Превращения гиперболоида инженера Гарина

ТЫ ИЗМЕНИЛ ДАЖЕ ИМЯ

Путешествие по шкале электромагнитных волн можно сравнить с бегом по сильно пересеченной местности. Издавна, когда еще не существовало самого понятия электромагнитных волн, люди были знакомы со светом. Около трехсот лет назад ученые сумели измерить длину его волны. Для красного света получилось около 0,6 микрона, а для фиолетового примерно 0,4 микрона.

В конце прошлого века Герц открыл электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом. Начиная с 1886 года он экспериментировал с волнами длиной в десятки сантиметров. В 1895 году, через год после смерти Герца, Рентген открыл то, что он назвал икс-лучами, а теперь мы называем рентгеновыми лучами.

«Даже набат военной тревоги не смог бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены», — передало лондонское телеграфное агентство 6 января 1896 года об открытии Рентгена. Фрау Берта Рентген поднесла руку к прибору мужа, и оба в изумлении рассматривали странный снимок: икс-лучи набросали силуэт тонких косточек женской кисти и на одной из них обручальное кольцо.

Стоке первым понял, что открыт новый вид электромагнитных волн. Он заявил, что если его догадка справедлива, то колебания в рентгеновых лучах должны происходить поперек направления их распространения, а не вдоль него, как в звуковых волнах в воздухе. Догадку Стокса подтвердил в 1904 году Е. Барка, но только опыты М. Лауэ в 1912 году сделали это бесспорным. Лауэ обнаружил, что рентгеновы лучи дифрагируют на решетке кристалла, как полны. Это значит, что они огибают атомы, образующие кристаллическую решетку, подобно морским волнам, огибающим сваи пристани. Он измерил их длину. В зависимости от напряжения, приложенного к рентгеновской трубке, длина волны менялась от тысячных долей микрона до его миллионных долей. Этим Лауэ окончательно доказал, что рентгеновы лучи, природа которых оставалась неизвестной, представляют собой очень короткие электромагнитные волны.

В том же году, когда Рентген открыл свои лучи, — Попов применил волны Герца для связи. Открытие радио и его первые применения связаны с использованием длинных волн Герца. Их длина составляла уже метры и десятки метров.

Постепенно радио осваивало все более длинные волны. Они оказались лучше приспособленными для дальней связи. Это были волны длиной в сотни и тысячи метров. Короткие волны, как пригодные только для опытов, отдали в распоряжение радиолюбителей. Радиолюбители, к удивлению ученых, обнаружили, что короткие волны при очень малой мощности передатчиков позволяют вести радиосвязь на самых больших расстояниях.

Конечно, инженеры немедленно использовали это открытие, оставив радиолюбителям лишь несколько узких участков во всем обширном диапазоне коротких волн. С развитием радио в эфире становилось все теснее. Радиолюбители первыми проникли в диапазон метровых волн. За ними туда устремились военные радисты. Молодое телевидение начало осваивать метровый диапазон потому, что ни один из известных диапазонов не мог выделить столь широкие каналы, которые нужны для высококачественного телевидения.

Радиовойна, война локаторов, разгоревшаяся во время второй мировой войны, заставила радистов на новой базе освоить дециметровый и даже сантиметровый диапазоны. Казалось, круг замкнулся, это опять были волны Герца. Но наука развивается не по кругу, а по спирали. И следующий ее виток пошел еще дальше в сторону световых волн. Вскоре после войны удалось создать электронные лампы для миллиметрового диапазона и получить радиоволны короче миллиметра.

Впрочем, оптики тоже не сидели сложа руки. Они постепенно расширяли свои владения. С большим трудом шло освоение невидимых ультрафиолетовых лучей, самые короткие из которых так сильно поглощаются воздухом, что для их изучения спектрографы приходится откачивать вакуумными насосами. Осваивали оптики и невидимые инфракрасные волны. К концу прошлого века Рубенс научился работать с инфракрасными волнами длиной в десятки микрон. Эти его работы, между прочим, были окончательным толчком, заставившим Планка опубликовать исследования, ставшие истоком современной квантовой физики.

Неисследованным остался лишь участок между миллиметровыми и инфракрасными волнами. Правда, в эту область в течение многих лет производили партизанские вылазки А. А. Глаголева-Аркадьева и некоторые другие ученые, но они пользовались примитивными приборами и больших успехов не добились.

XX век перевалил через середину, а промежуточный диапазон, разделявший радистов и оптиков, не поддавался ни тем, ни другим.

За несколько лет, прошедших после рождения молекулярного генератора и его младшего брата — парамагнитного усилителя, квантовая электроника пережила бурный период развития. Ею заинтересовались и маститые ученые и молодежь. Ряды энтузиастов росли на глазах.

В середине сентября 1959 года вблизи Нью-Йорка, в тихом местечке Хай Вью, собралась разноязычная компания ученых. Это были участники первой Международной конференции по квантовой электронике. По сравнению с масштабами других международных конференций их было так мало, что организаторы смогли поместить в томе трудов конференции список всех ее участников. Здесь наряду с Басовым, Прохоровым и Таунсом можно найти имена Ван-Флека, одного из старейших физиков-теоретиков США, известных нам Блумберхена, Броссела и Бонаноми и других, о которых уже рассказано на предыдущих страницах и будет говориться дальше.

В сентябре в Хай Вью жарко, и после заседаний участники конференции продолжали обсуждения на тропинках парка, на берегу плавательного бассейна, и только темнота загоняла их поближе к цивилизации.

Конференция, как в зеркале, отразила основные направления новой науки. Большинство докладов и кулуарных бесед, конечно, касались молекулярных генераторов, атомных часов, парамагнитных усилителей, их исследования и применений. Это было естественно.

Но теперь, обращаясь к этой конференции, мы видим, что главным в ней было не это. Здесь прозвучали фанфары, возвещавшие о вторжении радиофизиков в исконную вотчину оптиков.

В течение трех веков, прошедших между выходом «Оптики» Ньютона и «Оптики» Борна, оптика достигла такого совершенства, что в ней не оставалось ни одного крупного вопроса, ни одной принципиальной трудности. Казалось, надо подчищать мелочи и по неоспоримым канонам строить все более крупные телескопы, безупречные микроскопы и спектрографы.

Физики считали, что оптика перестала быть предметом исследования. Она превратилась в инструмент науки. В мощное орудие исследования свойств атомов и молекул. Оптика дала удобные методы анализа сплавов и сложных химических соединений. Словом, для оптики пора молодости, когда таинственная незнакомка увлекает горячие головы, прошла. Оптика стала верной помощницей каждого, кому она может быть полезной. Почетная, но прозаическая зрелость!

Но, как это иногда бывает, колесо судьбы начало новый оборот. То, что в течение четверти века казалось исчерпанным, окаменевшим, интересным разве лишь студентам, внезапно засияло ярким светом, оказалось исполненным жизни, удивительных тайн, захватывающих перспектив. И все это было следствием прорыва радиофизиков в страну оптиков. Рождалась квантовая электроника оптического диапазона.

Недаром один из физиков вспомнил в связи с этим такую историю.

Некий ученый бросается к другому и кричит:

— Борис, я не видел тебя двадцать пять лет. Как ты изменился! Ты был толстым, а стал стройным. Ты был коротышкой, а теперь ты так высок. Ты был уже совсем лысым, а теперь у тебя прекрасная шевелюра. Борис, что случилось? Ты так изменился!

— Но я не Борис, — отвечает тот.

— Ах, так ты изменил и свое имя!

НОВЫЙ ГАРИН

Впрочем, в оптике столь неожиданные метаморфозы произошли не вдруг и не сами собой. То, что к концу пятидесятых годов было достигнуто в радиодиапазоне, не могло быть попросту перенесено на более короткие волны.

Квантовым генераторам на пути от радиоволн к свету предстояло преодолеть два барьера. Требовалось изыскать новые методы получения активной среды и создать резонаторы, способные откликаться на световые волны.

На конференции Шавлов пересказал недавно опубликованную им совместно с Таунсом статью, в которой указывался путь к инфракрасным и световым мазерам.

Прохоров рассказал, как он вместе с Барчуковым вышел из тупика, в который попадал каждый, пытавшийся на пути к свету вслед за радистами попросту уменьшать размеры резонатора.

Прохоров есть Прохоров, он не стал дожидаться рождения нового Левши. Он умеет отыскивать парадоксальные решения, и, вместо того чтобы мучительно подбирать ключи к двери, преграждающей путь, он предпочитает перескочить через препятствие. Он предложил отказаться от обычных объемных резонаторов и показал, что для очень коротких волн их можно с успехом заменить двумя параллельными зеркалами.

Теперь все понимают, что он попросту предложил использовать в качестве резонатора интерферометр Фабри и Перо, который оптика давно использовала в качестве спектроскопа. Но заслуга состоит и в том, чтобы взглянуть на известное с новой точки зрения, перебросить мост между старым и новым. И характерно, что это сделал не кто-нибудь из оптиков, привыкших работать с интерферометром Фабри и Перо, а радиофизик из школы Мандельштама и Папалекви. Характерно и то, что радиофизик Таунс почти одновременно с Прохоровым и совершенно независимо пришел к тому же решению.

Мало кто из участников конференции обратил внимание на доклад И. Видера, посвященный некоторым экспериментам с рубином. Тем более что и в докладе Шавлова говорилось о рубине, но он сказал, что известная теперь всем красная линия рубина не подходит для создания квантового генератора света. Еще никто из присутствовавших, в том числе сам автор, не знал, что изображенная им схема энергетических уровней рубина станет столь знаменитой. Но в зале сидел Т. Мейман, доклад которого был посвящен парамагнитному усилителю на рубине. И можно не сомневаться в том, что он внимательно слушал Видера. Скоро Мы узнаем, к чему это привело.

Незаметно прошел и доклад Джавана, незадолго перед тем перешедшего из Колумбийского университета в лабораторию фирмы Белл. Он обсуждал возможность приведения в активное состояние смеси гелия и неона, но не при помощи оптической накачки, как это предлагали Таунс и Шавлов для паров щелочных металлов, а посредством электрического разряда. Впрочем, доклад Джавана не содержал расчетов, подтверждающих возможность применения этого метода.

Дискуссия была краткой. Один из присутствующих вспомнил, что еще в 1930 году было опубликовано сообщение об инверсии населенностей, полученной при помощи электрического разряда в смеси паров натрия и ртути. Замечание было принято к сведению, и только.

