Покоренная плазма

Глава X Гиперболоид создан!

В истории науки известны случаи, когда предсказание или открытие того или иного ученого-теоретика долго не находило своего практического применения и никак не использовалось. Оно имело, так сказать, чисто теоретический интерес. И лишь спустя десятилетия люди как бы заново осмысливали его, открывали в нем огромные возможности и с жаром принимались за детальные исследования. Так случилось с одной работой отца теории относительности Альберта Эйнштейна.

В 1916 году Эйнштейн опубликовал статью, в которой ответил на вопрос, как взаимодействуют между собой свет и вещество. Ученый к имевшимся в то время представлениям добавил, казалось, самую малость: кое-что уточнил. Но именно это привело впоследствии к возникновению нового направления в физике и в технике.

О том, как атомы «стреляют» фотонами, было в общих чертах рассказано в начале книги. Сейчас настало время поговорить об этом подробнее.

Припомним, что происходит в разрядной трубке, в которой заперта плазма.

Электроны, подхваченные электрическими силами, сталкиваются с нейтральными атомами. Они могут их ионизировать, то есть создать новые заряды. Но может произойти и возбуждение атома. При этом налетевший электрон отлетает с меньшей скоростью, а у атома часть электронов оказывается отброшенной на дальние орбиты. Физики называют такие столкновения ударами первого рода.

Но существуют и удары второго рода. Медленно летящий электрон может натолкнуться на уже возбужденный атом. Атом тут же отдаст ему излишек своей энергии, превратится в нормальный, а электрон, как «ошпаренный», отлетит с большой скоростью.

Но, кроме таких процессов, в плазме или в нагретом теле происходят другие, чисто оптические процессы. В них участвуют световые частицы — фотоны и атомы.

До упомянутой работы Эйнштейна их представляли так: возбужденный атом стремится вернуться в первоначальное, устойчивое состояние. Это он делает, испустив порцию света — фотон, причем, это происходит самопроизвольно, или, иначе, спонтанно, без какого-либо постороннего вмешательства. Да и как можно вмешаться в этот процесс, если возбужденное состояние атома длится ничтожное время — миллионные и даже миллиардные доли секунды?

Но это не все. Оказывается, возникающие фотоны могут не только излучаться атомами, но и поглощаться ими. Стоит фотону, еще не покинувшему нагретое тело, наскочить на нормальный атом, как фотон исчезнет, его «проглотит» этот атом. Куда же денется энергия фотона? Ведь она не может исчезать бесследно. Она не исчезает и здесь, просто нормальный атом становится возбужденным.

Итак, гибель фотона приводит к возбуждению атома, хотя эта гибель и кратковременна: возбужденный атом способен тут же самопроизвольно выбросить фотон.

Казалось, картина достаточно убедительна: самопроизвольное излучение атомами фотонов сопровождается противоположным процессом — поглощением их. Но Эйнштейн добавил в эту картину новые мазки. Сделал это он на языке формул и строгих физических рассуждений, и сделал так, что ученые не могли с ним не согласиться.

Крупнейший физик, имя которого уже было известно всюду, занялся, на первый взгляд, простым вопросом: что произойдет, если стремительно летящий фотон наскочит не на нормальный атом, а на уже возбужденный? Ведь и такое может иногда случиться в микромире плазмы или раскаленного тела!

Эйнштейн утверждал, что в этом случае родится новый фотон. Фотон-«налетчик» заставит возбужденный атом «выстрелить» своим фотоном. Появятся, значит, два фотона, причем, они будут лететь строго в одном направлении. В этом первое отличие такого вынужденного излучения от рассмотренного выше — самопроизвольного.

Но есть и еще отличия.

Световые частицы — это не только «пули», но и порции электромагнитных волн. Такова, как вы знаете, природа света. А если свет — волны, то волны могут взаимодействовать друг с другом.

