть до медицинских целей. Но связь, несомненно, будет

одним из его основных применений. Частоты, на которых работают лазеры, позволяют передать огромное количество информации. Используемые в настоящее время радиочастоты вплоть до самых коротких волн не могут идти в этом отношении ни в какое сравнение с частотами световых волн. Например, полоса излучения рубинового лазера составляет 100 Мгц. Умопомрачительные перспективы открывает лазер в увеличении дальности передач. Сфокусированный луч лазера современного типа, по существу первоначального, совсем не совершенного типа, может быть виден простым глазом на расстоянии 9 триллионов (9 10) км. Это расстояние равно так называемому световому году. В пределах этого расстояния находятся от нас все планеты нашей Солнечной системы. Подчеркнем еще раз, что на таком расстоянии свет лазера можно увидеть простым, невооружен-230

ным глазом. С применением оптических средств это расстояние можно увеличить во много раз. В бинокль его нетрудно разглядеть с ближайшей

к нам звезды - Прок- к генератору возбуждения

Сима Центавра (около 4,2 светового года).

Основой первых построенных лазеров были кристаллы синтетического рубина. Доказана пригодность для устройства лазеров ряда других кристаллов. Кроме уже упомянутого берилла, можно назвать сапфир, флюорит кальция и др. Но для этой цели могут быть использованы и газы. Известны конструкции газовых лазеров. В качестве рабочего газа в них применяется смесь благородных газов, таких, как гелий, аргон, неон. Например, в одной из

экспериментальных конструкций была применена смесь гелия под давлением 1 мм и неона под давлением 0,2 мм. В га-

ТРУБКЯ НЛПОЛНЕНПДЯ ГЕЛИЕМ И НЕОНОМ

гЕРКАЛО

ПОЛУПРОЗРАЧНОЕ ЗЕРКАЛО

ИСТОЧНИК ТОКА

зовую смесь вводится энергия радиочастотного генератора. В гелии возникает газовый разряд. Возбужденные атомы

к ИСТОЧНИКУ ВОЗБУЖДЕНИЯ

ПОЛИРОВАННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

-р-г переход

излучение

гелия сталкиваются с атомами неона и возбуждают их, отдавая им излишек энергии и переходя в нормальное состояние. Затем следует вынужденное излучение квантов света атомами неона, рождающее мощный световой луч. Смесь газов заключена в цилиндрическую трубку с параллельными торцами, покрытыми зеркальным слоем, так как конструкция газовых лазеров в основных чертах похожа на конструкцию кристаллических лазеров.

Известны экспериментальные образцы жидкостных лазеров, а в последнее время у нас разработаны лазеры полупроводниковые. Рабочим телом такого лазера служит обычно кубик, выпиленный из полупроводникового монокристалла. Для этой цели пригодны многие полупроводниковые материалы, в том числе кремний с примесью индия, арсенид галия, фосфид галия и др. Кристалл делится пополам р - п -переходом. Пропусканием через прибор тока достигается концентрация в одной его половине дырок, а в другой электронов. При подведении к контактным пластинам напряжения электроны и дырки начинают перемещаться навстречу друг другу. Они встречаются в переходном слое и рекомбинируются. Этот процесс сопровождается испусканием кванта света, вернее невидимых глазом инфракрасных лучей.

Плотность тока возбуждения должна быть велика (тысячи а'см). Такой ток вызывает сильное нагревание, поэтому кристалл охлаждается жидким азотом или гелием. Между прочим, в таком охлаждении нуждаются и лазеры других типов, например рубиновые. Полупроводниковые квантовые генераторы выгодно отличаются от других высоким к. п. д., который достигает у них 10% и более. У рубиновых он всего лишь около 1%. Полупроводниковые лазеры интересны еще и тем, что в них происходит непосредственное преобразование электрической энергии в световую, причем теоретически к. п. д. при этом может приблизиться к 100%.

Лазеры - совсем молодые приборы. Первые лазеры были сконструированы в 1959 г. Изготовление их исключительно трудно. Для иллюстрации можно привести два имею-

щихся в литературе примера. Чистота основного материала должна быть наивысшей, посторонние примеси допустимы в количестве не больше 1 атома на 100 млрд. своих атомов; параллельность торцов должна быть исключительно точной: допустимо расхождение не больше того, какое получится, если один конец несгибающейся 10-километровой стальной планки, приложенной к горизонтальной плоскости, приподнять на полсантиметра. К этому можно добавить, что полировка торцов также необходима идеальная.

Шероховатость может быть не больше немногих долей длины волны света, а эта длина имеет порядок 0,7-0,8 микрона. Если воспользоваться для сравнения опять бревном, то можно сказать, что это шероховатость в такой же степени меньше толщины человеческого волоса, в какой волос по толщине меньше бревна. Здесь, кстати, можно будет упомянуть, что изъяны полировки германиевых и кремниевых пластин для транзисторов тоже не могут превышать 0,05 микрона. Это примерно на один порядок больше, чем у лазера.

Как уже указывалось, яркость луча лазера исключительно велика: она в миллионы раз превосходит яркость солнечной поверхности. Глаз видит луч лазера на космических расстояниях, а на расстояниях земных он ослепляет. Интересно попутно отметить, что, как и всегда, техника моментально разрабатывает и защитные меры. Развитие артиллерии приводит к совершенствованию брони, а улучшение брони вынуждает повышать пробойную силу артиллерийских снарядов. Так и здесь. Уже появились сообщения о создании стекла, которое почти мгновенно уменьшает прозрачность под воздействием сильного света, причем чем ярче свет, тем менее прозрачным становится стекло. После воздействия света стекло снова мгновенно восстанавливает свою прозрачность. Быстрота реагирования стекла на освещение составляет несколько стотысячных долей секунды. Кстати сказать, очки с подобными стеклами были бы весьма полезны шоферам, защищая их от ослепления фарами встречных машин.

Лазеры положили начало новому разделу электроники - квантовой электронике. Это весьма многообещающий раздел, открывающий перед человеком новые возможности. Можно добавить, что лазеры уже испытывались для передачи музыки. Достигнуты отличные результаты.