Но в перерыве к Джавану подошел Басов. Басов интересовался тем, как Джаван оценивал шансы на положительный результат. Ответ был неутешительным. Расчеты столь сложны, что их не удается довести до точных числовых результатов. Вся надежда на опыт.

Однако зерна, посеянные на конференции в, казалось, совсем не подготовленную почву, взошли неожиданно быстро.

Молния сверкнула за океаном, а раскаты грома раздались из Лондона, где издается известный научный журнал «Природа». В одной из его тоненьких тетрадок уже в первой половине 1960 года появилось коротенькое сообщение Т. Меймана о том, что он создал новый генератор световых волн. Успех пришел к Мейману не случайно. Он не был новичком в квантовой электронике. Но если работы в области квантовых парамагнитных усилителей, о которых он докладывал на конференции, принесли ему известность лишь среди специалистов, то о его новом достижении узнал весь мир.

Газеты запестрели заголовками: «Ярче Солнца», «Кровавый луч», «Разящий луч», а среди любителей научно-фантастической литературы нашлись и поклонники Алексея Толстого. Они не преминули написать «Новый Гарин», и «Гиперболоид наших дней», и многое другое.

Действительно, было отчего прийти в возбуждение. Мейман показал журналистам небольшой прибор, на верхней части которого лежал металлический цилиндр размером с литровую консервную банку. В середине ее торца виднелось небольшое отверстие.

— Внимание, — сказал Мейман, указывая на лист бумаги, прикрепленный к стене лаборатории.

Вдруг в середине листа на мгновение ослепительно вспыхнуло небольшое ярко-красное пятно.

— Еще раз, — сказал Мейман и снова нажал кнопку.

Теперь те, кто смотрел на прибор, увидели, как из отверстия в его торце вылетел луч толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, этот луч упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. В комнате было совсем светло, но красный луч выглядел примерно так же, как луч солнца, проходящий в затемненную комнату через отверстие шторы.

После нескольких вспышек металлический цилиндр был открыт. В нем оказались лишь два предмета. Спиральная лампа-вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный кристалл, размером с обычную сигарету. Концы его блестели, как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра.

Вот как комментировали журналисты объяснение Меймана.

Розовый стерженек сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но еще более светлый, применяется в мазерах для усиления микроволн. Рубин кажется красным только потому, что он сильно поглощает лучи зеленого и фиолетового света. Если из белого света удалить эти лучи, остаток кажется красным. Это свойство глаза, обнаруженное еще в прошлом веке Гельмгольцем.

В поглощении света участвует не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, которых здесь лишь доли процента. Но именно они играют главную роль в работе прибора. Свойства рубина подробно изучены при разработке мазеров. Облучая его радиоволной, можно заставить ионы хрома усиливать радиоволны.

Мейман первый догадался, что, облучая рубин светом лампы-вспышки, можно заставить его усиливать свет. Опыт работы с мазерами и статьи Таунса (а может быть, он читал и статьи Прохорова и Басова) говорили о том, что, применив обратную связь, можно превратить усилитель в генератор, в генератор света, действующий совершенно так же, как обычный радиопередатчик. Какой резонатор можно применить при работе со светом — тоже было известно. Это пара параллельных зеркал. Проще всего было отполировать торцы рубинового стержня и прямо на них нанести зеркальный слой серебра…

То обстоятельство, что новый генератор излучает красный свет, никак не связано с красным цветом рубина. Окраска рубина, как мы знаем, вызвана только тем, что он поглощает зеленые и фиолетовые лучи. Красный цвет луча первого лазера определяется тем, что энергетические уровни иона хрома, участвующие в работе прибора, отстоят друг от друга на величину, равную энергии фотонов красного света.

На вопрос о том, почему он назвал новый прибор словом «лазер», Мейман ответил, что он просто заменил буквой «л» букву «м» в слове «мазер». Он сказал: «Это потому, что принцип действия обоих приборов одинаков. Различаются только диапазоны длин волн, в которых они работают. Буква „л“ — сокращение слова „лайт“ (свет). Остальные буквы означают „усиление при помощи индуцированного испускания“».

Впрочем, название — дело вкуса. Советские ученые предпочитают говорить «оптический квантовый генератор», сокращая его для удобства в ОКГ. Мы привыкли ко всякого рода ломающим зубы сокращениям. Ученые группы Таунса предпочитают «оптический мазер». Может быть, потому, что автор слова «мазер» их шеф. Но в общем разноголосица не вносит путаницу только потому, что все знают, о чем идет речь, и воспринимают слова «мазер» и «лазер» не в первоначальном значении, а просто как название целого класса приборов.

ВОЗМОЖНО ЛИ ЭТО?

Красный луч Меймана, подобно бикфордову шнуру, воспламенил целый фейерверк. Горючее для него готовилось и собиралось годами. Если за двадцать лет до этого одинокий голос Фабриканта не был услышан, то теперь в десятках лабораторий работали новые квантовые приборы. Это и разнообразные молекулярные генераторы, и парамагнитные усилители, и атомнолучевые стандарты частоты. Уже существовали безукоризненно разработанные теории, были подробно изучены различные вещества. Сложенные костры ждали только искры. Мейману посчастливилось высечь эту искру.

Заводы искусственных камней, предназначенных для часовой и приборостроительной промышленности, быстро освоили выращивание крупных рубинов. Труднее оказалось добиться высокого оптического качества кристаллов, наладить точную обработку их торцов. Здесь требовалась по крайней мере в десять раз более точная обработка, чем при изготовлении лучших астрономических приборов.

Каждый знает, что такое десятая доля миллиметра. Это толщина лезвия безопасной бритвы. Впрочем, не все лезвия так тонки. Сотые доли миллиметра можно измерить только микрометром. Несмотря на свое название, этот прибор не может отсчитать микрона — тысячную долю миллиметра. Для этого квалифицированные слесари-лекальщики пользуются специальными, еще более точными приборами — индикаторами.

Оптики, для которых важны десятые доли микрона, ловят их при помощи специальных оптических приборов. А теперь от них требуют сотые доли микрона! Иначе луч оптического квантового генератора будет по мере удаления расходиться сильнее, чем это должно быть, а в некоторых случаях генератор совсем не заработает. Правда, такие невообразимые точности потребовались позднее, но они потребовались и были достигнуты.

В наш век, когда газеты ожесточенно воюют за каждого читателя, сенсации грозят превратиться в обыденность. Мир привык к сенсациямподенкам. Некоторые фирмы спешат за модой. Прилагательные «космический», «атомный» приносят кредит, поднимают цены акций.

Мейман не стремился к рекламе. Он опубликовал сообщение о своем открытии в виде небольшой заметки в скромном английском журнале. Правда, тридцатью двумя годами раньше индийский физик Раман, опередив Мандельштама, направил именно в этот журнал телеграмму об открытии комбинационного рассеяния света, впоследствии приведшую его к Нобелевской премии. Этот журнал известен тем, что очень быстро печатает такие короткие заметки. Поэтому ученые всего мира внимательно следят за его тонкими тетрадками, и они прочли заметку Меймана. И она взволновала их гораздо сильнее, чем тех читателей газет, которых репортеры стремились потрясти заголовками «Лучи смерти», «Разящий луч» и рассказами о том, как неосторожный молодой ученый временно ослеп, попав в луч лазера на расстоянии десяти миль.

Физиков такие заголовки не смущали. Они знали, что иные газеты привыкли делать из мухи слона. Но они понимали и то, что скромный маломощный прибор Меймана вовсе не муха, а птенец, который скоро станет огромной птицей. И поначалу было совсем не ясно, кем он обернется — жестоким хищником или благородным аистом.

Слишком свежо было воспоминание о том, что последовало за скромной заметкой Гана и Штрассмана о делении ядер урана.

Физики хорошо знали и то, чем отличается красный луч, выходящий из прибора Меймана, от красного света светофора или от кровавого сияния неоновых реклам.

Во всех существующих доселе источниках света — от костра первобытного человека и далеких звезд до привычной электрической лампочки или сверхъяркой лампы, вспыхивающей на летящем самолете или пылающей в огромном прожекторе, — всюду истинными источниками световых волн являются отдельные атомы или электроны, испускающие свои маленькие порции света совершенно независимо, по законам случая. В переводе на мир больших явлений это выглядит так, как если бы Москву освещали лампочками, вспыхивающими то в Лужниках, то на Пресне, то в Химках. Только миллионы одновременно сияющих ламп могут осветить город!

В приборе Меймана источниками света тоже были миллиарды миллиардов электронов, входящих в состав ионов хрома, рассеянных в толще рубинового стержня. Но все эти электроны испускали свет не независимо, не хаотически, не самопроизвольно. Они испускали его более согласованно, чем звучат скрипки в хорошем оркестре. Это было вынужденное испускание, при котором не только частота, но и фаза и направление излучения, исходящего от отдельных частиц, совпадают с огромной точностью.

Такое совпадение основных характеристик световых волн оптики называют когерентностью. Почти все умопомрачительные достижения оптических квантовых генераторов так или иначе связаны с когерентностью. С тем, что вынужденное излучение отдельных частиц в результате обратной связи оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.

До появления прибора Меймана оптики почти всегда имели дело с некогерентным светом. Прибор Меймана впервые показал, что и в оптике слаженный коллектив приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому сборищу индивидуальностей.

Физики уже имели дело с вынужденным испусканием электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне радиоволн. Там оно привело к недостижимой, ранее стабильности генераторов, к предельной чувствительности приемников.

Теперь им было ясно, что вынужденное испускание в оптике дает гораздо больше, чем простое усиление света, о котором писал Фабрикант в своей диссертации. Вынужденное испускание в оптике открывает путь для небывалой концентрации энергии, для передачи энергии на огромные расстояния с очень малыми потерями, для создания новых систем связи… Впрочем, могли открыться возможности, о которых никто еще и не мечтал.

Вспомните известную легенду об Архимеде. В ней говорится о том, как он спас родные Сиракузы, поставив на их стенах сотни воинов с блестящими щитами и приказав им отбросить этими щитами солнечные зайчики на флагманский корабль врагов. Корабль тут же загорелся, а за ним и другие. Враг бежал.

Во многих легендах есть зерно истины. Сиракузы не были побеждены. Враги действительно сняли осаду и удалились восвояси. Может быть, осаждавших ослепили щиты сиракузцев или обескуражила их решимость. Возможно, у них иссякла вода или продовольствие. История об этом молчит. Но физики знают, что щиты сиракузцев не могли поджечь корабли. Если на каком-либо из них и вспыхнул пожар, то по иной причине.