Бросьте одновременно два камня в воду. От каждою из них побегут волны. И если внимательно присмотреться к воде, то можно заметить, что в некоторых местах встретившиеся волны погасили друг друга, а в некоторых, наоборот, усилились — в этих местах размах колебаний особенно велик.

Со световыми волнами происходит примерно то же. Если атомы испускают их беспорядочно, самопроизвольно, то некоторые из этих волн гасят друг друга, некоторые — усиливают. Такой беспорядочный свет называется некогерентным. Именно с ним мы имеем дело в повседневной жизни. Свет солнца, электрической лампочки, разрядной трубки, раскаленного железа — все это в основном некогерентный свет.

Вынужденное излучение, которое «раскопал» Эйнштейн, совсем не такое, хотя внешне оно не отличается от обыкновенного света. При нем световые волны никогда не гасят друг друга, гребни и впадины их всегда совпадают.

Иными словами, это согласованное излучение атомов — когерентно.

Что добавил Альберт Эйнштейн к имевшимся в то время физическим представлениям? Казалось, совсем немного. Но это только казалось.

Теория и практика всегда идут в ногу. Они обогащают друг друга. И каким бы блестящим ни было теоретическое умозаключение, его всегда стараются проверить на практике. Так случилось и с вынужденным излучением, предсказанным Эйнштейном.

Еще в 1939 году советский ученый профессор Валентин Александрович Фабрикант поставил перед собой цель — обнаружить на опыте вынужденное излучение атомов. Сделать это было не просто, и вот почему.

Возбужденные атомы в нагретом теле излучают фотоны одни самопроизвольно, другие — под действием фотонов, вынужденно. Фотоны, возникшие в обоих случаях, немедленно поглощаются нормальными атомами, потом снова излучаются и т. д. Следовательно, у атомов вещества постоянно меняется величина энергии: у возбужденных атомов она больше, у нормальных — меньше. Физики говорят, что нормальный атом находится на первом, основном, уровне энергии, возбужденный — на более высоком. Переходы с нижнего на верхний или возвращение на основной уровень происходят скачками. При этом атом либо поглощает фотон, либо его излучает.

Атомов невозбужденных, то есть находящихся на первом уровне, в нагретом теле больше всего, поэтому они охотно поглощают все появляющиеся фотоны. При этом, как утверждал еще Эйнштейн, существует равновесие: число поглощенных фотонов равно числу излученных. Иными словами, число подъемов атомов на верхние уровни равно числу их спусков. Вынужденное излучение — это лишь один из путей спуска атомов на нижний уровень, следовательно, оно всегда будет меньше поглощения. А раз так, то и выделить вынужденное излучение невозможно.

Но профессор В. А. Фабрикант решил обойти запрет, наложенный природой. Он решил создать такую среду, в которой атомов на верхних уровнях было бы значительно больше, чем на нижних. Что это давало? В этом случае число спусков могло преобладать над числом подъемов. Атомов, стреляющих фотонами, оказывалось больше, чем атомов, поглощающих их, и это позволило бы вынужденному излучению вырваться из этой среды. Профессор прекрасно понимал, что нужна была такая среда, в которой атомы интенсивно возбуждались, то есть подбрасывались на верхний уровень и не так быстро соскальзывали вниз. Тогда ворвавшийся в среду фотон мог начать вынужденное излучение, которое, разрастаясь подобно лавине, покинуло бы среду и попало в оптические приборы.

Наиболее подходящей средой для опыта, проведенного уже после войны, оказалась плазма. Была изготовлена разрядная трубка, в которую заперли пары ртути в смеси с гелием или водородом. Когда в такой смеси зажигался разряд, то атомы возбуждались как за счет соударений с электронами, так и благодаря поглощению фотонов. Самопроизвольные переходы на нижние уровни при этом уже не уравновешивали подъемы. Большое значение имели и столкновения молекул ртути с атомами примеси. Одним словом, верхний этаж оказывался более заселенным, чем нижний. Когда в такую среду, которую назвали активной, впускали свет, то его фотоны заставляли атомы скатываться на более низкий уровень, то есть вызывали вынужденное излучение. Это излучение прибавлялось к впущенному в среду свету, и после нее он оказывался значительно ярче, сильнее. Плазма не поглощала свет, а усиливала его. Усиливала за счет вынужденного излучения.

