Одно из важнейших изобретений современной физики - создание принципиально нового и очень важного источника света, появившегося совсем недавно. Он называется ЛАЗЕР.

Что же это такое? Начну вот с чего. В нашей обыденной жизни на каждом шагу мы встречаемся с различными источниками света. Обычно это лампы накаливания и газоразрядные трубки. Лазер отличается от них тем, что он дает, как говорят физики, когерентный свет.

Пусть читатель не пугается этого "ученого" слова. "Когерентность" - очень простое понятие. Поясню его на примере, который, наверное, преподаватели преподносят в школах и вузах уже целое столетие.

Однажды по железному мосту проходила строем, четко отбивая шаг, рота солдат. Казалось бы, сооружение выдерживало куда большие тяжести. А тут вдруг мост обрушился. Что же произошло? Шаги каждого солдата возбуждали очень слабые, неуловимые глазом колебания моста. Так как солдат было много, и все они шагали в ногу ("когерентно"), то возбуждаемые ими колебания сложились и привели к катастрофе. С тех пор перед вступлением воинской части на мост подается команда "вольным шагом!", что в переводе на язык физики звучит так: "идти не когерентно!"

Все источники света - и старые, и новые - состоят из огромного числа атомов. Для того, чтобы тело излучало свет, его атомы нужно привести в возбужденное состояние. В несветящихся телах атомы находятся в своем обычном невозбужденном состоянии. Чтобы вызвать излучение, чтобы возбудить атомы, существует много способов. Можно нагреть тело, пропустить через газ электрический ток, облучить его извне интенсивным светом и т.д.

Различие между старыми источниками света и новым - лазером обнаруживается уже после того, как атомы возбуждены.

Дело в том, что во всех существовавших до сих пор источниках света возбужденные атомы излучали свет независимо друг от друга, в случайные моменты, в случайных направлениях, то есть, некогерентно. В лазере же источники излучают свет организованно, "в ногу" друг с другом, и дают когерентный свет, лучи которого распространяются в строго заданном направлении.

Возникает вопрос: кто же является "командиром", как подается команда?

Представим себе, что в лазер случайно попадает слабый световой сигнал, который заставляет возбужденные атомы излучить такой же свет. При этом сигнал усиливается, попадает на другие возбужденные атомы лазера, вновь усиливается и т. д. И так будет продолжаться до тех пор, пока все возбужденные атомы не излучат.

Если научиться поддерживать на постоянном уровне определенное количество возбужденных атомов, то такое излучение станет непрерывным. Следовательно, "командиром" атомов является первоначальный слабый световой сигнал, который случайно попадает в прибор и затем усиливается.

Почему в обычном источнике света не происходит того же явления? Почему случайный сигнал, попавший в обычный источник, не становится "командиром" возбужденных атомов? Оказывается, в обычном источнике их гораздо меньше, чем невозбужденных. Поэтому случайный сигнал вместо того, чтобы "командовать парадом" возбужденных атомов, начинает возбуждать обычные и растрачивает на это свою энергию.

Отсюда - основное условие, при котором будет работать лазер: возбужденных атомов должно быть больше, чем обычных. Чтобы непрерывно вновь и вновь возбуждать необходимое число атомов, работает внешний источник света, который, естественно, не когерентен, поскольку является обычным. Его энергия перерабатывается в энергию когерентного света, выходящего из лазера.

В некотором смысле работа нового источника похожа на работу обычной паровой машины. В машине энергия хаотического движения молекул пара перерабатывается в энергию направленного движения поршня в цилиндре.

Таков принцип действия лазера. А теперь опишем его устройство. Он представляет собой цилиндрический кристалл рубина (или другого специально подобранного вещества), помещенный внутри стеклянного змеевика - ртутной лампы. Она-то и служит внешним источником света, возбуждающим атомы рубина.

На торцах цилиндра помещены очень точно отрегулированные параллельные зеркала. С их помощью из всех сигналов, попадающих в лазер, отбираются только те, которые распространяются строго вдоль оси цилиндра. Остальные, отразившись от зеркал, уходят из рубина. Чтобы выпускать когерентный пучок света, одно из зеркал делают слегка прозрачным.