Об этом можно прочитать в интересной и поучительной книге профессора Г. Г. Слюсарева. Она называется «О возможном и невозможном в оптике». Эта книга вышла всего несколько лет назад. Потом она была переиздана. Это прекрасная книга, она не только основывается на непоколебимом фундаменте науки, но и написана так, что каждый, даже очень далекий от физики, поймет, что же могут и чего не могут достичь оптика и светотехника.

Особенно интересно читать эту книгу сегодня. Годы придали ей то, о чем даже не помышлял автор. Листая ее страницы, мы видим, как наука переходит от невозможного к возможному. Ведь почти все то, о чем в ней пишется как о невозможном, действительно было невозможным до 1960 года. А теперь стало, по крайней мере в принципе, возможным!

Нет, законы оптики не изменились. Все, о чем Слюсарев пишет как о недостижимом, осталось недостижимым при помощи старых источников света. Но новые источники — оптические квантовые генераторы — уже сделали многое из этого реальным и обещают в будущем достичь и остального.

ВОЗМОЖНО!

Каждый знает, что оптическая линза или вогнутое зеркало сводит параллельный пучок света в точку, находящуюся в фокусе. Если же в фокусе находится светящаяся точка, то та часть света, которая попадает на линзу или зеркало, превращается в пучок параллельных лучей. Это можно выразить и иными словами. На языке волн мы скажем: сферическая волна, выходящая из точки, совпадающей с фокусом линзы, превращается ею в часть плоской волны, которая может, почти не ослабевая, бежать на очень большие расстояния.

Теперь ни для кого не секрет, что никакая точка не может быть беспредельно малой. В оптике точка — это светящееся пятнышко, размер которого никак не меньше длины световой волны. Параллельный пучок в оптике совсем не похож на тот, о котором написано в учебнике геометрии. От параллельного пучка лучей света, по его краям, всегда постепенно отделяется небольшая часть, уходящая в стороны. Но это, как говорят, детали. Во многих случаях они не играют существенной роли.

Инженеры-светотехники встречаются с гораздо более существенными трудностями. Они не могут увеличить яркость прожектора просто потому, что яркость современных ламп достигла предела. Большего не допускают существующие материалы. Наращивать световой поток дальше можно, только увеличивая размеры лампы. Вот здесь и обнаруживается тупик. Прожектор может превратить в параллельный пучок только свет, идущий из точки. Свет, выходящий из соседней точки, формируется в отдельный (тоже параллельный) пучок, но идущий в другом направлении. Яркость света, излучаемого в первоначальном пучке, при этом не возрастает. Мы можем увеличить размеры площади, освещенной прожектором, но не ее яркость.

Яркость луча любого прожектора быстро уменьшается с увеличением расстояния. Ведь каждый прожектор излучает расходящийся пучок лучей из-за того, что источник света в нем не точечный. Оптический квантовый генератор с самого начала испускает почти не расходящийся пучок света, причем лучи его тем более параллельны, чем больше сечение пучка. Конечно, этот пучок постепенно расширяется из-за дифракции, то есть из-за огибания светом края выходного отверстия. Но это сравнительно небольшая часть, и ученые знают, как ее уменьшить. Поэтому яркость луча оптического квантового генератора очень медленно уменьшается даже на больших расстояниях.

Вот один из примеров невозможного. Никакая оптическая система не может сделать изображение обычного источника света более ярким, чем сам источник. Солнечный зайчик, отброшенный большим вогнутым зеркалом, режет сталь и плавит гранит. Как ни велика температура этого зайчика, она ниже температуры поверхности Солнца.

Если же на зеркало или линзу падает практически параллельный пучок лучей оптического квантового генератора, то вся энергия, заключенная в этом пучке, соберется в фокусе, на площадке размером порядка длины световой волны. Яркость этой площадки будет огромна. Температура в ней быстро поднимется. Легко предвидеть, что при этом произойдет!

Еще пять лет назад об этом и не мечтали. Сфокусированный луч оптического квантового генератора пробивает дырки в стальных пластинках, испаряет алмаз, а если в фокусе нет ничего, кроме воздуха, превращает его в миниатюрную шаровую молнию. Может быть, самое поразительное здесь то, что источник, испускающий этот шквал энергии, сам совсем холодный. Иногда он имеет температуру жидкого азота.

Лазерная оптика обогнала обычную с помощью радио. Обратная связь сыграла решающую роль. Только в результате дружного действия биллионов атомов их совокупное излучение приобретает почти идеальную регулярность в пространстве и времени.

Существенной особенностью лазеров является то, что все они основаны на использовании многообразных вариантов одного давно известного оптикам явления. На использовании разновидностей особого рода свечения — люминесценции. Если вы любите короткие формулировки, то можно сказать, что лазеры родились из союза люминесценции и обратной связи.

С люминесценцией навсегда связано имя академика Сергея Ивановича Вавилова.

В начале тридцатых годов в особняке на Миусах несколько человек каждый день спускались в абсолютно темный подвал и часами сидели там без всякого дела. Подобно тому, как Шерлок Холмс, желая сосредоточиться, играл на скрипке, некоторые из них пели. Это были академик С. И. Вавилов и его ученики. Они увлеченно трудились над разгадкой самосвечения веществ. Оно зачастую было столь слабым, что приходилось задолго до опыта готовить себя к нему, сидя в темноте и ничего не делая. Так часами сидел П. А. Черенков, нобелевский лауреат, которому посчастливилось открыть известный эффект Черенкова. Так работал и профессор Н. А. Добротин, ставший нобелевским лауреатом и заместителем директора ФИАНа. Так сидел часами и сам Вавилов, и сотрудники этим охотно пользовались, чтобы в тишине обсудить текущие дела и проблемы. Многие из его учеников стали видными учеными и работают не только в Москве, но и в других городах. Один из них, П. П. Феофилов, ленинградец, стал крупнейшим специалистом в области люминесценции. Он вслед за своим учителем исследовал природу свечения, лежащего в основе тех процессов, которые заставляют сиять в темноте циферблаты часов и приборов, гнилушки и светлячки в лесу и брызги морской воды в августовские ночи, а в наших домах образуют изображение на экранах телевизоров.

Феофилов, теперь уже вместе со своими учениками и сотрудниками, особенно подробно исследовал законы люминесценции ионов редких земель в различных кристаллах и стеклах.

Редкими землями, или редкоземельными элементами, называют группу металлов, некоторые из которых действительно крайне редки, а другие встречаются в больших количествах и широко применяются в технике, в частности в металлургии, стекольной промышленности, при изготовлении кремней для зажигалок, и трассирующих пуль, и снарядов. Впрочем, слово «земли» в их названии имеет только исторический смысл и пришло в науку из глубокой древности. Древнегреческие философы, средневековые алхимики и химики доменделеевского периода применяли это слово в различных, часто противоположных смыслах.

Уже Лавуазье предположил, что неразложимые, неплавкие, негорючие и нелетучие вещества, называвшиеся «землями», являются окислами и химикам еще предстоит их разложить. Через двадцать — двадцать пять лет все эти «земли» и ряд вновь открытых были действительно разложены на кислород и металлы. Но химики продолжали по привычке называть эти окислы землями.

Менделеев, создав свою периодическую систему, дал полную классификацию окислов и тем самым сделал термин «земли» излишним. Но традиции языка оказались сильнее здравого смысла. Более того, применительно к группе редких земель этот термин со временем присоединился не только к окислам, но и к самим металлам, имеющим очень близкие химические свойства.

Группа редкоземельных металлов в свое время доставила много хлопот Менделееву. Все они в отношении химических свойств аналогичны самому легкому из них — лантану. Они как бы выпадали из периодического закона, в соответствии с которым химические свойства должны изменяться от элемента к элементу, повторяясь через каждые 8 или 18 номеров.

Большую помощь Менделееву оказали исследования чешского химика Б. Браунера, который заинтересовался открытием Менделеева еще в семидесятых годах прошлого века. В результате длительных исследований редких земель Браунер решил, что все они как исключение должны быть выделены в особую группу. Менделеев принял это предложение. Он даже попросил Браунера, давно ставшего не только его заочным сотрудником, но и другом, написать раздел «Элементы редких земель» для седьмого издания своего знаменитого труда «Основы химии».

Квантовая физика подтвердила справедливость идей Браунера. Особенности редких земель связаны с тем, что по мере усложнения атомного ядра, после того как число протонов в нем становится равным 57, его заряд компенсируется не обычным прибавлением электронов на все более удаленные орбиты, а заполнением внутренних орбит, оставшихся не использованными в более легких атомах. При этом внешние орбиты всех 15 редких земель одинаковы, а именно они определяют химические свойства атомов.

Но Феофилова и его сотрудников интересовали не внешние электроны редких земель, а как раз те не заполненные электронами орбиты, которые отличали один редкоземельный элемент от другого. Постепенное заполнение этих орбит вызывало сложные изменения в спектрах. Расшифровка таких изменений представляла чрезвычайно увлекательную и сложную задачу. В ходе ее решения оказалось, что исследование спектров редкоземельных элементов позволяет получить ценные сведения о строении тех кристаллов, в которые редкие земли входят как очень малая примесь. Это было очень важно и для физики атома, и для теории строения кристаллов, и даже для решения сложных технологических задач, возникающих при варке лучших сортов стекла.

ПИЧКИ-ЗАГАДКИ

Во многих городах в различных странах ученые включились в эти исследования. Еще больше было таких, которые применяли их результаты для своих весьма разнообразных целей.

В области квантовой электроники редкоземельные элементы позволили создать множество различных типов оптических квантовых генераторов. Наиболее широкое применение среди всех редких земель здесь нашел неодим.

Добавка нескольких процентов неодима в стекло позволила получить генерацию инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. Человеческий глаз не видит этого излучения, но тем поразительнее его действие. Здесь нет даже огненного луча, вылетающего из рубина, но в пластинке, изготовленной из сверхтвердого сплава, появляется одно отверстие за другим. Невидимый инфракрасный луч пробивает тончайшие аккуратные отверстия с гладкими оплавленными краями.

Первые оптические квантовые генераторы, работавшие на кристаллах рубина, на стекле, на некоторых других кристаллах излучали электромагнитную энергию короткими мощными импульсами. Они не могли работать непрерывно. Главным образом из-за несовершенства применявшихся материалов.