Нужно отметить, что не любой свет может вызвать вынужденное излучение. На возбужденный атом должен налетать лишь такой фотон, который данный атом может испустить. На фотоны другого «сорта» возбужденный атом не реагирует. Следовательно, при вынужденном излучении появляются фотоны-близнецы, у которых частота, а следовательно, и энергия, а также другие свойства совершенно одинаковы. Поток таких фотонов и есть когерентный свет.

На первых порах принцип усиления света, открытый профессором В. А. Фабрикантом, нашел применение… в радиотехнике. Это неудивительно, по тому что как свет, так и радиоволны есть электромагнитные колебания, отличающиеся лишь частотой.

В усилителях радиоволн, которые назвали молекулярными, очень слабый радиосигнал попадал в специальную камеру — резонатор. В ней находилось огромное количество возбужденных молекул аммиака. Под действием пришедшей волны происходило лавинообразное сбрасывание молекул аммиака с верхнего уровня. При этом молекулы сами испускали радиоволны, благодаря чему принятый сигнал усиливался во много раз.

Такой усилитель радиоволн можно превратить в генератор, в котором радиоволны возникают самостоятельно, без вмешательства внешнего сигнала. Для этого нужно лишь увеличить приток возбужденных молекул аммиака в резонатор. Такой генератор дает строго постоянную частоту колебаний, что требуется в целом ряде радиотехнических устройств.

Молекулярные усилители и генераторы радиоволн, едва появившись, стали применяться для усиления слабых радиосигналов, приходящих на Землю из космоса, для создания эталонов времени — часов, которые никогда не отстают и не убегают вперед, а также для различных научных исследований. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, разработавшие их, были удостоены звания лауреатов Ленинской премии.

И все же вынужденное излучение, так удачно использованное в радиотехнике, еще не раскрыло всех своих возможностей. Многие ученые, в том числе и сам профессор Фабрикант, верили, что вынужденное излучение можно с практической пользой применить и для световых волн. Уж очень заманчивыми казались его свойства, особенно направленность излучения, которая дает возможность получить не веер световых лучей, а острый их пучок. А раз так, то луч света можно сделать мощным, таким, как у гиперболоида инженера Гарина в научно-фантастическом романе Алексея Толстого.

Вспомним, как в романе Алексея Толстого инженер Гарин решил поставленную им техническую задачу при создании своего гиперболоида.

Двенадцать угольных пирамидок, горящих в фарфоровых чашечках, бросали свой свет на зеркало, выполненное в виде гиперболоида. Отразившись от зеркала, лучи собирались в фокусе, в котором помещалось второе гиперболическое зеркало из тугоплавкого минерала — шамонита. Это небольшое зеркало посылало лучи, строго параллельно. Именно такой луч мог резать, разрушать здания, крепости, дредноуты, скалы.

Позднее, обосновавшись на острове, Гарин для бурения земной коры использовал двенадцать гиперболоидов, в которых световая энергия создавалась электрическими дугами, зажженными между тугоплавкими электродами.

«Весь секрет в том, чтобы послать нерассеивающийся луч», — так один из персонажей романа профессор Хлынов сформулировал задачу, стоящую перед создателем подобного аппарата.

Потребовалось несколько десятилетий, пока физики сумели на деле создать прибор, подобный тому, который действовал в романе писателя-фантаста. Только главное слово здесь было сказано не оптикой, а квантовой механикой — наукой, изучающей жизнь и поведение мельчайших обитателей микромира.

