Аналогичная судьба постигла еще одну константу классической оптики — показатель преломления. Свет, как известно,— электромагнитные колебания, электромагнитное поле. Синхронность, однофазность световых колебаний в лазерном луче и большая плотность энергии в нем создают напряженность электрического поля до миллионов вольт на сантиметр. Такое поле оказывает сильное влияние на электроны атомов вещества, через которое проходит луч. Если частота и амплитуда колебаний электронов близки к частоте световых колебаний, то проходящий лазерный луч, вызывая резонансные колебания электронов вещества, изменяет, модулирует себя: возникает волна удвоенной частоты. Подбор кристаллов делает возможным превращение невидимого света неодимового лазера (лежащего в ближней инфракрасной области с длиной волны 10·600 А) в видимый (
Принцип удвоения частоты уже используется практически для получения лазеров, работающих в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Тот же эффект при прохождении в кристалле двух разных световых потоков дает более сложный эффект взаимной модуляции; рождаются две новые волны: одна с частотой, равной сумме, другая — разности частот первичных волн. Это явление используется для получения радиоволн, ультракоротких и миллиметровых.
Изменение показателя преломления вещества под влиянием мощного светового потока приводит к еще одному необыкновенному явлению: лазерный луч, проходящий в однородной прозрачной среде, самофокусируется! При этом плотность лучистой энергии в пучке света еще более возрастает. И если в прозрачной среде попадаются хоть малейшие неоднородности, поглощение в них хотя бы ничтожной части энергии вызывает растрескивание, разрыв стекла или другого прозрачного материала.
В свое время выдающемуся русскому физику П. Н. Лебедеву пришлось потратить годы и проявить поистине ювелирное мастерство, чтобы доказать реальность светового давления. А лазер и здесь сделал невозможное возможным, сложное и абстрактное — простым и наглядным. Лазер мощностью всего 0,25 вт — лилипут в мире великанов — в состоянии удерживать на своем луче, направленном вертикально вверх, стеклянный шарик диаметром 0,025 мм. А в фокусе луча мощного импульсного лазера давление превышает тысячу тонн на квадратный сантиметр! Перечень революционных свойств лазерного луча можно было бы продолжить. К их числу относится, например, возникновение в веществе ультра- и гиперзвуковых колебаний. Но и сказанного достаточно, чтобы понять, что с созданием оптических квантовых генераторов в учении о свете открылась новая глава.
Луч-исследователь и луч-труженик
Мы познакомились пока с устройством лишь одного, правда, наиболее распространенного лазера — рубинового. Но сегодня семья лазеров уже весьма многочисленна и продолжает расти не по дням, а по часам. Познакомимся же с наиболее интересными ее членами.
Если заменить рубин бариевым стеклом с добавкой ионов элемента неодима, мы получим лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, с длиной волны 10600 А (1,06 мкм). Неодимовый лазер более экономичен, его КПД более 4% и значительно превышает таковой рубинового лазера. Из неодимового стекла можно получать стержни любой величины и создавать лазеры большой мощности — до нескольких тысяч джоулей. В качестве активного вещества — рабочего тела лазеров используется также стекло с добавкой атомов иттербия, гадолиния, гольмия, тербия и других редкоземельных элементов. Лазер на кристалле флюорита, активированном диспрозием, излучает на волне 2,35 мкм, на кристалле иттрий-алюминиевого граната, активированном неодимом, излучает на той же волне, что и лазер на неодимовом стекле — 1,06 мкм, но не в импульсном, а в непрерывном режиме при комнатной температуре. Существуют и другие типы лазеров.
В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используются растворы окислов и комплексных соединений все тех же редкоземельных металлов. Жидкостные лазеры удобны тем, что они проще в изготовлении, не нуждаются в специальной системе охлаждения (достаточно обеспечить циркуляцию жидкости в установке); подбирая растворенные соединения, можно легко изменять длину волны излучения. Однако мощность жидкостных лазеров невелика. Жидкостные лазеры на красителях обладают свойством плавно изменять частоту генерируемых световых колебаний (в определенных пределах).
Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. Одно из их достоинств — необыкновенная даже в мире лазеров монохроматичность — она еще в 100 тыс. раз выше, чем у рубинового лазера. Гелий-неоновый лазер излучает на волне 6328 А красный свет. Аргоновый — в сине-зеленой области (4880 и 5145 А). Углекислотный лазер, обладающий высоким коэффициентом полезного действия — до 15—25%,— излучает в длинноволновой инфракрасной области (10,6 мкм). Наконец, лазер на азоте — первый ультрафиолетовый лазер с длиной волны 3371 А.
Особую группу образуют полупроводниковые лазеры. Хотя активное вещество в них представляет собой твердое тело, но принцип генерации света отличается от такового у твердотельных лазеров: вместо световой накачки используется электрическое возбуждение. Их кпд наиболее высок — до 60—70%. В магнитном поле удается изменять частоту излучаемого ими света. Мощность полупроводниковых лазеров пока невелика.
Работы по созданию новых типов лазеров ведутся во многих странах. И если вспомнить, что первый лазер был создан всего в 1960 г., нельзя не признать, что сделано уже немало. Лазер прочно вошел в арсенал науки, техники, промышленности, сельского хозяйства и медицины. Рассмотрим коротко, что уже дает и может дать человечеству в самом ближайшем будущем использование лазерного луча.
Высокая концентрация лучистой энергии в лазерном импульсе, а также возможность фокусировки луча позволяет создать столь значительное, хотя кратковременное и локальное, повышение температуры, что самые тугоплавкие вещества, рекордсмены прочности испаряются, попав в фокус излучения. Это свойство лазерного луча широко и разносторонне используется в технике.
Пробивание отверстий малого диаметра в таких твердых материалах, как алмаз, корунд, особо прочные сорта стали, металлокерамические изделия, лазерный луч производит несравненно проще, быстрее, производительнее и дешевле, чем любые другие инструменты. Для получения сверхтонкой проволоки, например, нагретые заготовки металла протягиваются через крохотные отверстия в алмазной фильере. Сверлить эти отверстия до последнего времени удавалось лишь с помощью алмазного же порошка, на что уходило много времени и дорогостоящего сырья. Лазерный луч сокращает время пробивания отверстия с 2—3 дней до 2—3 минут; он сверлит отверстия очень малого размера (до 0,009 мм), получить которые другим способом невозможно. В результате производительность труда и экономия материалов увеличиваются в тысячи раз. Отечественная установка «Квант-9» обладает всеми этими преимуществами, пробивая отверстия тоньше волоса.
В микроэлектронике, производстве интегральных схем лазерный луч осуществляет травление, т. е. удаляет крохотные излишки металла; повышает точность изготовления прецизионных сопротивлений, испаряя избыточный материал; производит резку и пайку тончайших проводов и деталей внутри вакуумных приборов, не нарушая вакуума. Советская установка «ТИЛУ-1» дает в год сотни тысяч рублей экономии.
Лазерный луч, испаряя в ничтожные доли секунды крохотную частичку вещества, образует облачко пара. Через секунду-другую оно рассеивается, и если не упустить времени, то на фотопластинке спектрографа это облачко оставит след в виде набора линий, по которым специалисты определят элементарный состав изучаемой пробы. Лазерный микроанализ успешно работает в биологии, медицине, позволяет определить химический состав участка хромосомы или человеческого волоса, сыворотки крови или ткани опухоли; в криминалистике (примесь какого-либо вещества позволяет установить происхождение и принадлежность вещественного доказательства); в живописи (химический состав краски может подсказать возраст картины); в геологии (где серийный анализ проб облегчает по следам металла отыскание его месторождения) и т. п.