Рубин и другие кристаллы, а также стекла в оптическом квантовом генераторе приводятся в активное состояние при помощи оптической накачки. Здесь работает ставшая классической схема трех уровней, предложенная для получения активного состояния еще Басовым и Прохоровым. Энергетические уровни рубина, участвующие в генерации, принадлежат ионам хрома. Правда, в рубине верхний из рабочих уровней хрома имеет сложную структуру. Это даже не уровень, а сочетание множества уровней, слившихся в две отдельные полосы. Для того чтобы перебросить электроны хрома из основного состояния в нижнюю из этих полос, на них нужно воздействовать фотонами зеленого света. Для того чтобы перебросить электроны в верхнюю полосу, рубин нужно осветить сине-фиолетовым светом. Лампы-вспышки, служащие для накачки оптических квантовых генераторов, излучают белый свет. Это значит, что в их спектре присутствуют все частоты видимого света. Поэтому во время вспышки внешние электроны части ионов хрома поглощают зеленый свет и переходят в нижнюю из полос возбуждения, а электроны остальных ионов хрома, поглощая синий и фиолетовый свет, поднимаются в верхнюю из этих полос.

Приобретя таким путем избыточную энергию, ионы хрома в кристалле рубина не могут сохранить ее дольше, чем несколько стомиллионных долей секунды. За это время часть поглощенной энергии рассеется по решетке кристалла, вследствие чего электроны опустятся на более низкий энергетический уровень, обладающий всеми свойствами, необходимыми для того, чтобы стать стартовым уровнем для генерации света. На этом уровне связь между электроном и решеткой кристалла оказывается много меньшей, и он может прожить на нем десятитысячную и даже тысячную долю секунды. Поэтому значительная часть электронов, поглотивших свою долю энергии света лампы-вспышки, практически мгновенно оказывается на этом стартовом энергетическом уровне. Некоторые из них, прежде чем успеют отдать остатки своей избыточной энергии решетке кристалла, самопроизвольно высвечивают ее, испуская фотон. Такое испускание фотона называется люминесценцией и происходит в каждом ионе независимо от других. Моменты самопроизвольного испускания фотона и его направление подчиняются только законам случая.

Самопроизвольная люминесценция была известна давно. В обычных условиях она сопровождается и вынужденной люминесценцией. Но если в веществе не достигнута инверсия населенностей энергетических уровней, то есть ионов-приемников, как всегда, больше, чем ионов-передатчиков, вынужденная люминесценция маскируется более сильным резонансным поглощением.

Для того чтобы достичь в рубине инверсии, то есть состояния, в котором ионов-передатчиков больше, чем приемников, требуются лампы-вспышки, дающие очень большую световую энергию. Если же инверсия достигнута, то достаточно обеспечить нужную обратную связь и вынужденная люминесценция, вызовет генерацию света.

Процесс начнется в тот момент, когда один из фотонов, появившихся в результате самопроизвольной люминесценции, вылетит вдоль оси кристалла по направлению к одному из зеркал. Если длина кристалла достаточно велика, этот фотон имеет шанс вызвать излучение точно такого же фотона, летящего в том же направлении. Отразившись от зеркала, оба фотона вызовут излучение новых, и так при каждом прохождении кристалла. Интенсивность вынужденного излучения будет увеличиваться, пока, как во всякой квантовой системе, не наступит насыщение, при котором число электронов на стартовых и на нижних энергетических уровнях всей совокупности ионов хрома не сравняется.

Конечно, первый фотон может поглотиться в самом кристалле или в зеркале, прежде чем он вызовет начало лавины. Это дело случая. Но как говорится — не один, так другой! В действительности, конечно, речь идет не об одиночном фотоне, а о целой массе их. Нужно только, чтобы игра законов случая привела к возникновению фотонной лавины. Важно, чтобы поступление энергии от активной среды превосходило все имеющиеся в системе потери энергии.

В работе оптического квантового генератора одновременно участвуют миллиарды фотонов. При этом отчетливо выступает волновая сторона природы света. Световые волны, бегающие туда и обратно между зеркалами резонатора, образуют стоячую волну, длина которой автоматически подбирается так, чтобы на расстоянии между зеркалами укладывалось целое число длин волн или же целое число и еще одна половина. Здесь все происходит почти так же, как в обычной струне, закрепленной на обоих концах. Концы струны должны оставаться неподвижными. Поэтому, проводя по ней смычком или возбуждая ее ударом молоточка или просто щипком, мы можем возбудить только такие колебания, которым не мешают закрепленные концы.

По мере развития процесса генерации интенсивность световой волны быстро возрастает. Соответственно возрастает и вероятность вынужденного испускания, в то время как вероятность самопроизвольной люминесценции остается неизменной. Очень быстро вынужденное испускание приобретает решающую роль, и большая часть энергии, запасенной в кристалле, преобразуется в яркий узкий луч света.

Оптический квантовый генератор Меймана работал импульсами. Собственно, только на это и можно было рассчитывать. Ведь кристалл возбуждался импульсным светом лампы-вспышки. Поэтому он приходил в активное состояние только на время вспышки. Мейман не имел в своем распоряжении источника света, который мог бы непрерывно давать энергию, необходимую для возбуждения рубина. Впрочем, если бы он и имел такой источник, генератор вряд ли мог работать непрерывно. Подсчеты показывали, что не менее 97 процентов световой энергии лампы бесполезно растрачивались на нагрев рубина. При непрерывном освещении температура рубина должна была быстро возрасти настолько, что генерация стала бы невозможной.

После естественного торжества, последовавшего за первыми импульсами генерации, ученые, подобно внимательным врачам, начали исследовать новорожденного. И он сразу преподнес им сюрприз.

Оказалось, что каждый импульс излучения рубинового генератора не похож ни на один из последующих импульсов. Более того. Его, строго говоря, нельзя называть импульсом. То, что глаз воспринимал как вспышку излучения, на экране осциллографа представилось в виде последовательности отдельных очень коротких пичков, хаотически следующих один за другим. Каждый пичок излучения длился всего миллионную долю секунды, затем генератор угасал или по крайней мере уменьшал свою яркость, чтобы через краткий миг вновь на миллионную долю секунды засиять с необыкновенной яркостью.

Загадка пичкового режима твердотельных лазеров вот уже пять лет тревожит умы физиков. В основных чертах этого явления они уже разобрались. Но многие детали не ясны до сих пор. Пичковый режим может возникнуть из-за того, что активность кристалла не одинакова по его длине или сечению. Но даже в идеальном кристалле такой режим возможен из-за того, что длина генерируемых световых волн в невообразимое число раз меньше, чем размеры кристалла. Поэтому в кристалле возможны многочисленные резонансы на близких частотах и генерация может хаотически перескакивать с одной частоты на другую.

Короткое сообщение Меймана всколыхнуло ученых и инженеров — сразу возникло множество вопросов. Какие практические применения получит новый прибор? Можно ли существенно увеличивать даваемую им энергию? Удастся ли заставить его работать непрерывно? Как отыскать другие вещества, способные приходить в активное состояние, позволяющее генерировать свет?

Мало кто из читавших заметку Меймана знал, что на пороге рождения находится еще один оптический генератор, ничуть не похожий на меймановский.

«КУШАЙТЕ ЛУЧШЕ МОРОЖЕНОЕ!»

В августе 1957 года Соединенные Штаты посетила первая делегация советских радиоспециалистов. Они ехали на XII Генеральную ассамблею Международного научного радиосоюза. Айсберги «холодной войны» таяли медленно, как те айсберги, которые в бескрайних просторах северной части Атлантического океана караулили, не рухнет ли в воду четырехмоторный самолет, несущий в своем чреве пятнадцать советских ученых. Реактивные самолеты в тот год еще не возили пассажиров через океан.

После короткой остановки в Нью-Йорке, уже в сопровождении целой свиты опекунов, руководимых представителями госдепартамента и Пентагона, советские ученые отправились в Сан-Франциско. Американские коллеги пригласили их перед ассамблеей участвовать в конференции Общества радиоинженеров США.

На рассвете руководители конференции и заспанные фотокорреспонденты собрались на аэродроме. Горячая дружеская встреча сгладила воспоминание о сухом официальном приеме в Нью-Йорке.

Конечно, и госдепартамент знал приезжих, но для него это были пришельцы из другого мира, а для ученых академик В. А. Котельников, руководитель делегации, был одним из создателей теории связи, а член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров уже давно стал популярен как крупнейший специалист во всех видах радиоприема, теории кодирования и многих других вопросов. Профессора Прохорова знали далеко не все. Квантовая электроника только развивалась. Старшее поколение радиоинженеров считало, что это лишь одно из многих ответвлений могучего ствола радиотехники.

На следующий день все газеты оповестили читателей о приезде советской делегации. Не обошлось и без курьезов. Репортеры сообщили, что среди делегатов находится советский Министр связи А. И. Калинин, и Анатолия Ивановича, совсем молодого сотрудника одного из связных институтов, потом еще долго величали министром.

Эта поездка позволила советским и американским ученым произвести первое после встречи Прохорова с Таунсом в Англии сравнение достижений в области квантовой электроники. Уже в огромном Коровьем дворце — построенном когда-то для сельскохозяйственной выставки, — в котором теперь происходила конференция и была устроена большая радиотехническая выставка, обнаружилось, что советские ученые впереди. Они привезли с собой оттиски статьи о разработанной в Институте радиотехники и электроники системе, жестко привязывающей фазу лампового генератора к молекулярному генератору Американцы противопоставили этому краткий доклад о только что законченной аналогичной работе. Опережение было примерно на год. Теория молекулярного генератора, существенно развитая к тому времени Басовым и Прохоровым, была с большой точностью подтверждена ими на опыте.

Деловые контакты, установленные в Сан-Франциско, еще больше укрепились в маленьком университетском городке Болдер, расположенном у самых склонов Скалистых гор в штате Колорадо. День за днем в течение двух недель заседала ассамблея, на которой Академия наук СССР была официально принята в Международный научный радиосоюз. Прохоров вновь встретился с Таунсом. Здесь он познакомился и с доктором Эссеном, и они подолгу обсуждали сравнительные достоинства молекулярного генератора и цезиевой атомно-лучевой трубки.

Но не только научные доклады поставили советскую делегацию в центр внимания. В эти дни весь мир был поражен сообщением ТАСС о первых пусках советских межконтинентальных ракет, с большой точностью попавших в намеченный район Тихого океана. В одну из немногих свободных минут журналисты атаковали академика Котельникова. Их волновало, как Советский Союз использует свое новое оружие, чем это грозит Америке.

На следующее утро газеты напечатали большую фотографию с подписью «Советский Союз никому не угрожает. Не волнуйтесь, господа, кушайте лучше мороженое!» На фотографии Котельников, улыбаясь, держал в руках стаканчик с мороженым.