Новые удивительные приборы, созданные физиками несколько лет назад, называют квантовыми усилителями или генераторами света. Привилось и более короткое их название — лазеры. Слово это составлено из начальных букв английской фразы, которая на русский язык переводится так: «Усиление света за счет создания стимулированного излучения». Здесь «стимулированное излучение» — то же самое, что выше было вложено в понятие «вынужденное излучение». Значит, в лазерах мощный поток света создается за счет вынужденного излучения атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях.

Как был устроен и как работал первый лазер, созданный физиками?

Сердце лазера — это красноватый стержень из рубина. Кристалл этот известен давно. Рубин — окись алюминия с примесью хрома. Чем больше в нем хрома, тем гуще, краснее его окраска. Наиболее подходящими оказались рубиновые стержни, в которых примесь хрома составляла 0,05 процента.

Вынужденное излучение в рубине создают атомы хрома. Как это происходит?

Чтобы возникло вынужденное излучение, нужно, как вы уже знаете, создать активную среду, в которой большинство атомов хрома оказалось возбужденными. Очевидно, для этого нужна энергия. В опытах профессора В. А. Фабриканта использовалась энергия движущихся зарядов, здесь — световая энергия. Рубиновый стержень помещен внутрь спирали импульсной ксеноновой лампы. Она похожа на лампу фотовспышки, только имеет значительно большую мощность.

К электродам спиральной лампы — ее называют лампой накачки — тянутся провода от батареи конденсаторов. Включив высоковольтный выпрямитель, заряжают батарею до нескольких тысяч вольт, и это напряжение подается на электроды лампы накачки. Но разряд внутри нее пока не наступает. Его нужно поджечь. Для этого от небольшого трансформатора подают высоковольтный импульс. Как и в фотовспышке, этот импульс попадает на поджигающий электрод — пластинку, расположенную рядом со спиральной лампой. Импульс ионизирует газ в лампе, и теперь батарея конденсаторов разряжается через лампу. Сотые доли секунды живет плазма в спиральной лампе, но за это время лампа испускает мощный поток света.

К сожалению, не все лучи импульсной лампы полезны для лазера. Нужны только зеленые. Поглощая фотоны этого света, атомы хрома возбуждаются и с первого попадают на третий уровень. Однако здесь они долго не задерживаются. Отдав небольшую часть энергии соседним атомам кристалла, причем, эта энергия идет на нагрев, они оказываются на более низком, втором уровне. В этом состоянии они могут находиться сравнительно долго — почти три тысячных доли секунды.

Цель световой накачки в том и состоит, чтобы побольше атомов оказалось на втором уровне. Если мощность спиральной лампы велика, то это сделать удается: второй уровень оказывается более заселенным, чем первый, иными словами, возбужденных атомов будет значительно больше, чем не возбужденных.

А дальше происходит следующее. Предположим, какой-либо атом хрома самопроизвольно «сорвался» со второго уровня. Значит, он испустил фотон. Пролетая мимо соседнего возбужденного атома, этот фотон вынудит и того «выстрелить» фотоном. Эти два фотона «высветят» еще два — получится уже четыре фотона, потом восемь, потом шестнадцать и т. д. Получается фотонная лавина — вынужденное излучение атомов хрома.

Чтобы это излучение получилось мощным, нужно, очевидно, увеличить путь луча внутри стержня. Значит, нужно брать более длинные стержни? Нет, в лазерах обычно ставят рубиновые стержни длиной от пяти до тридцати сантиметров, а путь луча увеличивают при помощи зеркал. Торцы стержня шлифуются и покрываются тонким слоем серебра. Наткнувшись на такое серебряное зеркало, фотонная лавина отражается и на обратном пути присоединяет к себе излучение новых возбужденных атомов хрома. То же самое происходит, когда она встретится с противоположным зеркалом. Так и мечутся лучи внутри рубинового стержня, все больше и больше наращивая свою мощь.

