150467 (Лазерный свет)

РЕФЕРАТ

ЛАЗЕРНЫЙ СВЕТ

Попытка создать источник света, который обладал бы совершенно новыми свойствами. Толчок к этим разработкам был дан в 1958 году публикацией результатов Артура Шавлова и Чарлза Таунса. Еще раньше, в 1954 году, Таунс совместно со своими сотрудниками сконструировал прибор, генерировавший так называемые микроволны абсолютно новым способом. Эти микроволны, так же как и радиоволны, являются электромагнитными. Такие волны не воспринимаются нашими органами чувств, однако это ничуть не умаляет реальности их существования. Представьте себя на берегу моря темной — хоть глаз выколи — ночью: самих волн вы не видите, однако вполне способны сделать вывод об их наличии, если на волнах качается вверх-вниз лодка с фонарем. Примерно так же обстоит дело и с электромагнитными волнами. Доказательством их существования можно считать, например, радио: после определенных преобразований электромагнитные колебания становятся слышимыми для человека.

Задача Bell Telephone Laboratories заключалась в том, чтобы изготовить источник световых волн, основанный на принципе Таунса. Принцип этот получил название «мазер». «Мазер» — как и многие другие термины в современной науке — слово придуманное; можно даже сказать, что это лингвистическая шутка. Оно составлено из начальных букв английских слов (смысл которых для большинства неподготовленных читателей до сих пор остается несколько туманным): Microwave Amplification (by) Stimulated.Emission (of) Radiation. В переводе это означает «усиление микроволн в результате вынужденного излучения» — так понятнее, но ненамного. А вот слово «лазер» (light Amplification (by) Stimulated emission (of) Radiation) прижилось очень быстро, хотя вся разница заключается в замене «микроволн» на «свет».

Чтобы по достоинству оценить прорыв, совершенный человечеством благодаря этому открытию, следует сначала вкратце обсудить лампы и излучаемый ими свет. Этот краткий экскурс не отвлечет нас от главной цели — напротив, в ходе рассуждений читатель получит ясное представление об идеях, лежащих в основе синергетики.

В качестве примера обычной лампы возьмем так называемую газоразрядную трубку — стеклянную трубку, заполненную каким-либо инертным газом (например, неоном). Атом газа состоит из положительно зараженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов, кружащихся вокруг этого ядра подобно планетам вокруг Солнца. Для простоты и краткости в дальнейшем мы будем рассматривать поведение только одного электрона, так называемого «светового» электрона (рис. 1). Датский физик Нильс Бор в 1913 году установил, что электрон может занимать только строго определенную орбиту, все же прочие для него оказываются «под запретом». Обоснование такого поведения было дано квантовой теорией, согласно которой электрон ведет себя не только как частица, но еще и как волна, которая при обращении вокруг ядра атома вынуждена ловить собственный «хвост»; в этом и заключена причина существования для каждого электрона только одной строго определенной орбиты. В нормальных условиях электрон движется по самой «глубокой колее» — в некотором смысле, по дну потенциальной ямы (рис. 2). Если пропустить через трубку электрический ток, передающийся, как известно, множеством свободно движущихся электронов, то эти электроны будут сталкиваться с отдельными атомами газа. При этом световой электрон атома может «перескочить» со своей орбиты на другую, более высокую (с более высоким энергетическим уровнем) (рис. 3), а затем спонтанно (т.е. совершенно самопроизвольно, в непредсказуемый момент времени) вернуться на прежнюю орбиту. Освобожденную при этом энергию он отдаст в виде светового излучения (рис. 4) и продолжит движение по низкой орбите (рис. 5). Таким образом возникает световая волна — точно так же, если бросить в воду камень, возникает волна на поверхности воды.

Рис. 1. Схема строения атома на примере атома водорода: отрицательно заряженный электрон движется по орбите вокруг положительно заряженного ядра

Рис. 2. Движение электрона (черный кружок) вокруг атомного ядра.

При получении энергии извне (например, при освещении) электрон, движущийся по нижнему желобу, может покинуть его и подняться на более высокий энергетический уровень

Естественно, такую судьбу разделяют множество световых электронов, находящихся в газоразрядной трубке. Они производят световые волны; общая картина при этом сходна с той, что получалась бы на поверхности воды от беспорядочного забрасывания ее камнями, т.е. совершенно хаотичное движение, состоящее из отдельных волновых цугов, напоминающих спагетти. При увеличении силы тока, пропускаемого через газ, в возбужденное состояние переходит все большее количество атомов; можно ожидать, что плотность цугов также увеличится. Многие физики именно так и полагали.

Рис. 3. Электрон движется по более высокой орбите; такое состояние атома называется возбужденным

Рис. 4. С верхнего желоба электрон переходит обратно на нижний, испуская при этом энергию в виде световой волны

В лазере же происходит нечто совершенно иное. Вместо беспорядочной толкотни в лазере возникнет абсолютно упорядоченный, практически бесконечный волновой цуг. Эксперименты, которые затем проводились в разных лабораториях по всему миру, целиком и полностью подтвердили этот прогноз. В этом, собственно, и заключается разительное отличие света обычной лампы от излучения лазера. Поясним происходящее при этом чудо, используя аналогию.