В перерывах между заседаниями делегатов возили в лаборатории Национального бюро стандартов. Эти лаборатории примерно за год до того торжественно открыл президент Эйзенхауэр.

Новое современное здание. Длинные коридоры, слабо освещенные люминесцентными лампами. По обе стороны плотно закрытые двери. Среди десятков затворенных дверей вдруг попадается одна, открытая настежь. Против нее указатель со стрелкой. На стрелке надпись: «Для визита». Группа делегатов входит в полупустую комнату. Сотрудник включает магнитофон и под монотонный голос диктора молча водит указкой по диаграммам и таблицам. Иногда и по шкалам прибора. Магнитофон замолкает. Сопровождающий говорит: «Пойдемте, господа. Наше время истекло. Мы задерживаем следующую группу».

Некоторые делегаты благодарят сотрудника с указкой. Другие обсуждают услышанное. Третьи пожимают плечами. На прощанье сопровождающий раздает брошюрки с описанием лабораторий, отчет о их деятельности.

— А можно ли получить отчеты о тех работах, о которых нам рассказывали?

— Конечно, пожалуйста, это предусмотрено, заполните эти карточки, укажите ваш адрес, начальство распорядится, и отчеты будут высланы.

И действительно, некоторые отчеты были высланы. Правда, соответствующие работы уже оказались опубликованными в журналах, но было приятно получить их на память о посещении и о том, что лед все-таки тает. Медленно, но тает.

Впрочем, научные сотрудники лабораторий старались по мере возможности сгладить шероховатости парадного приема. В аудиториях и коридорах университета, ставших на время как бы нейтральной территорией Международного научного радиосоюза, они охотно участвовали в обсуждении сложных проблем радио. Все вместе питались в студенческом кафетерии с самообслуживанием. Все получали стандартный рацион, допускавший минимум вариаций. На всех столиках стояли картонные плакатики с изображением человечка, несущего гору тарелок, сильно возвышающуюся над его головой, и надписью: «Помогайте нам помогать вам. Уносите грязную посуду к мойке! Благодарим вас». И все уносили свою посуду. И это еще более сближало разноязыкую толпу, объединенную не только самообслуживанием, но и служением науке.

После закрытия ассамблеи советские ученые провели день в НьюЙорке. Их пригласили посетить знаменитый Колумбийский университет. Здесь работал И. Раби с сотрудниками. Здесь Таунс, Гордон и Цайгер создали свой молекулярный генератор. Здесь советским радиоспециалистам подробно показывали электростатический генератор, интересный физикам, работающим в совершенно других областях, и немного старомодные аудитории и лаборатории, в которых работали знаменитые профессора. Правда, они еще отсутствовали. Ведь каникулы не кончились! И большинство приборов было законсервировано.

Впрочем, некоторые усердные аспиранты работали и во время каникул. И они показывали гостям свои радиоспектроскопы. И молекулярный генератор, сквозь боковое стекло которого можно было видеть сортирующую систему и резонатор. Здесь, в лаборатории профессора Таунса, с советскими гостями беседовал молодой ученый Али Джаван. Он хотел познакомиться с Прохоровым, он хотел обсудить с ним свои последние работы и свои планы и очень жалел, что Прохорова не было среди гостей.

Прохоров и еще один из членов советской делегации в это время был в Кембридже. Нет, он не успел перелететь океан. Ведь и в Америке есть Кембридж.

Кембридж, штат Массачусетс, в котором расположен Массачусетский технологический институт. Может быть, зная, о чем хотел поговорить с ним молодой ученый, Прохоров пренебрег бы поездкой в знаменитый Эм-Ай-Ти. Но он этого не знал, и беседа не состоялась. Только на следующий день он смог прочитать текст работы Джавана, переданный ему через одного из членов делегации.

Работа называлась «Теория трехуровневого мазера». В науку входил большой ученый.

ГАЗЫ, ГАЗЫ

Еще в первую треть нашего века американская наука занимала весьма скромное место. Главные центры научной мысли находились в Европе. Сюда ездила учиться американская молодежь. Здесь появились первые работы Оппенгеймера и других выдающихся американских ученых, которых теперь уже относят к старшему поколению. Конечно, не следует думать, что в Америке в те годы совсем не было крупных ученых. Достаточно назвать имена Р. Вуда и А. Комптона. Но это были полководцы без армии, за ними шли лишь небольшие отряды. А развитие науки в XX веке определяется коллективной мощью.

Захват власти фашистами привел к массовой эмиграции ученых и талантливой молодежи из Италии, Германии, Австрии и других европейских стран. Они ехали в США. Ферми и Сигети, Эйнштейн и Теллер, наконец, Бор, всех не перечесть. Лишь немногие, как Жолио-Кюри, остались, чтобы в подполье бороться с нацизмом. Еще меньше крупных ученых сотрудничали с Гитлером.

Результаты не замедлили сказаться. Американские университеты и исследовательские организации, получившие массированную инъекцию интеллекта, расцвели. После войны этот расцвет продолжался. Молодежь из Европы и Азии, не имея возможности учиться в опустевших университетах старых капиталистических стран, все еще тянулась за океан. Многие, окончив учебу, оставались в Америке. В США интенсивно трудились ученые десятка национальностей. Пожалуй, реже всего среди них можно было встретить представителей коренного населения континента — индейцев или представителей семнадцатимиллионного негритянского населения.

Джаван приехал из Ирана, не зная английского языка, но, проработав несколько лет в окружении таких ученых, как Раби, Таунс, Куш, составивших славу Колумбийскому университету, не только акклиматизировался, но и освоил тончайшее искусство физического эксперимента. Вместе с тем он вполне овладел и математическим аппаратом физической теории, без которого научный эксперимент скатывается к ползучему эмпиризму.

Квантовая электроника, одной из точек роста которой был Колумбийский университет, привлекала способных молодых ученых бескрайними перспективами своих возможностей, головоломными задачами, возникавшими на каждом шагу, трудностями, поджидающими тех, кто идет впереди.

Джаван решил посвятить себя созданию газового лазера. Газовый лазер должен был иметь ряд преимуществ перед твердотелым. Именно тех преимуществ, которые казались недостатками при сравнении усилителя на пучке молекул аммиака с твердотелым парамагнитным усилителем.

Молекулы газов имеют узкие спектральные линии. Это должно было сделать излучение будущего газового лазера очень узкополосным. Как сказали бы оптики, очень монохроматическим, то есть очень одноцветным. Именно этого недоставало лазерам на рубине, хотя они были очень и очень одноцветными по сравнению со всеми известными ранее источниками света.

Несмотря на то, что в первой статье Таунса и Шавлова речь шла именно о газовом лазере, сначала, как известно, родился лазер на рубине — твердотелый лазер. Это объясняется трудностью осуществления того варианта газового лазера, который обсуждался Таунсом и Шавловым. Авторы предлагали применить в качестве активного вещества пары щелочных металлов и использовать оптическую накачку. Впрочем, такой вариант все же был осуществлен, однако значительно позже.

Джаван решил отказаться от лобовой атаки и использовать для получения активной среды обходный путь. Правда, в некотором смысле этот путь должен был быть более прямым. Ведь при оптической накачке требуется очень яркий свет. В рубиновом лазере это свет лампы-вспышки, получаемый за счет мощного электрического разряда в трубке, наполненной ксеноном. Энергия света, даваемого такой лампой, составляет только малую долю от затраченной электрической энергии. Да и получаемый свет используется очень плохо. Лишь очень небольшая часть его попадает в две сравнительно узкие полосы поглощения рубина. Остальной свет бесполезно поглощается в арматуре и переходит в тепло.

Так нельзя ли, подумал Джаван, использовать электрический разряд в газе непосредственно для получения активного инверсного состояния, избежав таким способом промежуточной стадии превращения электрической энергии в световую и связанных с этим потерь?

Электрические разряды в газах уже давно интересовали ученых. Еще Ломоносов и Рихман в России и Франклин в США изучали природу и свойства молний. Рихман трагически погиб во время одного из своих опытов, когда молния, которую он при помощи железного прута завлек в лабораторию, отклонилась от предначертанного для нее пути. С тех пор прошло много времени. Исследования разнообразных свойств электрических разрядов в газах позволили глубоко проникнуть в их механизм. Появились и технические применения таких разрядов. Это и мощные выпрямители, в которых разряд в парах ртути превращает переменный ток мощных энергосистем в постоянный ток, движущий электровозы на железнодорожных магистралях и троллейбусы и трамваи в городах. Это и яркие огни газосветных реклам и целебное сияние «горного солнца» ртутного разряда, горящего внутри трубок из плавленого кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей.

Но все, что добыли поколения ученых, исследовавших свойства газового разряда, говорило о крайней трудности получения в нем инверсионной населенности. Рассчитывать на получение активной среды таким путем было очень трудно. Нижние энергетические уровни газов заселялись под действием электрического разряда сильнее, чем верхние. А инверсия, как мы знаем, — это состояние, при котором хотя бы один из верхних уровней заселен сильнее, чем один из нижних.

К этому и был направлен обходный путь Джавана.

ВЕРОЯТНО ИЛИ НАВЕРНЯКА?

Физики и инженеры во многих случаях считают атомы и молекулы, образующие газ, идеально упругими шарикам. При столкновении такие шарики ведут себя подобно бильярдным шарам. Упругие столкновения играют важную роль при течении газов и при полетах самолетов, если только они не достигают сверхзвуковых скоростей. Но при возникновении электрических разрядов в газах решающую роль играют соударения второго рода, при которых энергия движения сталкивающихся атомов или молекул переходит в их внутреннюю энергию.

Джаван решил использовать именно такие соударения и избрал для этого одну из простейших систем — смесь двух наиболее легких инертных газов гелия и неона.

Если пропускать через разреженный гелий электрический ток высокого напряжения, в нем загорится бледно-голубой разряд. Неон в таких же условиях дает яркое красное свечение. По счастливой случайности нижний из возбужденных уровней гелия почти совпадает с одной из полос возбуждения неона. Это обстоятельство и решил использовать Джаван.

Он заключил в трубку небольшое количество гелия, так что его давление составляло лишь немногим более тысячной доли атмосферного давления, и добавил туда в десять раз меньшее количество атомов неона. Возбудив в трубке электрический разряд, Джаван увидел яркое красное свечение неона, более яркое, чем при отсутствии гелия. Голубоватого свечения гелия почти не было видно. Именно этого он и ожидал. Это он и провоцировал.