Вы можете спросить, что будет, если фотонная лавина движется не вдоль оси стержня, а под углом? Ведь она, отразившись от одного зеркала, не попадет на второе! Да, такое тоже случается. В стержне может возникнуть несколько фотонных лавин, но усиливаться будет только та из них, которая падает строго перпендикулярно к зеркалам, остальные лавины и излучения отдельных атомов просто покинут рубиновый стержень. Но это не страшно: в каждом кубическом сантиметре рубина содержится более миллиарда миллиардов атомов хрома. И даже если они не все возбуждены, нужной нам фотонной лавине развернуться есть где.

Как же луч света выводится из рубинового стержня наружу? Довольно просто: одно из зеркал делается полупрозрачным. Столкнувшись с ним, лавина фотонов отражается обратно не вся, часть лучей прорывается через зеркало и выходит наружу. Это и есть полезное излучение лазера.

Теперь посмотрим, какого цвета будут лучи, испускаемые лазером. Зеленые? Ведь атомы хрома, возбуждаясь, поглотили из света накачки именно такие лучи! Значит, и отдать они должны точно такой же свет. Это было бы так, если бы атомы, излучая, спускались с третьего уровня, куда их забросили при накачке. На самом же деле вынужденное излучение возникает, когда атомы оказываются на более низком, втором уровне. Значит, становясь нормальными, попадая на первый уровень, они должны испускать фотоны меньшей энергии, чем у фотонов зеленого света. Так оно и получается в действительности: свет лазера красный, длина его волны 0,6943 микрона.

Лазер — это генератор света. Питаясь зелеными лучами лампы накачки, он создает красные лучи — лучи когерентного света, обладающие большой направленностью. Если луч лазера направить на Луну, то он создаст на ее поверхности пятно диаметром всего в 2 километра. Чтобы получить такой же эффект обычным способом, например, при помощи параболического отражателя, нужно взять зеркало диаметром в 150 метров!

Но, кроме острой направленности излучения, у лазера есть еще одно важное преимущество — большая мощность луча.

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.

Во-первых, газовый лазер дает по частоте исключительно однородный сигнал. Отклонения от основной частоты составляют всего одну десятимиллиардную долю. Такое отклонение обычными оптическими методами невозможно даже измерить — приходится применять специальные, довольно сложные методы.

Во-вторых, газовый лазер не боится резких перепадов температур, чего нельзя сказать о рубиновом. Стержень рубинового лазера при работе очень сильно нагревается, приходится его охлаждать либо воздухом, либо жидким азотом. Но равномерно охладить кристалл не удается: внутренние слои стержня всегда оказываются горячее наружных. А раз так, кристалл может лопнуть, как лопается стакан, когда в него наливают кипяток. Газовый лазер таким недостатком не страдает.

Наконец, третье преимущество газовых лазеров состоит в том, что его можно делать любых размеров, для чего нужно брать необходимой длины разрядные трубки. Размеры кристаллического лазера определяются длиной стержня, который, как уже отмечалось, длиннее тридцати сантиметров не делают. Слишком длинный стержень труднее изготовить и труднее осуществить его световую накачку.

Газовые лазеры только начинают свою жизнь. Описание первого из них было опубликовано лишь в 1961 году. Некоторое время спустя удалось сделать лазер, который, как и рубиновый, создавал видимый, красный свет. В этом лазере, трубка которого тоже наполнялась смесью гелия с неоном, электрический разряд поддерживался постоянным напряжением около 1700 вольт. Полное давление газов в трубке достигало 0,7 миллиметра ртутного столба.

Появились также новые газовые лазеры, создающие инфракрасный свет. Так, разряд в смеси аргона с кислородом, осуществленный в одном из таких лазеров, создавал вынужденное излучение длиной волны около 8,5 микрона. Газовый лазер на смеси криптона и паров ртути излучал инфракрасный свет с длиной волны в 6 микрон. Все это говорит о том, что возможности, которыми обладает плазма как источник вынужденного излучения, только начинают раскрываться. Целый ряд специалистов-физиков, в том числе и профессор В. А. Фабрикант, считают, что в скором времени газовые лазеры среди квантовых усилителей света выйдут на первое место.