Конечно, это не единственный возможный вариант. Вместо кристалла рубина можно использовать, например, стеклянную трубку, наполненную смесью газов гелия и неона, а вместо ртутной лампы - газовый разряд. При этом легкие атомы гелия, соударяясь с более тяжелыми атомами неона, будут их возбуждать. Именно так устроен газовый лазер.

Говоря о новом научном открытии, трудно сразу в правильных масштабах оценить возможность его будущих применений. В этом отношении полезно напомнить следующий исторический эпизод. Когда в прошлом столетии Генрих Герц создал первый в истории человечества генератор радиоволн, его спросили: а будут ли эти волны иметь какое-нибудь техническое применение?

С полной убежденностью Герц ответил: нет, не будут. Цель опытов состоит только в том, чтобы экспериментально подтвердить правильность электромагнитной теории света, автором которой является Максвелл.

И только через двенадцать лет, когда на кронштадтском рейде прозвучала первая телеграмма, отправленная гениальным изобретателем радио А.С.Поповым и состоявшая всего из двух слов "Генрих Герц". - человечество поняло, какое открытие было сделано.

Что касается лазера, то некоторые наиболее важные области, в которых он будет применяться, видны уже и сейчас. Именно те области, где необходима исключительно острая направленность и когерентность светового пучка.

Чтобы дать представление о пучке, излучаемом лазером, укажем, что, если его направить на луну, то световой зайчик будет иметь в диаметре всего пять километров. Это очень мало, если учесть огромное расстояние от земли до луны.

Излучаемый лазером световой пучок диаметром в один сантиметр достигает мощности в десять тысяч ватт. Если такой пучок собрать с помощью линз, то он сосредоточится в сфере диаметром около 0,01 сантиметра. В этой светящейся точке сконцентрирована мощность около ста миллионов ватт на квадратный сантиметр. Этого достаточно, чтобы превратить в пар самый тугоплавкий материал.

Хорошо известно, что многие химические реакции идут под воздействием света. Достаточно напомнить о почернении фотографической пленки или образовании хлорофилла в листьях растений. Источники когерентного света помогут контролировать эти процессы, а возможно, и вызвать качественно новые реакции.

Интересное применение найдет лазер в экспериментальной физике. В обычных условиях два пучка света проходят один сквозь другой беспрепятственно, как говорят, не рассеиваясь. Между тем, физики уже давно подозревают, что отсутствие наблюдаемого рассеивания связано лишь с тем, что мы не имеем в своем распоряжении достаточно интенсивных пучков света. Изобретение лазера создает новые экспериментальные возможности в этом отношении, и не исключено, что в скором времени мы сможем наблюдать новый эффект.

Дальше. Известно, что радиоволны, как и свет, представляют собой электромагнитные колебания, отличающиеся лишь длиной волны. Длины освоенного диапазона радиоволн - от одного километра до одного сантиметра. Световая же волна имеет длину около 0.0004 сантиметра.

На заре развития радиовещания использовались преимущественно длинные волны. Более короткие, которые, как считалось, не представляют собой интереса, были отданы на откуп любителям. Но затем оказалось, что коротковолновый диапазон более удобен для радиосвязи, чем длинный. Началось еще более плотное "заселение" эфира. Множество радиопередач стали забивать друг друга, появилась масса помех, возросла и сложность передаваемых сообщений. Сейчас радиоволны используются для передач самого широкого плана - от азбуки Морзе до цветного телевидения. Все это заставило радиоинженеров и радиолюбителей осваивать все более и более короткие радиоволны.

Но, оказалось, что сама природа не позволяет человеку проникнуть в область волн, длина которых значительно меньше сантиметра. Дело в том, что размеры аппаратуры, предназначенной для генерации и приема радиоволн, не могут быть намного больше длины волны.

Правда, у нас в резерве остались атомы и молекулы вещества, представляющие собой естественные источники очень коротких волн. До сих пор не было никакой возможности управлять этими источниками.

Такую возможность предоставило изобретение лазера. Перед человечеством открылась целина в эфире - диапазон очень коротких электромагнитных волн. Практически мы получаем в свое распоряжение неограниченное количество каналов связи. Сейчас наша задача состоит в том, чтобы усовершенствовать новые источники света и научиться практически использовать их.