Электрический разряд, конечно, возбуждал атомы гелия. Но прежде чем они успевали самопроизвольно излучить свои голубоватые фотоны, с ними сталкивались невозбужденные атомы неона, отбирая у них запасенную энергию. При этом атомы гелия возвращались в невозбужденное состояние без излучения фотона. Это был классический удар второго рода. Атом неона при столкновении отбирал у атома гелия избыточную внутреннюю энергию! При этом атом неона сам оказывался возбужденным, а небольшой избыток внутренней энергии атома гелия уходил на нагревание газа.

Подобные процессы имел в виду Фабрикант, обсуждая вопрос о возможности наблюдения индуцированного излучения. Как теперь выяснилось, и другие ученые еще в тридцатых годах наблюдали, что в газовых разрядах населенности некоторых уровней инвертируются.

Но Джаван первым подошел к этому с позиций радиофизики. Он был хорошо знаком с аммиачным молекулярным генератором и хотел создать что-нибудь подобное на световых волнах. Джаван не только понял, что таким путем можно получить инверсию населенностей энергетических уровней неона, но и знал, что нужно, чтобы прибор загенерировал. Выбор Джавана был удачным потому, что тот уровень неона, который возбуждался при столкновении с возбужденным атомом гелия, входил в группу из четырех уровней, ниже которой, одна под другой, располагаются еще две группы. При переходе с возбужденного уровня на любой уровень верхней из этих групп должен излучаться фотон инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. При дальнейшем переходе на один из уровней нижней группы излучаются фотоны красного света, хорошо знакомые по обычным неоновым рекламам.

Предварительные исследования показали Джавану, что он может действительно надеяться на то, что в его трубке возникнет инверсия населенностей энергетических уровней неона, то есть он, вероятно, получит активную среду. Вероятно, но не наверняка. Еще осенью 1959 года Джаван не был уверен, что его прибор будет работать. Мы знаем, что именно это было темой его бесед с Басовым.

Вернувшись в Москву, Басов со своим молодым сотрудником О. Н. Крохиным построили необычайно прозрачную теорию, из которой было видно, что Джаван избрал верный путь. При некоторых условиях его прибор должен был работать. Сейчас этот расчет Басова и Крохина вошел в учебники, но Джаван обошелся без него. Он полагался на свою интуицию и приближенные, но обнадеживающие оценки.

Получение активной среды — лишь одна часть задачи. Нужно обеспечить и обратную связь. Джаван поместил внутрь своей трубки два плоских зеркала. Расчеты показали ему, что лучшие серебряные зеркала недостаточно «зеркальны». Они отражают не больше 95 процентов падающего света, а вычисления требовали более 98 процентов. Иначе обратная связь оказалась бы недостаточной для возбуждения генерации. Прибор остался на бумаге.

Были изготовлены специальные зеркала, образованные более чем десятком перемежающихся слоев сульфида цинка и фторида магния. Каждый слой толщиной около половины микрона практически прозрачен. Все слои вместе тоже кажутся прозрачными. Они пропускают почти весь свет. Только волну длиной в 1,15 микрона они почти полностью отражают. Для этой волны отражающее действие всех слоев складывается, подобно толчкам от весел хорошо сработавшейся команды гребцов.

Человеческий глаз не видит инфракрасного излучения. Но для коротковолновой части этого диапазона существуют электронно-оптические преобразователи, превращающие инфракрасное излучение в видимое. Поместив такой преобразователь на оси своего прибора, Джаван увидел, как его экран осветился. Это значило, что из прибора выходит инфракрасное излучение. Постепенно увеличивая ток через прибор, Джаван наблюдал увеличение свечения. Потом вдруг на экране ярко засияло небольшое круглое пятно. Остальная часть экрана казалась совсем темной. Так впервые заработал газовый лазер.

В отличие от рубинового лазера Меймана газовый лазер Джавана работал непрерывно все время, пока был включен питающий его источник электроэнергии. Непрерывная работа объяснялась тем, что хаотическое тепловое движение вызывало быстрое перемешивание газа, и активных атомов было достаточно, чтобы генерация не прекращалась.

Большая однородность газа по сравнению с лучшими кристаллами рубина обеспечила существенное преимущество лазера Джавана перед лазером Меймана. Луч света, выходящий из газового лазера, был в сотни раз более узким, чем в случае рубинового лазера.

У газового лазера расхождение луча вызывается только двумя причинами — несовершенством зеркал (их отклонением от идеальной плоскости) и дифракцией, то есть неизбежным загибанием световых волн за край ограничивающего их отверстия. В случае рубинового и других твердотельных лазеров большое дополнительное расхождение луча вызывается неоднородностями среды, возникающими при изготовлении кристалла. Подобные неоднородности, конечно, много большие по величине, можно видеть в оконном стекле, где они иногда вызывают заметные искажения формы предметов, наблюдаемых через стекло.

Исследование свойств излучения, даваемого газовым лазером, подтвердили надежды Джавана. Действительно, спектр излучения газового лазера был очень похож на спектр молекулярного генератора. Он состоял из немногих очень узких спектральных линий. Присутствие нескольких линий вызвано тем, что в генераторе одновременно возбуждались различные типы колебаний, как это бывает в скрипичной струне. Смычок, как правило, одновременно возбуждает множество звуковых тонов, которые, налагаясь друг на друга, обеспечивают характерное звучание скрипки. При известном искусстве скрипач может добиться возбуждения чистого тона. Этого же удается достичь в газовом лазере. Для этого нужно ограничить ток, проходящий через газ, с тем чтоб возбуждение было небольшим, и поставить между зеркалами одну или несколько диафрагм. Диафрагмы будут действовать подобно сурдинке, которую иногда применяют скрипачи с целью подавить нежелательные колебания струны.

МОГИЛЬНАЯ ПЛИТА И НАУКА

Наука — это тоже в большой степени искусство, и от ученых требуется виртуозное владение своим инструментом. Джаван в своей области, несомненно, является виртуозом, и ему удалось заставить газовый лазер генерировать только один тип колебаний. При этом в его спектре остается одна очень узкая спектральная линия, настолько узкая, что она может соперничать со спектральной линией молекулярного генератора. Конечно, достичь этого было нелегко. Пришлось увеличить жесткость конструкции лазера и защитить его от всех внешних воздействий. Для этого эксперименты проводились в глубине заброшенного винного подвала, расположенного вблизи Эм-Ай-Ти, куда к тому времени перешел Джаван.

Первое, что бросалось в глаза входящему, была огромная, многотонная могильная плита, подвешенная к потолку. Джаван заказал ее, чтобы использовать в качестве рабочего стола. До чего же остроумно он поступил! Я вспоминаю, как после окончания института одной из первых моих работ было создание специального камертонного генератора. Обыкновенный камертон, с помощью которого музыканты настраивают свои инструменты, служил колебательным контуром, определяющим частоту моего лампового генератора. Я закрепила ножку камертона на своем лабораторном столе, присоединила его к схеме — и генератор ожил. Все шло хорошо, камертон монотонно звучал, но время от времени он начинал заикаться. Оказывается, ему передавалось сотрясение почвы от проходящих где-то далеко грузовиков! И еще: автоматический самописец, который я оставляла работать и ночью, говорил, что камертон капризничал рано утром. Я долго ломала голову — почему именно по утрам? Товарищи в шутку строили предположения о влиянии Венеры, утренней звезды, пятен на Солнце, на которые валят все непонятное.

Все оказалось гораздо прозаичнее — тетя Нюша, наша уборщица, сметала с камертона пыль!

Тогда я написала устрашающий плакат: «Не трогать! Смертельно!» А тетя Нюша продолжала вносить свой вклад в научное исследование. Не оставалось ничего другого, как застать ее врасплох.

— Тетя Нюша, что же вы со мной делаете?! Плакат читали?

— Ох, милая, я же неграмотная. Плакат видела. Только думала, что ты за звание борешься.

Итак, я тоже работала в подвале, но не додумалась обзавестись могильной плитой! Правда, мой начальник, наверно, упал бы в обморок от такого расхода, зато ни машины, ни тетя Нюша генератора бы не достигли.

Но вернемся к Джавану. В тепличной обстановке его лаборатории лазеры могли показать, на что они способны. И показали! При сравнении световых волн, испускаемых двумя одинаковыми лазерами, оказалось, что их частоты не изменяются больше чем на несколько колебаний в секунду.

Работы Джавана получили дальнейшее развитие.

Уже действуют многочисленные газовые лазеры на смесях других газов.

Впрочем, и лазер на смеси гелия и неона может работать в других режимах, генерируя не только невидимые инфракрасные волны длиной в 1,15 микрона, но и инфракрасные волны других длин и видимый красный свет с длиной волны около 0,63 микрона.

Впоследствии оказалось возможным добиться генерации и в чистых газах, и не только под действием электрического разряда. Инверсия населенностей в некоторых газах может быть достигнута и при их освещении, то есть путем оптической накачки, как это предлагали Таунс и Шавлов.

При оптической накачке атомы газа независимо один от другого поглощают фотоны, хаотически вылетающие из яркой лампы. Но в процессе квантовой генерации все атомы испускают фотоны строго согласованно. Здесь происходит замечательный процесс преобразования хаоса в образцовый порядок. Процесс, еще теперь кажущийся чуть ли не противоестественным.

Газы постепенно открывали перед учеными новые и новые возможности. Выяснилось, что для квантового генератора пригодны не только газы, состоящие из нейтральных атомов, но и плазма — газ, состоящий преимущественно из ионов и свободных электронов. Ионные или, как их иногда называют, плазменные лазеры позволили продвинуться еще дальше в область ультрафиолетовых волн, значительно увеличить число спектральных линий, используемых в квантовых генераторах.

Вслед за ионами наступила очередь молекул. Обычный углекислый газ оказался превосходным активным веществом, при помощи которого удалось получить в непрерывном режиме мощность почти в 200 ватт на волне около 10,5 микрона.

Двести ватт — это мощность большого электрического паяльника. Представьте себе эту мощность сосредоточенной на острие иголки. Трудно предвидеть все технологические возможности, открываемые применением такого луча. Учтите еще, что волна в 10 микрон попадает как раз в «окно прозрачности» земной атмосферы. Этот невидимый инфракрасный свет наиболее слабо поглощается газами, составляющими воздух, сравнительно мало поглощается парами воды и не очень рассеивается каплями дождя. Чего же еще могут желать люди, работающие над системами оптической связи и другими применениями лазеров, связанными с прохождением их лучей через атмосферу!