Преимущества их, упомянутые выше, позволяют на это надеяться.

Лазер — прибор, который уже сейчас нужен ученым, инженерам, химикам. Как для газовых, так и для кристаллических лазеров имеется непочатый край задач, которые другими средствами выполнить либо труднее, либо невозможно вообще. Какие это задачи, вы сейчас узнаете.

Детище квантовой механики — лазер стремятся взять на вооружение многие науки и отрасли техники. Ученые и инженеры разных специальностей спорят между собой, считая, что лазер с большим эффектом может быть использован именно в данной отрасли, а не в какой-либо другой. Однако возможности, заложенные в этом удивительном приборе, столь велики, что он оказывается полезным и связистам, и врачам, и металлургам, и исследователям космоса.

Связисты, например, считают, что лазеры станут основными устройствами для обеспечивания наземной, космической и даже подводной связи.

Уже испытан лазер в оптическом телефоне. Не провода, а острый луч переносил на большое расстояние человеческую речь.

Яркость луча при разговоре менялась, потом эти изменения вновь преобразовывались в звук. Правда, это были только первые опыты, но есть все основания надеяться, что появятся портативные устройства с лазерами, которые позволят наладить связь в горных и труднодоступных местах, через проливы и т. д.

Многие специалисты предсказывают настоящую революцию, которую совершат лазеры после их внедрения в радиотехнику.

На земном шаре в разных странах ежегодно вступают в строй десятки новых радиостанций, используемых для радиовещания, самолетовождения, радиотелефонной коммерческой связи. В эфире становится тесно. Если не считать радиоволн короче десяти метров, то в эфире могут работать без взаимных помех не более трех с половиной тысяч станций. Применение же лазера позволит передавать одновременно до десяти миллионов телефонных разговоров, программ вещания и телевидения.

Система лазерной связи будет в некоторой степени напоминать современные линии связи, применяемые в телевидении. Сейчас изображение передается при помощи радиоволн длиной в несколько метров. Эти ультракороткие волны, подобно свету, распространяются прямолинейно, поэтому для передачи их на далекие расстояния приходится строить башни радиорелейных линий, либо прокладывать кабель.

В будущем на таких башнях займут свое место лазеры, которые, как по эстафете, будут одновременно передавать и многие программы телевидения, и телефонные разговоры, и вещательные передачи. Антенной в лазерах служит прозрачная фокусирующая линза диаметром всего в несколько сантиметров, тогда как для передачи даже самых коротких радиоволн пришлось бы применять антенны диаметром в несколько десятков метров.

Свет имеет один недостаток: он сильно поглощается частицами пыли, тумана, находящимися в воздухе. Поэтому в тех местах, где атмосфера часто бывает непрозрачной, световой луч лазеров предполагают передавать по трубам. Уже произведены подсчеты, которые показали, что затраты на строительство таких трубопроводов довольно быстро окупятся.

Зато в космосе, где световые лучи не встречают никаких препятствий, лазер станет основным средством связи. Уже сейчас есть лазеры, создающие настолько яркий луч, что он может быть обнаружен на расстоянии шестидесяти пяти и более тысяч километров. Непрерывное совершенствование кристаллических лазеров все больше и больше увеличивает «дальнобойность» их лучей. Газовые лазеры, которые, очевидно, будут выступать в качестве приемников, будут способны отмечать самые далекие, самые слабые световые сигналы. Недавно построен газовый усилитель света со смесью гелия с ксеноном, который в сто тысяч раз усиливает принятый сигнал! Подобных усилителей радиотехника не знает.

Исследователи космоса в недалеком будущем при помощи лазеров будут изучать слабые световые сигналы, приходящие от самых далеких звезд, осуществлять связь между космическими кораблями, получать многочисленную информацию с искусственных спутников Земли и с ракет, заброшенных в межзвездные дали. Высокая направленность луча позволит осуществлять это при небольших мощностях источников питания. Можно обойтись и без таких источников вообще. Для накачки рубинового лазера, как вы знаете, нужен зеленый свет, а его сколько угодно в излучении Солнца. Достаточно сфокусировать солнечные лучи на кристалле, и лазер будет работать на этой даровой энергии.