Вообразим себе атомы в виде маленьких человечков, стоящих с шестами на берегу наполненного водой канала (рис. 6); вода при этом будет символизировать световое поле. Находящаяся в состоянии покоя поверхность воды соответствует случаю, в котором световое поле отсутствует, т. е. темноте. Когда человечки погружают свои шесты в воду, состояние покоя нарушается, и поверхность приходит в движение — появляются волны. Эта ситуация соответствует возникновению вокруг атомов световых полей. Это движение совершенно неупорядочено — такое имеет место в обычной лампе. Однако представим, что человечки действуют согласованно, как по команде, и опускают шесты в воду одновременно, отчего на поверхности воды возникает равномерное движение. Будь наши атомы-человечки настоящими людьми, было бы понятно, каким образом достигается слаженность действий: рядом стоит какой-то босс или шеф и выкрикивает команду, точно регулирующую моменты спуска и подъема шестов. В то же время лазер является примером упорядоченного состояния, реализуемого посредством самоорганизации: хаотичное движение здесь переходит в упорядоченное; для синергетики лазер оказывается просто незаменимым, образцово-показательным примером, который можно использовать в качестве аллегории для очень многих процессов вплоть до социальных.

Рис. 5. Электрон снова движется по прежнему, низкоэнергетическому, желобу

Рис. 6. Принцип действия лампы и лазера

Человечки с шестами стоят на берегу канала, наполненного водой. На верхней картинке они опускают свои шесты в воду независимо друг от друга. Бурное движение водной поверхности соответствует световому полю обычной лампы. Изображенные на нижней картинке человечки погружают свои шесты в воду синхронно; возникающая при этом синхронная волна соответствует свету лазера.

На примере лазера мы можем без лишних усложнений разобраться в некоторых вопросах, и это — пусть всего на шаг — приблизит нас к пониманию процессов, протекающих в живой природе.

Рис. 7. Устройство типичной лазерной установки

Самоорганизация в лазере

Рассмотрим подробнее процессы, протекающие в лазере — это поможет нам раскрыть тайну самоорганизации. Лазер отличается от обычной газоразрядной трубки только наличием зеркал (рис. 7). Зеркала нужны для того, чтобы свет, движущийся вдоль оси трубки, как можно дольше оставался внутри трубки (рис. 8). При этом одно из установленных зеркал частично проницаемо, благодаря чему некоторое количество света излучается наружу. Почему же желательно по возможности дольше удерживать свет внутри лазерной установки?

Рис. 8. Световые волны, оказавшись между зеркалами, могут вести себя по-разному: те, что движутся в направлении, точно совпадающем с осью трубки, отражаются от зеркал и остаются в лазере более продолжительное время, а все остальные быстро покидают пределы трубки

При таких условиях начинается процесс, еще в начале двадцатого века предсказанный Эйнштейном. Уже возникшие световые волны могут принудить возбужденные световые электроны к синхронным колебаниям. С электронами происходит то же самое, что и с увлекшимся чечеточником, который усиливает ритм, задаваемый музыкантами, и под конец, обессилев и целиком выложившись, буквально валится с ног. Электрон усиливает световую волну, т.е. поднимает ее гребень, до тех пор, пока не отдаст волне всю свою энергию и не вернется в начальное состояние — состояние покоя.

Рис. 9. «Волна волне рознь»: примеры волн с различными фазами, т. е. с разными расстояниями между гребнями

Поскольку благодаря зеркалам световые волны относительно долго остаются внутри лазера, они могут подчинять себе все больше и больше световых электронов, используя их для того, чтобы увеличить собственную амплитуду, т. е. высоту гребня волны. Но и волны с одинаковой амплитудой все же могут отличаться друг от друга: одинаковые по высоте гребни волн могут следовать на разном расстоянии друг от друга (рис. 9). Таким образом, у «истоков» каждого лазерного излучения стоят одновременно совершенно разные волны, успевшие на данный момент сформироваться благодаря усилиям нескольких особо «прытких» электронов. Волны вступают в конкурентную борьбу за усиление своего влияния на возбужденные электроны. Сами электроны тоже по-разному относятся к различным волнам, зачастую при передаче энергии отдавая какой-то определенной волне некоторое предпочтение; предпочтением этим пользуются те волны, частота которых оказывается ближе всего к «внутреннему ритму» самого электрона. И хотя такие особые волны часто имеют лишь очень небольшое преимущество, степень их влияния лавинообразно растет, и в конце концов они одерживают верх над остальными. В результате такого тотального подавления вся энергия световых электронов оказывается собрана в единую абсолютно равномерно колеблющуюся волну. И наоборот: стоит только какой-то волне добиться успеха, как она подчиняет себе каждый вновь возбуждаемый электрон, навязывая ему свою собственную частоту колебаний. Возникающая таким образом новая волна определяет своим поведением порядок в лазере — она играет роль параметра порядка; термин этот уже не раз нами упоминался.