Но и это не исчерпало возможностей, открываемых газами. Они помогли применить в квантовой электронике давно известное влияние света на химические реакции. Каждый знает о вредных проявлениях фотохимических реакций. Они вызывают выгорание многих красок, порчу резины, старение пластмасс. Есть, конечно, и полезные реакции такого типа. Без них невозможна жизнедеятельность большинства растений. Ведь только солнечные лучи приводят в действие химическую фабрику, скрытую в зеленых листьях.

Химики давно обнаружили, что под действием света распадаются не только плохие краски, но и молекулы некоторых газов. Физики сперва расчетами, а потом и опытами выяснили, как добиться того, чтобы осколки развалившихся молекул оказывались возбужденными. Конечно, этого недостаточно для создания лазера, но появляется надежда. Нужно найти подходящее вещество и поставить его в такие условия, при которых возбужденных осколков больше, чем невозбужденных. Знакомая ситуация: передатчиков должно быть больше, чем приемников!

Так, после тонких и сложных исследований появился новый тип газовых лазеров, основанных на применении фотодиссоциации молекул.

Перед газовыми лазерами открыты широкие перспективы. Уже сейчас они дают тысячи наиболее узких спектральных линий, расположенных в огромном диапазоне от ультрафиолетовых до субмиллиметровых волн. Они успешно соперничают с твердотельными лазерами по мощности и экономичности. Над их усовершенствованием работают в сотнях лабораторий.

ОБЕД ПО ПОЛУПРОВОДНИКАМ

Вернемся к середине сентября 1959 года, когда близ Нью-Йорка собралась первая Международная конференция по квантовой электронике. Там было всего около полутораста пионеров новой науки. Лазеры еще не работали, правда, они уже тревожили воображение, но повестку дня еще не очень перегружали. И тем не менее она была так насыщена, что конференция выплескивалась далеко за стены небольшого зала, в котором происходили заседания. Да и вся обстановка способствовала этому. Хай Вью — тихое местечко, где оазисом была гостиница Шаванга-Лодж, вокруг лес, поля, рядом бассейн. Стояла такая жара, что после заседаний ученые, сбросив костюмы и оставшись в шортах, охотно беседовали на свежем воздухе. Я видела фотографии, простые любительские фотографии. Вот Таунс в трусиках, размахивая полотенцем, во главе таких же несолидных личностей мчится купаться. Они так спешат, что фигуры размыты, как на картинах импрессионистов, пытавшихся передать движение. Вот между Басовым и Прохоровым улыбающийся, добродушный Бонаноми. Все с бокалами в руках. Бонаноми хитро улыбается. Оказывается, он, поднимая тост, сказал, что пьет за Басова и Прохорова — будущих нобелевских лауреатов! Через семь лет в поздравительной телеграмме Бонаноми вспоминает о своем пророчестве.

А вот Джаван и Басов буквально уткнулись друг в друга — дискуссия захлестнула их где-то по дороге. Басов критикует его расчет. Джаван нахохлился, он озабочен.

Вот Блумберхен, наклонившись, пишет что-то на песке. За ним внимательно следит Корниенко из Московского университета и еще кто-то, стоящий спиной к фотоаппарату.

Вся эта непосредственная и непринужденная обстановка в Шаванга-Лодже сделала возможным одно совершенно невозможное обсуждение.

Программа первой квантовой конференции была так перегружена, что самый неожиданный для организаторов конференции доклад не попал в программу. Лишь немногие из делегатов обратили внимание на объявление: «Желающие обсудить перспективы применения полупроводников в квантовой электронике могут сделать это во время обеда. Сообщение за общим столом сделает профессор Н. Г. Басов из института Лебедева в Москве».

Вряд ли кто-либо ожидал, что мест не хватит и придется просить официантов поставить дополнительные приборы. Собралось свыше тридцати человек, более четверти всех участников.

Басов рассказал о расчетах, начатых в 1957 году и выполненных им вместе с Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Формулы показывали, что, пропустив через пластинку, вырезанную из подходящего полупроводника, мощный электрический разряд, можно добиться в ней генерации инфракрасных волн. Это открывало совершенно новый путь.

Так прошла не конференция, не заседание, даже не семинар, а обед по полупроводникам.

Полупроводниковый обед прошел настолько успешно, что Басов остался совсем голодным. В пылу дискуссии ему было не до еды.

Так случилось, что один из наиболее интересных вопросов даже не попал в официальный том трудов конференции.

Теперь, размышляя о странном невнимании к сообщению Басова, приходится объяснять это, пожалуй, тем, что, видно, не назрело время для полупроводниковых лазеров, а главное — трудной судьбой самих полупроводников, которым с таким трудом далось признание.

Издавна так повелось, что ученые применяли либо проводники, либо изоляторы. А полупроводники — «ни рыба ни мясо», были просто какими-то пасынками. Действительно, кому придет в голову применять плохие изоляторы, если можно использовать хорошие?

Полупроводниковые лазеры оказались трудным орешком, и первый прорыв в неосвоенный оптический диапазон произошел по другим направлениям.

Уже в 1960 году заработал рубиновый лазер, а вскоре и его газовый собрат. К марту следующего года, когда собралась вторая конференция по квантовой электронике, к ним присоединились еще несколько лазеров на кристаллах, стекле и различных газах. Темпы развития и достигнутые результаты были так велики, что конференция, которая теперь собралась в университетском городке Беркли в Калифорнии, прошла под знаком лазеров.

О каких только лазерах здесь не говорили! Но суть конференций такого рода не столько в подведении итогов, сколько в обсуждении новых идей. Здесь, пожалуй, наибольший резонанс встретил доклад Р. В. Хеллворса об управляемых импульсах люминесценции. Он проложил путь управлению свойствами резонатора, открыл возможность перехода от хаотической свободной генерации к генерации гигантских коротких импульсов света с мощностями, составляющими десятки миллионов киловатт.

В глубоком докладе Н. Блумберхена и П. Першана старый вопрос о модуляции света нашел новое освещение, созвучное задачам лазерной эры.

Один доклад, посвященный лазерам, следовал за другим. Они заняли две трети программы. На их фоне отступили на второй план квантовые усилители и генераторы радиодиапазона.

И только один доклад на этой конференции был посвящен полупроводникам. Докладчиком был Басов. Он рассказал о трех новых методах, предложенных советскими учеными для приведения в активное состояние различных полупроводников, о различных вариантах одного из методов, разработанных им вместе с О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым.

Доклад, казалось, не встретил резонанса. И не удивительно. В область видимого и инфракрасного излучений уже были проложены широкие дороги. Уже многие десятки лабораторий изучали один кристалл за другим, перебирали всевозможные газовые смеси. В каждом номере физических журналов появлялись статьи о новых и новых лазерах. Кому же при этих условиях хотелось тратить силы на укрощение полупроводников, с которых лишь недавно и далеко не полностью было снято покрывало таинственности? Но полупроводники упорно стучались в двери нашего времени. И их удивительные свойства не могли не привлечь внимание физиков, а затем и инженеров. Теперь, несомненно, наибольшей известностью среди всех полупроводниковых приборов пользуются транзисторы — устройства, во многих случаях вытеснившие электронные лампы. Словом «транзистор» зачастую называют не только полупроводниковый прибор, служащий для усиления и генерации электрических колебаний, но и портативные радиоприемники или магнитофоны, в которых применяются транзисторы. Но специалистов по электронике такое словоупотребление коробит так же, как химиков шокирует применение слова «пластик» к полимерному плащу.

Создание транзистора и наиболее простого полупроводникового прибора — диода стало возможным после того, как физики научились управлять свойствами полупроводников, превращать его по желанию то в изолятор, то в проводник.

Любовь слепа. И я не удивилась, когда в лаборатории полупроводников мне сказали, что диэлектрики — это просто плохие полупроводники. Их электрическое сопротивление не поддается управлению, и поэтому им уготована скромная роль изоляторов. Металлы, говорил мне вполне серьезный ученый, тоже плохие полупроводники. Из них невозможно сделать ничего более сложного, чем электрические провода.

Иное дело полупроводник, продолжал он. Соединив два подходящих полупроводника или даже полупроводник и металл, мы получаем электрический вентиль. Электрический ток легко проходит через это соединение в одну сторону и встречает большое сопротивление в противоположном направлении. Немного усложнив эту конструкцию, можно сделать такой вентиль управляемым. Управляемым при помощи очень слабого электрического тока. Полупроводниковый прибор, при помощи которого слабый ток управляет сильным, и есть транзистор.

Сопротивление некоторых полупроводников, а также переходных слоев между ними сильно изменяется при освещении. Обнаружив это, ученые создали замечательные приемники и преобразователи света, превращающие свет в электрический ток.

Удивительные свойства полупроводников, победно входивших в одну область радиоэлектроники за другой, давно привлекли внимание Басова. Он вспоминает, как в столовой ФИАНа рядом с ним оказался молодой физик Ю. М. Попов. Дело было в 1956 году, вскоре после того, как Басов защитил свою докторскую диссертацию. Кстати, это была первая в мире докторская диссертация, посвященная квантовой электронике. Легко представить себе состояние легкости и душевного подъема, в котором он в то время находился. Попов спросил его о планах на будущее. И Басов рассказал о своих мыслях, еще весьма неопределенных. О возможностях, скрытых в полупроводниках. Они начали работать вместе. Так история полупроводниковых лазеров началась во время обеда. Между этим обедом и тем — в ресторане Шаванга-Лодж — были бесконечные беседы, консультации с одним из опытнейших специалистов в физике полупроводников Б. М. Вулом, а затем и расчеты. Работали и втроем, а больше врозь, собираясь лишь для обсуждения, взаимной проверки и критики. Так, пока на бумаге, родился первый метод создания полупроводникового лазера. Расчет показал, что мощный кратковременный импульс электрического тока должен привести полупроводник в активное состояние.

ТЕМП НАРАСТАЕТ

После возвращения Басова из заокеанской поездки, работа продолжалась все более энергично. Начались эксперименты. К теоретическим исследованиям подключился О. Н. Крохин. Попов и Крохин проявили себя в этой работе как нерасторжимое целое, хоть и трудно представить себе две столь несхожие индивидуальности. Попов внешне очень молод. Работая у Басова уже лет десять и став доктором физико-математических наук, он кажется беспокойным студентом. Он горяч, темпераментен, в пылу дискуссии, говорят, ему лучше не попадаться под руку. Крохин спокоен, сдержан. Хоть ему тридцать два, у него седая голова, он строен, элегантен, такими я почему-то представляю себе холодноватых англичан. Очень одарен, у него уже свыше шестидесяти научных работ. Сотрудники говорят, что по уровню он выше доктора, только защищаться ему некогда, или считает, что не все открыл.