Пока все это проекты и предсказания. Но уже сейчас найдена одна область применения лазерной связи, в которой новые приборы становятся единственно применимыми, — это под водой, где связь при помощи радиоволн невозможна. До последнего времени для этой цели использовался ультразвук, но он не обеспечивал необходимой дальности и не был достаточно надежным средством связи. Если в рубках подводных кораблей установить лазеры, то они надежно свяжут мореплавателей между собой. Причем, эти лазеры должны испускать не красный, а голубовато-зеленый свет, так как именно такие лучи меньше всего поглощаются морской водой.

Недавно было опубликовано сообщение, что такой лазер создан. В нем зеленый луч света создается не рубиновым стержнем, а стеклянным с примесью атомов ниодимия. Первый образец создавал световой импульс мощностью в десять киловатт, но есть возможность повысить ее до нескольких мегаватт.

Очень полезными окажутся лазеры в радиолокации. Свет значительно лучше, чем радиоволны, может различать предметы, находящиеся неподалеку друг от друга. Так, один из световых локаторов на лазере сумел различить два неподвижных предмета, расстояние между которыми равнялось всего трем метрам, причем, эти предметы локатор разглядел с дистанции в десять километров. Световой локатор обходится без громоздких антенн, весит около десяти килограммов и легко размещается на небольшом столе. И такой портативный прибор определяет расстояние до объектов значительно точнее, чем обычный радиолокатор.

Когда от антенны передатчика распространяется радиоволна, то в радиоприемник попадает ничтожная доля энергии. Радиопередатчик посылает волны не узким пучком, а веером, и большая часть их энергии пропадает напрасно.

Создание лазера позволяет думать не только о передаче сигналов, но и энергии. Лазерная линия электропередачи будет работать так: энергия электрического тока в самом начале линии преобразуется в электромагнитную энергию луча. В пункте приема будет установлен обратный преобразователь энергии света в энергию тока. Чтобы уменьшить потери энергии при передаче, луч света можно передавать по светопроводам — трубкам, из которых выкачан воздух.

Огромная скорость распространения света открывает новые перспективы перед создателями математических машин. Когда в них получат «прописку» лазеры, нынешние быстродействующие машины будут заменены сверхбыстродействующими.

Скорость, с которой вычислительные машины производят математические операции, во многом зависит от быстроты передачи сигналов между различными узлами машин. Световые сигналы обладают наибольшей скоростью, поэтому применение лазеров позволит достичь огромной быстроты действия. Примерно в десять тысяч раз может быть повышена скорость работы математических машин по сравнению с современными! Сейчас в математических машинах сигналы передаются по проводам. В машинах будущего световые сигналы помчатся по тончайшим стеклянным волокнам. Свет внутри такого волокна много раз отражается от стенок и попадает точно по адресу, нигде не вырываясь наружу.

Когда будут созданы такие математические машины? Скоро, потому что конструкторы уже сейчас набрасывают их контуры.

Лазеры станут верными помощниками химиков. Выше уже отмечалась высокая однородность излучения лазеров. Это позволяет воздействовать таким светом на молекулы веществ, находящихся в химическом взаимодействии. Молекулы, поглотившие фотоны нужного «сорта», становятся химически более активными — реакция ускоряется во много раз. Особенно «полезен» для молекул инфракрасный свет, который создают газовые лазеры, и можно не сомневаться в том, что в цехах химических заводов такие лазеры станут активными участниками производства.

Лазеры уже находят применение в хирургии. Тончайший луч оказался исключительно удобным скальпелем. Был проведен такой опыт: в глаз кролика направили луч света от лазера. Он фокусировался на сетчатке глаза. Воздействуя теплом такого луча, хирург успешно сшил поврежденную сетчатку.

Было испробовано еще одно применение лазера в медицине.

Всем известно, какие высокие требования предъявляются к чистоте хирургического инструмента. Чтобы этим инструментом можно было работать, его подолгу кипятят в воде, стерилизуют. Оказалось, стерилизацию можно очень быстро осуществлять светом лазера. Его лучи мгновенно убивают любые бактерии и микробов, находящихся на инструменте.

Микромир плазмы живет сложной жизнью. И чтобы раскрыть все секреты плазмы, приходится конструировать довольно сложные и громоздкие приборы, делать много разных опытов.

Едва появившись, лазер занял свое место и в лабораториях физиков-экспериментаторов. Уже сейчас физики пробуют при помощи луча лазера определять скорость движения электронов в плазме, подсчитывать их концентрацию в разных участках разрядной трубки.

Сталкиваясь с электронами, пучок лазерного света рассеивается. Больше электронов — сильнее рассеяние света. По этому эффекту и определяют концентрацию электронов, например, внутри жгута электрической дуги.

Высокое постоянство электромагнитных колебаний лазерного луча позволяет узнать и скорость движения частиц плазмы. Когда световая волна натыкается на движущуюся частицу, то после отражения частота колебаний меняется. Быстрее движется частица — больше изменение частоты. Это явление в физике названо эффектом Допплера. Зондируя плазму импульсами лазерного света и отмечая изменения частоты световых колебаний, физики довольно точно определяют скорость частиц плазмы.

Я рассказал только о двух задачах, решаемых учеными с помощью лазеров. Их можно назвать десятки. Со временем без лазеров не будет обходиться ни одна исследовательская лаборатория.

А теперь стоит рассказать о профессии лазера как двойника гиперболоида инженера Гарина. Прибор, о котором Алексей Толстой рассказал в своем фантастическом романе, мог тонким лучом резать металл, скалы, бурить породу. Оказывается, не фантастический гиперболоид, а реальный генератор света — лазер все это может делать.

Мне приходилось видеть, как мгновенная вспышка света рубинового лазера «прошивала» десяток стальных лезвий, делала отверстие в самом твердом сплаве. Такая «физическая» сила светового луча уже используется в практике.

Каждому известно, какой твердостью обладает алмаз. Просверлить в нем отверстие — задача нелегкая. Лазер позволил ее решить очень просто. Уже созданы установки, в которых световой луч лазера делает отверстия в алмазе любого нужного размера. И делает практически в одно мгновение.

Инженеры и конструкторы, занимающиеся металлообработкой, уже сейчас пробуют использовать лазеры для резки, плавления и сварки самых тугоплавких металлов и сплавов. Луч лазера делает это с ювелирной точностью. После лазера не нужна никакая дополнительная обработка.

Лазер — это детище нашего века. Он родился в результате огромной, кропотливой исследовательской работы ученых разных стран. Особенно большой вклад сделали советские ученые.

Трудно переоценить важность открытия, сделанного под руководством профессора В. А. Фабриканта. Ему, Ф. А. Бутаевой и М. М. Вудынскому было выдано авторское свидетельство на новый способ усиления света. Другие советские ученые, лауреаты Ленинской премии А. М. Прохоров и Н. Г. Басов первые предложили использовать кристалл рубина для усиления и генерации электромагнитных волн. Идея помещения активной среды между двумя зеркалами для увеличения эффективности вынужденного излучения впервые была высказана советским физиком А. М. Прохоровым. Его статья, опубликованная в 1958 году, имела большое научное значение. Все это ускорило создание лазеров, которые появились почти одновременно в США и в СССР.

Сейчас квантовые усилители и генераторы излучения стали объектом пристального внимания ученых разных стран. Это и не удивительно, так как возможности, заложенные в них, огромны.

Можно не сомневаться, что настойчивая работа ученых и инженеров приведет к тому, что лазеры выйдут из стен лабораторий и займут свои места в цехах заводов и химических предприятий, в клиниках и центрах связи — всюду, где они будут нужны.