Попова и Крохина много и охотно цитируют за границей, считают их незаурядными учеными. И они в большой степени вообще типичны для молодого поколения советских физиков: своей работоспособностью, напористостью, широтой интересов. Попов специализировался по люминесценции, но, увлекшись полупроводниками, круто и безболезненно изменил область работы, быстро став здесь одним из ведущих специалистов.

Когда Крохин пришел в лабораторию Басова после университета, он поразил всех своим знанием «минимума» Ландау — знал его от корки до корки. А «минимум» Ландау — это известные во всем мире толстенные тома курса физики, написанные Ландау и Лифшицем, за которые они получили Ленинскую премию. Теперь таких томов, кажется, девять! Эти тома, конечно, не входят в программу обучения студентов, это высший пилотаж, но наиболее одаренных, а их немало, они манят, как вершина Эвереста. И есть такие, которые восходят. Взошел и Крохин и оказался как нельзя более подготовленным к квантовой электронике.

Итак, Басов, Попов и Крохин сочли проблему полупроводниковых лазеров «проблемой номер один». Фронт исследований стал шире, работа пошла быстрее, и ко времени рождения первых лазеров — рубинового и гелий-неонового — советские ученые смогли предложить еще три способа привлечения полупроводников на службу квантовой электронике.

Оказалось, что и в этом случае можно воспользоваться трехуровневой схемой, с успехом применяемой и в парамагнитных усилителях и в лазерах на рубине или других люминесцентных кристаллах. При этом полупроводник переходит в активное состояние, и, если обеспечена достаточная обратная связь, в нем начнется генерация электромагнитных волн. Для накачки полупроводникового лазера очень выгодно применять свет лазеров других типов или излучение специальных полупроводниковых источников света.

Басовцы доказали, что полупроводники могут быть приведены в активное состояние и в результате бомбардировки быстрыми электронами. При этом должно возникать очень мощное излучение из малого объема полупроводника. Но, к сожалению, электронная бомбардировка приводит к выделению большого количества тепла и вредному нагреванию полупроводника. Поэтому, несмотря на интенсивное охлаждение, полупроводник может выдерживать бомбардировку быстрыми электронами только, если они подаются короткими импульсами.

Наконец, для создания полупроводникового лазера оказалось подходящим полупроводниковое устройство, мало отличающееся от одного из типов полупроводниковых диодов. Можно было даже предвидеть, что для его создания достаточно применить уже известные способы введения некоторых примесей в очень чистый полупроводник. Физики хорошо знали, что примесь, нанесенная на поверхность чистого полупроводника, при нагревании постепенно проникает в его толщу, изменяя свойства полупроводника.

Идея советских ученых состояла в том, чтобы приводить полупроводник в активное состояние, пропуская электрический ток через границу, отделяющую чистый полупроводник от области, в которую проникла примесь. Расчеты показали им, что при этом вблизи границы должна возникнуть активная зона.

Так, в результате трехлетних упорных исследований к 1960 году Басов, Вул, Крохин и Попов теоретически обосновали четыре метода создания полупроводниковых лазеров. Постепенно этими возможностями заинтересовались и экспериментаторы.

Однако специфические особенности полупроводников долго не позволяли реализовать ни один из предложенных методов. Ведь для того чтобы придать полупроводнику заранее предвычисленные свойства, нужно сперва изготовить исходный материал, в котором среди миллиардов его атомов не было и одного атома примеси. Но этого еще далеко не достаточно. В этот сверхчистый материал нужно еще строго определенным образом ввести точно рассчитанное количество специально подобранной примеси. Все эти операции должны проходить с соблюдением такой чистоты, которая может сравниться лишь с условиями лучшей операционной палаты, причем сравнение окажется не в пользу хирургии.

Лишь в 1962 году две группы американских исследователей, пропустив короткие импульсы электрического тока через специально приготовленные кристаллы арсенида галлия, заставили их генерировать невидимые инфракрасные лучи. Интересно, что обе группы воспользовались исходным материалом, изготовленным в одной из английских лабораторий. Попытки работать с другим сырьем приводили лишь к неудачам. Эти опыты были вскоре повторены в Физическом институте и в Физико-техническом институте АН СССР на советском арсениде галлия.

А затем Басов и его сотрудники создали полупроводниковые лазеры, возбуждаемые пучком быстрых электронов и оптической накачкой. Они испускали и зеленый свет и инфракрасные лучи.

Недавно им удалось реализовать и самое первое предложение — возбуждение электрическим пробоем. Путь, найденный раньше других, оказался самым трудным.

Полупроводниковые лазеры отличаются рядом крайне полезных свойств, очень важных особенностей. Например, они лучше других преобразуют электрическую энергию в световую. Они открывают возможность непосредственно, почти без потерь, преобразовывать электрический ток в свет — возможно, это несет революцию в светотехнику и наши дома будут освещаться такими полупроводниковыми осветительными лампами! Теория обещает им стопроцентный КПД!

Полупроводниковые лазеры, как и другие полупроводниковые приборы, очень легко и просто поддаются управлению. А это крайне важно для применения в системах связи и в вычислительной технике. Уже сейчас потери энергии в них сокращены до 30 процентов, а в некоторых случаях не превышают 20 процентов.

Полупроводниковые приборы старшего поколения — диоды и транзисторы — открыли путь к миниатюризации радиоприемников, электронных вычислительных машин и других приборов.

Полупроводниковые лазеры тоже несравненно миниатюрнее своих предшественников. Их размеры могут быть доведены до микронов, то есть до масштабов, соизмеримых с длиной волны генерируемых ими колебаний. Это позволяет создать сверхминиатюрные и очень чувствительные усилители света.

Теория показывает, что усилители света, как и усилители радиоволн, обладают вредными внутренними шумами. Величина этих шумов возрастает вместе с размерами усилителя. Чем больше световых волн укладывается внутри усилителя, тем сильнее его собственные шумы. Но и в газовых лазерах и в лазерах на кристаллах и стеклах усиление, достижимое на одном сантиметре длины усилителя, не велико, а ведь в этом сантиметре укладываются десятки тысяч световых волн. Самый прямой путь уменьшения внутренних шумов лазера-усилителя — увеличение усиления. Но опыт показывает, что достичь этого очень и очень трудно. Только применение полупроводников позволяет сейчас надеяться на создание оптических усилителей размером, приближающимся к длине световой волны, а значит, имеющих очень малые внутренние шумы.

Недавно Басов и Богданкевич предложили использовать высокий коэффициент усиления полупроводниковых усилителей света для создания нового типа лазера. Они назвали его генератором с излучающим зеркалом. Почему? Потому, что его основой является зеркало, покрытое тонкой пленкой полупроводника. Малая толщина пленки позволяет хорошо отводить из нее вредное тепло, и благодаря этому возникает возможность получить от такого лазера большую мощность.

Малые размеры полупроводниковых лазеров помогают получить сверхкороткие вспышки света, длящиеся всего одну тысячную от миллиардной доли секунды. Уже сейчас удается за такие короткие промежутки времени управлять работой полупроводниковых лазеров, что открывает возможность создания сверхбыстродействующих вычислительных машин.

В некоторых полупроводниках простым подбором их состава можно более чем в три раза изменять генерируемую длину волны.

Самое молодое направление квантовой электроники, еще недавно незаметное в тени блестящих старших сестер, все больше проявляет свои скрытые достоинства. Полупроводники, еще недавно бывшие за пределами науки и техники, вышли на самый передовой ее рубеж.

Теоретические и экспериментальные работы советских ученых, приведшие к созданию полупроводниковых лазеров, были в 1964 году удостоены Ленинской премии. Это вторая Ленинская премия за работы в области квантовой электроники. Ее получили сотрудники ФИАНа Б. Н. Вул, О. Н. Крохин, Ю. М. Попов и А. П. Шотов и сотрудники ЛФТИ Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев и С. М. Рыбкин.

В феврале 1963 года в Париже собралась третья Международная конференция по квантовой электронике. По числу участников она в семь раз превосходила первую конференцию. Одна американская делегация была численностью в полтысячи человек. Отчасти это побудило организаторов избрать для конференции здание ЮНЕСКО с большими залами, просторными коридорами и помещениями, специально приспособленными для многолюдных дискуссий. В отличие от предыдущих конференций теперь одновременно работали по две секции, заседавшие дважды в день. Но и этот напряженный режим не позволил включить в программу все поступившие доклады.

После долгих обсуждений оргкомитет решил ограничить конференцию фундаментальными физическими проблемами, перенеся доклады, посвященные применениям лазеров, на отдельную конференцию.

Пять дней с раннего утра до позднего вечера шли дискуссии. Теперь полупроводниковые лазеры заняли равноправную позицию, наряду с газовыми и теми, которые по традиции называют твердотелыми, как будто полупроводники не принадлежат к числу твердых тел. Специальное заседание пришлось посвятить совершенно новой области — нелинейной оптике, изучающей процессы, возникающие под действием гигантских импульсов света, даваемых особыми лазерами.

Самыми драматическими здесь были, пожалуй, доклады о когерентном комбинационном рассеянии, которое авторы по зарубежной традиции называют вынужденным рамановским излучением, или рамановским лазером.

Комбинационное рассеяние света, открытое в начале 1928 года Ландсбергом и Мандельштамом и независимо Раманом и Кришнаном, уже давно стало мощным средством изучения жидкостей и кристаллов. Применение лазерного света привлекало не только огромным ускорением исследований, но и возможностью обнаружения новых эффектов. Теория предсказывала, что лазерный свет при известных условиях должен рассеиваться совсем не так, как свет от обычных источников. Многие пытались это найти, но неудачно. Е. И. Вудбери из лаборатории Хеллворса рассказал о том, как почти случайно, изучая причины ошибок, обнаруженных во время обычной работы по исследованию некоторых жидкостей по комбинационному рассеянию в них света лазера, они наткнулись на неуловимый эффект. Теперь его без труда изучают во многих лабораториях.

Бурное развитие квантовой электроники отчасти отображается двумя цифрами — лишь оглавление трудов конференции занимает 13 страниц, а сами труды заполняют почти 2000 страниц большого формата.

Через три года специалисты по квантовой электронике подготовили свою четвертую международную встречу. Но то, что там было запланировано, могло выдержать только мужественные и тренированные люди. Им предстояло заседать уже трижды в день с восьми часов утра до вечера. Иначе невозможно за отведенное время охватить все богатство, накопленное квантовой электроникой за минувшие три года.